“高级能源材料表征原理及技术”是面向理工科高等院校能源类专业的一门本科及研究生专业课程。学生在掌握新能源知识的基础上，结合材料科学理论研究，通过对《高级能源材料表征原理及技术》的学习，了解和熟悉新能源材料的各种现代表征手段和分析方法，可进一步深化对新能源材料的认识。为配合教学内容，《高级能源材料表征原理及技术》全面介绍有关材料成分、结构及组织形貌、功能材料属性等的现代表征技术及分析方法，内容涉及X射线衍射学、电子显微学、能谱学、电化学、热学等衍生出的表征方法，旨在培养学生掌握材料表征技术原理，并初步具备分析材料表征结果的能力，*终使学生学会分析材料的晶体结构、微观组织、化学成分、物相组成与物质属性，从而建立起材料制备工艺-材料结构-材料性能之间关系的理论知识和研究方法。

第1章 绪论
本章对材料进行一系列分类并对常用材料中所涉及的基础知识进行阐释以便读者掌握材料科学基础知识。
1.1 材料的概念与分类
1.1.1 材料的概念
众所周知，能源、材料和信息是现代科技的三大支柱。其中，材料又是能源和信息的基础，因此，材料在社会各行业的发展过程中起着重要的作用。我国有着灿烂的历史文化和深厚的历史底蕴，在研究中，常有学者将我国历史长河以材料为依据划分为石器时代、陶器时代、青铜器时代等。
古往今来，利用材料的例子不胜枚举。利用石器、陶器制造炊具、饰品，利用铁器制造兵器，利用钢筋混凝土建造高楼大厦，利用硅材料制造半导体等。由此可见，材料不断推动着社会发展、时代变化。
从石器到青铜器再到水泥、硅、碳，材料的形式多种多样。材料被定义为人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的物质，广泛存在于人类生产生活之中，与各行各业的发展息息相关，可以说，材料演进史实质是人类文明进阶史。
1.1.2 材料的分类
根据不同的角度，材料可被划分为不同的类别。常见的分类方式有如下几种：根据材料的组成分类，根据材料的属性和用途分类，根据材料的物理形态（即材料的内部原子排列情况）分类等。
1. 根据材料的组成分类
根据材料的组成，材料可分为金属材料、陶瓷材料、高分子材料（聚合物）和复合材料。
金属材料：金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。它们通常有光泽，具有良好的延展性、导电性、导热性等。
陶瓷材料：用天然或合成化合物经过成形和高温烧结制成的一类无机非金属材料，通常是晶体氧化物、氮化物或碳化物。结晶度不同、离子中的电子组成不同、共价键不同使大多数陶瓷材料成为良好的热绝缘体和电绝缘体。陶瓷通常具有耐高温、硬度高、耐磨性强、耐氧化等优点。
高分子材料：又称聚合物或高聚物材料，是一类由一种或几种分子或分子团（结构单元或单体）以共价键结合成具有多个重复单体单元的大分子，其分子质量高达104～106Da。它们可以是天然产物，也可以由合成方法获得。聚合物的特点是种类多，密度小（仅为钢铁的1/8～1/5），比强度大，电绝缘性、耐腐蚀性好，加工容易，可满足多种特种用途。
复合材料：由有机高分子、金属或无机非金属与几类不同的材料通过复合工艺获得的新型多相固体材料。它既能保留原组分材料的主要特征，又能够通过复合效应获得原组分不具备的性能。
2. 根据材料的属性和用途分类
根据材料的属性和用途，材料可分为结构材料和功能材料两大类。
结构材料以其优异的力学性能为基础，被用于制造需要承受一定荷载的设备、零部件、建筑结构。功能材料则主要利用它的特殊性能（电、磁、光、声、热、力、化学、生物等方面的特性）制造各种电子器件、光电及电光元件、能源设备与医疗设备等。
新能源材料指发展新能源技术所需的具有能量储存和转换功能的功能材料或结构功能一体化材料。它是新能源技术发展的核心和新能源应用的基础。
常见的新能源材料包括太阳能电池材料、镍氢电池材料、锂离子电池材料、燃料电池材料、反应堆核能材料、相变储能材料等。
这里着重介绍太阳能电池材料、锂离子电池材料和相变储能材料。
1）太阳能电池材料
太阳能的光电转换及利用是近些年国内外研究的热点。由于半导体材料的禁带宽度（0～3.0eV）与可见光的能量（1.5～3.0eV）相匹配，当光照射到半导体上时，一部分能够被吸收，产生光伏效应。太阳能电池利用太阳光与材料间的光伏效应或光化学效应，将光能直接转化成电能。
能产生光伏效应的材料有许多，如单晶硅、多晶硅、非晶硅、砷化镓等。它们的发电原理基本相同。光化学电池将光子能量转换为自由电子，电子通过电解质转移至其他材料，随后向外供电。除此以外，还有一些新型太阳能电池，如有机半导体太阳能电池、染料敏化纳米晶太阳能电池、钙钛矿太阳能电池、量子点太阳能电池等。
目前，以光伏效应工作的晶硅太阳能电池为主流，以光化学效应工作的太阳能电池还处于产业化突破阶段。
2）锂离子电池材料
锂离子电池材料作为一种新兴的能源材料正处于蓬勃发展时期。正极材料是锂离子电池的重要组成部分，在锂离子电池充放电的过程中，正极不但需要提供正负极嵌锂化合物往复嵌入/脱嵌所需要的锂，还需要补偿负极材料表面形成固体电解质界面（SEI）膜所需的锂。
锂离子电池负极材料的发展经历了*折蜿蜒的过程。二次锂电池发展初期，金属锂作为负极材料，具有比容量高的优势，但是其异常活泼，可与很多无机物或有机物反应，出现了许多问题。例如，在反复的充放电过程中，金属锂表面生长出锂枝晶，能刺透在正负极之间起电子绝缘作用的隔膜，*终触到正极，造成电池内部短路，引发安全问题。常用的解决方法有：对电解液、隔膜进行改进，解决枝晶问题或采用新的电极材料代替金属锂。目前商业化的锂离子电池中所用的负极材料多为石墨化的碳材料或少量的非石墨化的硬碳材料，其他的碳材料仍然处于基础研究阶段，尚未形成应用规模。
3）相变储能材料
相变储能材料是指在相变时能够释放或吸收足够的能量来提供有用的热量或冷量的一类材料，该类材料在相变过程中能够维持恒定的温度且其储能能力强，可以作为能量的储存器。近些年，相变储能材料在建筑、电池热管理、太阳能等领域都得到了广泛应用。
相变储能材料按其相变方式可以分为四类：固-液相变材料，固-固相变材料，固-气相变材料和液-气相变材料。无机相变储能材料主要包括结晶水合物盐类、熔融盐类、金属或合金类。由于相变温度的限制，在墙体材料中用得*多的是结晶水合物盐。有机相变储能材料主要有石蜡、多元醇类、脂肪酸类。
3. 根据材料的物理形态分类
根据材料的物理形态，固态材料可分为晶态材料、准晶态材料和非晶态材料。
晶态材料具有长程有序的点阵结构，其组成原子或基元处于一定格式空间排列的状态。
非晶态材料指非结晶状态的材料，一般指以非晶态半导体和非晶体金属为主的普通低分子非晶态固体材料。非晶态材料通常只在几个原子间距量级的短程范围内具有原子有序的状态，也称短程有序。广义上，非晶态材料还包括玻璃、陶瓷和非晶态聚合物。
除此之外，根据材料的几何形态，材料可分为一维材料、二维材料、三维材料和零维材料。根据材料的发展，材料可分为传统材料和新型材料。根据应用领域的差异，材料可分为航空航天材料、能源材料、信息材料等。
1.2 能源材料的结构与性能
1.2.1 能源与能源材料
能源是一个包括所有燃料、流水、阳光和风的术语，是指能够直接或经过转换而获取某种能量的自然资源。任何物质都可以转化为能量，但是转化的数量及转化的难易程度是不同的。能源是指能够直接或经过转换而获取某种能量的自然资源。
（1）按能量蕴藏方式分类：①来自地球以外天体的能量，主要是太阳能；②地球本身蕴藏的能量，如地热资源和核燃料；③地球与天体相互作用产生的能量，如潮汐能。
（2）按是否经过加工转换分类：①一次能源（primary energy resource），即天然存在，可从自然界直接取得，并且不改变其基本形态和品位的能源，如煤炭、石油、天然气、风能、地热能等；②二次能源（secondary energy resource），即由一次能源经加工或转换才能加以使用的能源，如电力、煤气、蒸汽和石油制品等。
（3）按循环方式分类：①可再生能源；②非再生能源。
（4）按使用性质分类：①含能体能源（energy-containing energy resource），即包含能量的物质，可以直接储存运送，如化石燃料、生物质燃料、核燃料等；②过程能源（process energy resource），即能量比较集中的物质运动过程，是在流动过程中产生的能量，如流水、海流、潮汐、风、地震、直接的太阳辐射、电能等。
能源是人类赖以生活和生产的重要资源，材料是人类进步的重要里程碑。能源材料是能源与材料学科的一个新分支，也是当今能源与材料交叉学科中的重要研究方向。能源材料至今尚未有一个明确的定义，广义地说，凡是能源工业及能源技术所需的材料都可称为能源材料[1]。
1.2.2 能源材料结构与材料性能的关系
1. 能源材料结构与性能的基本要素
材料研究有四大要素：材料的固有性能、材料的结构与成分、材料的使用性能、材料的合成与加工。材料表征和检测则涵盖材料成分、组织结构、物理性能和力学性能等方面的分析测试技术与方法。材料科学与工程的研究主要集中在材料结构与性能的关系上，关注的是使用过程中固有的性能（即宏观性能），如物理性能、力学性能、热性能、光学性能、电性能、透气性能、耐化学药品性能、耐候性能、长期使用性能、燃烧性能等。材料的固有性能大都取决于物质的电子结构、原子结构和化学键结构。材料的使用性能是材料在使用状态下表现出的行为，使用性能的依据就是材料的固有性质，如有超导性才有超导材料，有导电性才有导电高分子材料，有高热稳定性才有阻燃高分子材料等。但使用性能还与设计、加工条件和工程环境密切相关，有些材料的固有性质很好，但在复杂的使用条件下，如在氧化与腐蚀、疲劳及其他复杂载荷条件下就不能令人满意。使用性能包括可靠性、耐用性、寿命预测和延寿措施等。通过优化设计和改变加工制备条件等措施，可以提高材料的使用性能。
随着科学技术的发展和对材料科学与工程关键问题认识的日益深化，材料研究已深入到分子、原子、电子的微观尺度，研究化学结构与分子结构，如核外电子排列方式、原子间的结合力、化学组成与结构、支链、侧链、交联程度、晶体结构、键形态等。在选择适当的表征方法时，*先考虑采用什么方法才能得到所需要的参数，即一方面要知道探测样品组织的尺度，另一方面需要知道分析仪器设备自身具备的性能、精确性以及测试方法的可行性和可靠性，同时也要考虑所需信息是宏观尺度、原子尺度，还是其他尺度。
2. 原子结构及结合键
固体材料的性质主要取决于其结构。材料的结构是和组成材料的原子之间的作用力即结合键密切相关的，结合键是各种固体理论的基本出发点。下面对孤立原子的结构及其相关理论进行简单介绍。
1）原子结构及相关理论
如图1-1所示，原子是由原子核及在其周围高速运转的电子组成的。在结构上，原子核是由带正电荷的粒子（质子）和不带电荷的粒子（中子）组成的。质子数即原子序数（Z），决定了元素的本性。核内质子和中子的总数决定了原子量。
图1-1 原子结构示意图
根据量子力学相关知识，原子具有以下特性。
波粒二象性：电子和一切微观粒子都具有二象性，既具有粒子性，又具有波动性。联系二象性的基本方程是
（1-1）
式中， 为粒子的德布罗意波长； 为普朗克常数； 为粒子动量； 为粒子质量； 为粒子速度。从该公式可得，如果通过改变外场而改变电子的动量，则电子波的波长也会改变。因为电子具有波动性，不谈论电子在某一瞬时的准确位置，仅研究电子出现在某一位置的概率。人们往往用连续分布的“电子云”代替轨道来表示单个电子出现在各处的概率，电子云密度*大的地方即电子出现概率*大的地方。
为了定量描述电子的状态和出现在某处的概率，需要引入一个概率波的波函数：
（1-2）
即在t时刻，在位矢r处单位体积内找到电子的概率（即在r处的电子云密度）。 满足薛定谔方程。在外场不变，总能量E恒定（电子处于定态）的情况下，波函数 可以写成
（1-3）
将式（1-3）代入薛定谔方程，则可得到定态薛定谔方程。这个波函数形式表明，系统的状态可以分解为时间部分和空间部分的乘积。时间部分 表示波函数的时间演化，而空间部分u(x， y， z)则描述了粒子在不同位置的概率密度分布。
对于孤立原子，每个电子都在核和其他电子的势场中运动。如果将势场看成有心力场，求解薛定谔方程，就可得到波函数和相关的物理量（如E、L等）。所得公式中包含4个参数：主量子

目录
第1章 绪论 1
1.1 材料的概念与分类 1
1.1.1 材料的概念 1
1.1.2 材料的分类 1
1.2 能源材料的结构与性能 3
1.2.1 能源与能源材料 3
1.2.2 能源材料结构与材料性能的关系 4
习题 11
参考文献 11
第2章 X射线分析 12
2.1 布拉格定律 12
2.1.1 布拉格定律的建立 12
2.1.2 布拉格方程的推导 12
2.1.3 布拉格方程的讨论 13
2.2 X射线衍射 14
2.2.1 X射线的产生 14
2.2.2 X射线的特性 15
2.2.3 X射线衍射技术 16
2.2.4 X射线物相分析 17
2.3 掠入射X射线散射 22
2.3.1 同步加速器简介 22
2.3.2 同步加速器的优势 25
2.3.3 基本原理 26
2.3.4 掠入射小角X射线散射 29
2.3.5 掠入射广角X射线散射 32
2.4 案例分析 36
习题 40
参考文献 41
第3章 光学和透射电子显微镜 42
3.1 光学成像原理与模式 42
3.1.1 光学成像原理 42
3.1.2 理想光学系统 44
3.1.3 光学系统的放大率 47
3.1.4 显微镜成像 49
3.1.5 光学成像模式 50
3.1.6 案例分析 53
3.2 透射电子显微镜 55
3.2.1 基本工作原理简述 55
3.2.2 透射电子显微镜的基本构造 56
3.2.3 主要技术参数 60
3.2.4 样品制备 61
3.2.5 扫描透射电子显微镜 63
3.2.6 案例分析 64
习题 66
参考文献 66
第4章 扫描显微镜 68
4.1 扫描电子显微镜 68
4.1.1 扫描电子显微镜简介 68
4.1.2 扫描电子显微镜工作原理 68
4.1.3 扫描电子显微镜系统组成 69
4.1.4 扫描电子显微镜主要性能参数 71
4.1.5 实验操作及分析 71
4.1.6 案例分析 73
4.2 扫描隧道显微镜 74
4.2.1 扫描隧道显微镜简介 74
4.2.2 扫描隧道显微镜工作原理 75
4.2.3 扫描隧道显微镜系统组成 77
4.2.4 扫描隧道显微镜工作模式 78
4.2.5 扫描隧道谱 79
4.2.6 案例分析 80
4.3 原子力显微镜 81
4.3.1 原子力显微镜简介 81
4.3.2 原子力显微镜工作原理 82
4.3.3 原子力显微镜系统组成 84
4.3.4 原子力显微镜工作模式 85
4.3.5 实验操作及分析 87
4.3.6 案例分析 91
4.4 开尔文探针力显微镜 93
4.4.1 开尔文探针力显微镜简介 93
4.4.2 开尔文探针力显微镜工作原理 93
4.4.3 开尔文探针力显微镜系统组成 95
4.4.4 开尔文探针力显微镜工作模式 97
4.4.5 实验操作及分析 98
4.4.6 案例分析 99
习题 101
参考文献 102
第5章 振动光谱分析 104
5.1 傅里叶变换红外光谱 104
5.1.1 基础知识 104
5.1.2 傅里叶变换红外光谱原理和分析基础 105
5.1.3 傅里叶变换红外光谱仪 108
5.1.4 常见分子的红外光谱 111
5.1.5 案例分析 117
5.2 拉曼光谱 118
5.2.1 拉曼光谱原理和分析基础 119
5.2.2 拉曼光谱仪器介绍 121
5.2.3 拉曼光谱的应用 122
5.2.4 案例分析 122
习题 123
参考文献 123
第6章 核磁共振波谱法 124
6.1 核磁共振基本原理 124
6.1.1 原子的自旋 124
6.1.2 自旋核在外磁场中的行为 125
6.1.3 核磁共振现象 126
6.1.4 核磁共振波谱重要参数 127
6.1.5 核磁共振碳谱 130
6.2 核磁共振波谱仪 133
6.2.1 核磁共振波谱仪原理 133
6.2.2 核磁共振波谱仪发展历程 133
6.2.3 核磁共振波谱仪基本分类与组成 134
6.2.4 连续波和脉冲波谱仪 135
6.2.5 仪器介绍 136
6.3 案例分析 137
习题 138
参考文献 139
第7章 光电子能谱仪 140
7.1 光电效应 140
7.1.1 光学辐射 140
7.1.2 能带理论 142
7.1.3 外光电效应基本定律 144
7.1.4 外光电效应作用原理 144
7.2 X射线光电子能谱 146
7.2.1 XPS的理论基础 146
7.2.2 XPS仪的仪器结构和工作原理 147
7.2.3 XPS仪的实验技术 149
7.2.4 XPS图的分析 150
7.3 紫外光电子能谱 157
7.3.1 UPS的理论基础 157
7.3.2 UPS的测试装置 157
7.3.3 UPS图分析 158
习题 159
参考文献 160
第8章 吸收与发射光谱分析 161
8.1 紫外-可见-近红外光谱 161
8.1.1 紫外-可见-近红外吸收光谱产生的原理 161
8.1.2 影响紫外-可见-近红外吸收光谱的因素 161
8.1.3 紫外-可见-近红外分光光度计 163
8.2 荧光光谱学 167
8.2.1 原理 168
8.2.2 发光参数 169
8.2.3 荧光强度的影响因素 171
8.2.4 荧光分析仪器 172
8.2.5 案例分析 173
习题 174
参考文献 174
第9章 热分析手段 175
9.1 热重分析仪 175
9.1.1 热重分析仪简介 175
9.1.2 典型应用：橡胶分析 185
9.2 差示扫描量热仪 187
9.2.1 差示扫描量热仪简介 187
9.2.2 DSC仪器操作及案例分析 193
9.3 热导率测量 195
9.3.1 导热系数和热扩散率简介 195
9.3.2 测量仪器的使用及案例分析 207
习题 209
参考文献 210
第10章 电化学测试技术 211
10.1 电化学测量 211
10.1.1 电化学测量原理 211
10.1.2 案例分析 217
10.2 电化学循环伏安测试 219
10.2.1 循环伏安测试简介 219
10.2.2 实验步骤及数据处理 224
10.2.3 案例分析 227
10.3 电化学阻抗谱分析技术 229
10.3.1 电化学阻抗谱工作机理及组成部分 229
10.3.2 电化学阻抗谱测量技术简介、数据处理及应用 232
10.3.3 案例分析 236
习题 238
参考文献 238
第11章 溶液性质测试 239
11.1 黏度测试 239
11.1.1 牛顿内摩擦定律 239
11.1.2 黏度分类 240
11.1.3 流变测量的边界条件 241
11.1.4 黏度测量传统方法 241
11.1.5 黏度测量新型技术 249
11.1.6 案例分析 251
11.2 Zeta分散液稳定性测试 252
11.2.1 Zeta电位的定义 253
11.2.2 双电层理论 253
11.2.3 DLVO理论 255
11.2.4 电动现象 258
11.2.5 Zeta电位测量方法 259
11.2.6 案例分析 265
11.3 激光散射测试 266
11.3.1 光散射原理 266
11.3.2 激光光散射仪简介 269
11.3.3 激光光散射法的应用 270
11.3.4 案例分析 270
习题 271
参考文献 271
第12章 其他常见测试仪器 273
12.1 比表面积测试 273
12.1.1 气体吸附法 273
12.1.2 案例分析 279
12.2 电感耦合等离子体测试 281
12.2.1 技术简述 281
12.2.2 电感耦合等离子体测试技术工作原理 281
12.2.3 ICP测试操作流程及应用 284
12.2.4 案例分析 286
习题 288
参考文献 289