随着新能源汽车、智能设备和储能系统的蓬勃发展，电池已成为现代科技的核心。本书从锂离子电池概述和规格入手，深入浅出地阐述了电化学在电池中的应用及电池阻抗对其寿命的深远影响，系统介绍了充电状态估算方法及电池寿命估算和延长的算法，为电池的精确控制提供了理论支撑。书中详细剖析了锂离子电池单体/电池组的设计、制造及回收过程，涵盖了电池全生命周期的工程实践。同时，通过分析电池在各种系统中的应用，为读者提供了丰富的实战案例和部署参数。

本书的独特之处在于其前瞻性，不仅介绍了燃料电池、超级电容器、太阳能电池等其他电池相关技术，还专门阐述了人工智能、机器学习、深度学习在电池充电中的应用，展现了电池技术与智能算法的深度融合。本书内容系统全面，覆盖电池技术的各个关键环节，兼具理论深度和实践广度，旨在为读者构建一条从基础理论到前沿应用的清晰学习路径。

本书既可作为高校相关专业师生的理论与操作指南，也可作为新能源汽车、储能及电子设备等领域中从事电池设计、研发、测试和管理的工程师及研究人员扩展电池知识、解决实际问题的参考书。

译者序
序言
前言
第1章锂离子电池概述1
1.1引言：锂离子电池的发展历程1
1.2锂离子电池的结构1
1.3充放电工作原理2
1.3.1充电机制2
1.3.2放电机制2
1.3.3充放电过程中的化学反应3
1.4实现锂离子电池的关键4
1.5电池规格参数详解6
1.5.1基本术语6
1.5.2电池核心性能术语7
1.5.3电池充电模式8
1.5.4电池寿命与其他关键特性10
1.6本章小结11
1.7习题12
参考文献13
第2章电化学在电池中的应用14
2.1引言：电池关键参数的理论基础与计算14
2.2电池电压的科学与应用14
2.2.1锂离子电池的电压14
2.2.2吉布斯自由能与反应驱动力15
2.2.3能斯特方程及其应用15
2.2.4标准电极电势17
2.2.5锂离子电池电压18
2.2.6未来电池的电压19
2.3电化学在电池设计中的应用20
2.3.1法拉第电解定律20
2.3.2正负极活性物质的质量计算20
2.4本章小结21
2.5习题22
参考文献23
目录
电池系统工程：
原理、设计与AI管理算法
第3章电池阻抗及其对电池寿命的影响24
3.1引言：电池内阻的特性与性能影响24
3.2电池阻抗24
3.2.1欧姆定律和IR压降24
3.2.2等效电路模型25
3.2.3电化学阻抗谱（EIS）及其应用28
3.2.4交流内阻与直流内阻31
3.3电池放电特性32
3.3.1不同放电倍率下的放电特性32
3.3.2在不同温度下的电池放电33
3.3.3阻抗随循环老化与存储的变化33
3.4额定容量与实际可用容量34
3.5本章小结35
3.6习题36
参考文献37
第4章电池充电与阻抗影响38
4.1引言：电池充电策略及其设计考量38
4.2锂离子电池的充电机制38
4.2.1恒流-恒压（CC-CV）充电法38
4.2.2充电过程中的电压抬升39
4.2.3CC-CV充电策略的原理39
4.2.4充电时间的估算与模拟40
4.3快速充电技术42
4.3.1连续快速充电42
4.3.2阶梯充电42
4.3.3快速充电时间模拟44
4.3.4电池充电系统的四大关键要素44
4.4电池安全充电45
4.4.1安全规范与设计45
4.4.2预充电46
4.5无线充电47
4.5.1引言47
4.5.2原理与结构47
4.5.3优势与劣势47
4.5.4电池工程师需关注的要点48
4.6本章小结48
4.7习题48
参考文献49
第5章当前和未来的电池50
5.1引言：主流与新兴电池技术的化学原理及展望50
5.1.1可充电电池技术概览50
5.1.2各类可充电电池的应用领域50
5.2铅酸电池51
5.2.1电化学原理51
5.2.2技术优劣势分析51
5.3镍氢电池52
5.3.1电化学原理52
5.3.2技术优劣势分析52
5.4锂离子电池52
5.4.1正负极材料体系52
5.4.2主流正极材料详解：LCO、NMC、NCA、LFP、LMO53
5.4.3负极材料详解：硅54
5.4.4负极材料详解：锂金属55
5.4.5前沿技术：全固态电池56
5.4.6负极材料详解：LTO57
5.5本章小结58
5.6习题58
参考文献59
第6章锂离子电池单体/电池组设计、制造及回收过程61
6.1锂离子电池的内部构造61
6.1.1电池单体与电池包61
6.1.2电芯的封装形式61
6.1.3电芯的内部结构与关键组件63
6.1.4锂离子电芯的常规制造流程65
6.1.5薄膜全固态电池的制造66
6.2危险情况预防67
6.2.1电池滥用条件与失效机理67
6.2.2电池产气与膨胀68
6.2.3多层级的安全保护设计68
6.2.4供应链中的质量管控70
6.2.5电池性能与安全验证测试71
6.3电池组配置72
6.3.1串联和并联72
6.3.2电芯不一致性及其影响74
6.3.3运输法规与电池认证76
6.3.4电池包的认证与识别76
6.3.5电池组与通信协议77
6.4锂离子电池的可持续性与回收77
6.4.1回收77
6.4.2再利用/梯次利用77
6.4.3减量化/延长寿命77
6.5本章小结78
6.6习题78
参考文献79
第7章电池电量计量方法81
7.1引言：电池剩余容量的估算策略与算法81
7.2电压测量法81
7.2.1OCV-SOC对应关系的基本原理81
7.2.2方法评析：优点与局限性82
7.3库仑计量法83
7.3.1基本原理与实现83
7.3.2方法评析：优点与局限性83
7.4OCV-库仑计混合法84
7.4.1基本原理84
7.4.2方法评析：优点与挑战85
7.5基于阻抗补偿的电量计量85
7.5.1基本原理85
7.5.2优点和缺点86
7.6高级电量计量算法专题86
7.6.1基于等效电路模型的OCV快速预测86
7.6.2基于机器学习的状态预测88
7.6.3基于阻抗预测的系统功率优化88
7.7电池健康状态88
7.8电量计的部署位置：系统侧与电池包侧对比89
7.9本章小结90
7.10习题90
参考文献91
第8章燃料电池92
8.1引言：燃料电池技术概览92
8.2氢燃料电池92
8.2.1工作原理92
8.2.2核心组件与结构93
8.3燃料电池特性93
8.3.1极化曲线（I-V特性）与电压损失93
8.3.2功率密度曲线（I-P特性）95
8.3.3动态负载响应与混合动力系统95
8.4温度和压力对性能的影响95
8.4.1能斯特方程在燃料电池中的应用95
8.4.2压力对电压和性能的影响96
8.4.3温度对电压和性能的影响96
8.5其他燃料电池97
8.5.1直接甲醇燃料电池97
8.5.2固体氧化物燃料电池97
8.6燃料电池与锂离子电池的比较98
8.7实验探究：氢燃料电池的基本特性99
8.8本章小结100
8.9习题101
参考文献102
第9章其他电池相关技术103
9.1引言：电池系统集成的关键技术103
9.2超级电容器103
9.2.1工作原理与分类103
9.2.2典型物理结构104
9.2.3性能特点与应用104
9.2.4能量计算105
9.2.5锂离子电容器106
9.3太阳能电池107
9.3.1引言107
9.3.2太阳光谱能量分布与电池效率107
9.3.3工作原理：p-n结光伏效应108
9.3.4典型物理结构109
9.3.5I-V特性曲线与最大功率点追踪110
9.3.6应用案例分析：车载光伏系统110
9.3.7透明太阳能电池111
9.3.8其他光伏技术概览112
9.4能量收集113
9.4.1动能收集113
9.4.2热电能量收集（温差发电）113
9.4.3射频（RF）能量收集114
9.5电池热管理基础114
9.5.1热传递机制115
9.5.2热传导：傅里叶定律115
9.5.3热对流：牛顿冷却定律115
9.5.4热辐射：斯特藩-玻尔兹曼定律115
9.5.5热建模、系统设计与控制策略116
9.6本章小结117
9.7习题118
参考文献119
第10章电池寿命估算和延长的算法121
10.1电池循环寿命和货架寿命121
10.1.1电池寿命的定义与规格121
10.1.2电池老化的物理化学机理121
10.1.3电压对老化速率的影响123
10.2温度对老化速率的影响与寿命预测模型123
10.2.1理论基础：阿伦尼乌斯方程123
10.2.2阿伦尼乌斯图的线性化原理124
10.2.3通过温度估算电池退化124
10.3通过智能充电算法延长电池寿命125
10.3.1自适应充电介绍125
10.3.2基于使用模式预测的充电优化126
10.3.3基于作息预测的延迟充电（优化夜间充电）127
10.3.4通过情境充电实现自适应充电127
10.4本章小结127
10.5习题128
参考文献129
第11章电池在各种系统中的应用130
11.1可穿戴设备130
11.1.1应用特点与挑战130
11.1.2核心权衡：能量密度与功率密度130
11.2智能手机、平板电脑和笔记本电脑131
11.2.1应用特点与设计考量131
11.2.2关键技术：动态功率调节以规避突然关机131
11.3无人机132
11.3.1应用特点：高倍率持续放电132
11.3.2对电池设计的核心要求132
11.4物联网（IoT）设备133
11.4.1应用概述133
11.4.2电池选型与关键考量因素133
11.5备用/固定式储能电源135
11.5.1备用/固定电池的示例135
11.5.2对电池系统的核心要求136
11.6应用案例：电动汽车电池系统136
11.6.1应用特点与核心要求136
11.6.2电动汽车电池的算法137
11.7电池系统设计的通用优化策略137
11.8本章小结138
11.9习题138
参考文献138
第12章人工智能、机器学习、深度学习在电池充电中的应用140
12.1引言：面向电池工程师的人工智能技术入门与应用140
12.2基本概念辨析：AI、ML与DL140
12.3实践准备：编程语言与环境配置141
12.4机器学习141
12.4.1机器学习示例之一：代数回归问题142
12.4.2机器学习示例之二：分类问题145
12.4.3机器学习模型概览145
12.5深度学习146
12.5.1深度学习基础：神经网络146
12.5.2深度学习的发展与应用147
12.6机器学习和深度学习的标准化开发流程147
12.7应用案例：基于情境的自适应充电149
12.7.1引言与问题背景149
12.7.2算法流程与仿真研究设计150
12.7.3仿真结果与分析151
12.8常见问题解答152
12.9本章小结152
12.10习题153
参考文献154

没有电池，便没有今日之便捷生活。如今，电池作为储能系统的核心载体，已广泛应用于消费电子、动力交通以及固定式储能等各个领域。未来，甚至连飞机亦有可能实现电动化。若无电池，我们的生活将举步维艰。


随着电池市场的不断扩展，全球对电池工程领域相关人才的需求也日益增长。要在这一行业立足，需具备电化学、材料科学、物理化学、机器学习等多方面的广博知识。尽管已有不少书籍与大学课程专注于其中某一领域，却鲜有著作能将
各个学科中必要的基础理论与公式方法汇于一册，并结合实际应用，系统阐述如
何解决现实中形形色色的电池问题。例如：若需制造容量为1A·h的电池，应如何计算所需正负极材料的质量?当工业设计师为新型笔记本电脑确定电池尺寸时，如何评估电池的容量?如何预测电池寿命，并借助机器学习算法加以延长?若在电动汽车车顶安装太阳能电池板，又能增加多少续驶里程?当研究锂离子电池之后的新型电池时，不同化学体系对应的电池电压与寿命如何预测?若被要求用超级电容器替代锂离子电池，二者各有哪些优缺点?诸如此类的问题，不胜枚举。

本书为读者掌握电池设计及其相关需求提供了一条清晰的路径，可以帮助读者建立起对电池应用场景与技术参数的基本认知，为电池系统的设计与部署提供指导。本书兼具基础理论与实际操作指南，既适合高校学生使用，也适合希望拓展知识的电池行业从业者阅读。


在此，我谨向英特尔公司，特别是马歇尔·史密斯(Marshall Smith)先生表示诚挚的感谢，感谢他在本书出版过程中给予的支持。同时，也感谢对我职业生涯产生重要影响的同事和导师：Andy Keates、Ramon Cancel、Ron Woodbeck、Morgan Hartnell、Vivek Ramani、Brian Fritz、Tod F.Schiff 和Chris Capener。

最后，我要感谢我的妻子Akiko Matsumura和女儿Otoha Matsumura，感谢她们理解本书出版的重要性并给予我的大力支持。


松村直树(Naoki Matsumura)