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绿色二次电池的材料表征和电极过程机理


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绿色二次电池的材料表征和电极过程机理
  • 书号:9787030472397
    作者:杨传铮等
  • 外文书名:
  • 丛书名:
  • 装帧:圆脊精装
    开本:B5
  • 页数:
    字数:560000
    语种:zh-Hans
  • 出版社:科学出版社
    出版时间:2015-12-01
  • 所属分类:
  • 定价: ¥159.00元
    售价: ¥127.20元
  • 图书介质:
    纸质书

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本书详细介绍中国科学院上海微系统与信息技术研究所新能源技术中心电池(化学电源)课题组利用X射线等实验方法研究氢镍和锂离子两类绿色电池活性材料晶体结构、精细结构和微结构及其在电池活化、充放电、循环寿命实验和储存等电极过程中的变化规律,并把这些变化与电池性能紧密联系起来,揭示这类化学电源体系中的化学物理现象,提出和阐明这类绿色电池充放电过程导电的脱嵌理论以及在其他各种电极过程(如循环、储存)中的物理机理。全书分六部分,共22章。第一部分(第1、2章),介绍主要实验方法和衍射数据处理的主要方法;第二部分(第3~8章)是活性材料的X射线表征;有关电池活化和充放电过程归入第三部分(第9~12章),描述了三类电池充放电过程的脱嵌理论和导电机理;第四部分(第13~17章)是三类电池循环寿命实验的电极过程机理;关于电池储存过程机理归入第五部分(第18~20章);第六部分(第21、22章)从实际应用和理论两个方面对全书进行总结。
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    作者简介
    前言
    第1章电池材料表征和电极过程机理研究常用实验方法1
    1.1电池的制备和性能测试1
    1.1.1电池的制备1
    1.1.2MH/Ni电池的性能测试2
    1.2X射线衍射分析的衍射仪法4
    1.2.1现代X射线粉末衍射仪的结构4
    1.2.2粉末衍射仪的工作模式6
    1.3X射线光电子能谱方法9
    1.3.1光电子谱的能量和强度9
    1.3.2X射线光电子能谱化学分析9
    1.3.3价态研究10
    1.3.4价态研究实例——Li(Ni0.6Co0.2Mn0.2)O2合成过程中阳离子的价态研究11
    1.4X射线发射谱及应用11
    1.4.1X射线发射谱11
    1.4.2X射线发射谱化学分析12
    1.5X射线吸收谱14
    1.5.1吸收限14
    1.5.2用X射线吸收谱的化学定性定量分析15
    1.5.3近限结构15
    1.5.4扩展X射线吸收精细结构和局域结构研究16
    参考文献16
    第2章电池材料表征和电极过程机理研究常用的X射线衍射分析方法18
    2.1物相定性分析18
    2.1.1物相定性分析的原理和方法18
    2.1.2Jade定性相分析系统的应用19
    2.2物相的定量分析22
    2.2.1物相定量分析的原理和强度公式22
    2.2.2定量相分析标样法及其比较23
    2.2.3定量相分析无标样法及其比较26
    2.3多晶样品点阵参数的精确测定28
    2.4宏观应力(应变)的测定29
    2.4.1平面应力状态29
    2.4.2平面应力的测定方法30
    2.5微结构引起的衍射线宽化效应31
    2.5.1微晶和微应力的宽化效应31
    2.5.2堆垛层错的宽化效应31
    2.6分离XRD线宽多重化宽化效应的最小二乘方法33
    2.6.1分离微晶和微应力宽化效应的最小二乘方法33
    2.6.2分离微晶-层错XRD线宽化效应的最小二乘方法34
    2.6.3分离微应力-层错二重宽化效应的最小二乘方法34
    2.6.4微晶-微应力-层错三重宽化效应的最小二乘方法35
    2.6.5系列计算程序的结构36
    参考文献38
    第3章MH-Ni电池用β-Ni(OH)2和AB5合金储氢的XRD表征39
    3.1表征和评价β-Ni(OH)2的原理和方法39
    3.1.1两种表征β-Ni(OH)2的X射线衍射分析方法39
    3.1.2表征β-Ni(OH)2微结构的新方法40
    3.1.3微晶形状的判断和平均晶粒度42
    3.2微结构参数与性能之间的关系43
    3.2.1几种β-Ni(OH)2样品的测试结果43
    3.2.2β-Ni(OH)2微结构参数与性能之间的关系45
    3.3电池活化和循环对β-Ni(OH)2微结构的影响47
    3.3.1电池活化对β-Ni(OH)2微结构的影响47
    3.3.2循环对β-Ni(OH)2微结构的影响48
    3.4β-Ni(OH)2的综合评价49
    3.4.1综合评价的必要性49
    3.4.2综合评价初始β-Ni(OH)2的内容49
    3.5MH/Ni电池用负极活性材料AB5储氢合金的表征方法50
    3.5.1相结构分析51
    3.5.2点阵参数精确测定方法51
    3.5.3半高宽的测量与晶粒大小和微应变最小二乘方法求解52
    3.6不同成分和不同方法制备AB5合金的表征53
    3.6.1不同成分AB5合金的结构和点阵参数53
    3.6.2不同方法制备合金的微结构55
    参考文献56
    第4章LiMeO2类合成过程中的固相反应和形成机理57
    4.1研究LiMeO2合成机理实验步骤57
    4.1.1LiMeO2形成机理研究的材料合成策略57
    4.1.2X射线衍射分析58
    4.2前驱体和前驱体的热分解产物的XRD分析58
    4.2.1前驱体的XRD分析58
    4.2.2前驱体的热分解产物的XRD分析59
    4.3前驱体+LiOH.H2O或Li2CO3在中温和高温段焙烧的产物61
    4.4前驱体+LiOH.H2O变温原位XRD研究63
    4.5Li(Ni,Co,Mn)O2合成过程中的固相反应65
    4.6LiMeO2合成过程中的结构演变和形成机理66
    参考文献68
    第5章LiMeO2材料中Ni/Li原子混合占位69
    5.1模拟分析的原理和方法69
    5.1.1模拟分析的原理69
    5.1.2模拟计算的方法72
    5.2相关材料的衍射强度比与混合占位关系的模拟计算结果74
    5.2.1材料Li(Ni0.6Co0.2Mn0.2)O2模拟计算结果74
    5.2.2LiNiO2的模拟计算结果76
    5.2.3其他四种材料的模拟计算结果76
    5.3由实验测定的衍射积分强度比求混合占位参数X79
    5.3.1实验测定结果79
    5.3.2合成过程中的中温段效应80
    5.3.3合成过程中的高温段效应81
    5.4缺Li模型和氧空位模型的模拟计算83
    5.4.1缺Li模型的模拟计算83
    5.4.2氧空位模型的模拟计算84
    5.5锂和镍原子混合占位的总结85
    参考文献86
    第6章Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2中Ni、Co和Mn在(3b)位有序-无序87
    6.1Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2中超结构研究现状87
    6.2Li(Ni,Co,Mn)O2中超结构的晶胞结构和衍射花样89
    6.2.1Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2无序-有序的晶胞结构89
    6.2.2波长均为1.5406的X射线和中子衍射花样的比较91
    6.2.3异常衍射花样的比较92
    6.2.4Ni、Co和Mn占(3b)不同位置的比较93
    6.3长程有序度对基体衍射线强度的影响95
    6.4Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2超点阵线条96
    6.4.1Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2超点阵线条是否出现96
    6.4.2有序度S对超点阵线条强度的影响99
    6.5Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2超结构研究小结和展望100
    参考文献100
    第7章LiFePO4的制备和X射线衍射表征101
    7.1LiFePO4和包碳纳米LiFePO4的制备方法101
    7.1.1LiFePO4的合成方法101
    7.1.2LiFePO4 材料改性方法104
    7.2LiFePO4材料的X射线表征104
    7.3纳米LiFePO4/C-复合材料的合成105
    7.3.1纳米LiFePO4/C 复合材料的结构设计105
    7.3.2纳米LiFePO4/C 复合材料的合成106
    7.4纳米LiFePO4/C复合材料合成过程的X射线研究107
    7.4.1热处理温度对纳米LiFePO4/C复合材料精细结构的影响107
    7.4.2碳包覆量对纳米LiFePO4/C复合材料结构的影响108
    7.4.3热处理时间对纳米LiFePO4/C 复合材料结构的影响109
    7.5纳米LiFePO4/C复合材料合成过程前驱体热处理反应分析110
    7.6LiFePO4和FePO4的相结构及粉末衍射数据112
    参考文献114
    第8章锂离子电池用碳电极材料的制备和X射线衍射分析116
    8.1锂离子电池用碳电极材料的制备116
    8.1.1碳材料分类及结构116
    8.1.2碳材料的结构缺陷118
    8.1.3以聚丙烯腈为前驱体制备碳纳米球的研究118
    8.2碳材料的相结构和常规XRD分析122
    8.2.1碳材料重要物相的结构数据122
    8.2.22H-石墨X射线衍射花样的特征123
    8.2.32H-石墨和3R-石墨的定量分析124
    8.2.4微晶尺寸的测定与计算126
    8.2.5配向性(取向比)的测定127
    8.2.6一组含2H和3R相粉末样品综合测定结果132
    8.3石墨化度和堆垛无序度133
    8.3.1(10)和(11)衍射线的Fourier分析135
    8.3.2全谱拟合法135
    8.3.3堆垛无序度P002与d002之间的关系136
    8.4石墨化度和无序度的实验测定138
    8.4.1不同实验条件对全谱拟合求得无序度P的影响138
    8.4.2不同求解d002对测定g的影响139
    8.4.3d002法和θ002法与全谱拟合的比较140
    8.5测定六方石墨堆垛无序度的X射线衍射新方法142
    8.5.1作者改进的Langford方法142
    8.5.2能分别求解PAB和PABC的最小二乘法143
    8.5.32H-石墨堆垛无序度的实验测定144
    8.6测定六方石墨的石墨化度和堆垛无序度方法的讨论147
    8.7几种化学电源工业用碳材料的X射线分析148
    8.7.1超级电容用的负极材料——活性炭148
    8.7.2超导炭黑149
    8.7.3乙炔炭黑149
    8.7.4硬碳149
    8.7.5碳纳米管149
    8.7.6关于面心立方碳的结构研究151
    参考文献153
    第9章锂离子电池石墨表面固体-电解质界面膜155
    9.1石墨表面SEI膜的概述155
    9.2石墨表面SEI膜的形成机理156
    9.3石墨表面SEI膜的化学组成159
    9.4石墨表面SEI膜形成过程的理论研究160
    9.4.1还原机理和化学组成161
    9.4.2电解液还原物在石墨表面附近的沉淀机理和组织结构162
    9.5石墨表面SEI膜的化学修饰164
    9.6石墨表面SEI膜的组织结构165
    9.7石墨表面SEI膜的储存稳定性和演变机理166
    9.7.1石墨表面SEI膜的储存稳定性166
    9.7.2固体电解质界面膜的储存演化机理167
    参考文献169
    第10章氢镍电池充放电过程的脱嵌理论和导电机理172
    10.1引言172
    10.2MH/Ni电池活化前后β-Ni(OH)2微结构的对比研究173
    10.3充电过程镍电极β-Ni(OH)2的原位XRD研究174
    10.4MH/Ni电池第一次充放电过程正极活性材料的准动态研究175
    10.4.1物相鉴定175
    10.4.2β-Ni(OH)2的点阵参数和宏观应变176
    10.4.3在充放电过程中β-Ni(OH)2微结构的变化177
    10.4.4正极活性材料中Ni原子价态的光电子能谱分析178
    10.5在充放电过程中负极活性材料AB5的准动态研究179
    10.6电极活性材料在充放电过程中脱嵌理论181
    10.6.1充放电过程中β-Ni(OH)2的脱嵌行为181
    10.6.2充放电过程中AB5合金的脱嵌行为183
    10.7MH/Ni电池充放电过程的导电机理184
    参考文献186
    第11章石墨/LiCoO2和石墨/Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2电池充放电过程机理187
    11.1充放电过程负极活性材料的结构演变188
    11.1.1石墨/LiCoO2电池充放电过程中石墨宏观应变的变化189
    11.1.2石墨/LiCoO2电池中石墨微应变和堆垛无序的变化190
    11.2石墨/LiCoO2电池正极活性材料的结构演变和微结构研究191
    11.2.1正极活性材料的相分析191
    11.2.2LiCoO2在电池充放电过程中宏观应变和微观应变的变化194
    11.3石墨/Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2电池充放电过程正极活性材料结构演变195
    11.3.1点阵参数的变化196
    11.3.2微应变的变化197
    11.3.3相对衍射强度的变化197
    11.4石墨/LiCoO2电池储存前后充放电过程198
    11.4.1石墨/LiCoO2电池储存前后充放电过程负极活性材料对比分析198
    11.4.2石墨/LiCoO2电池储存前后充放电过程正极活性材料对比分析200
    11.5电极活性材料在充放电过程中的行为203
    11.5.1石墨在充放电过程中的行为203
    11.5.2Li(NixCoyMn1-x-y)O2在充放电过程中的行为203
    11.6电极活性材料脱嵌锂的物理机理和导电的物理机理205
    11.6.1锂原子在石墨中脱嵌机理206
    11.6.2锂原子在Li(NixCoyMn1-x-y)O2中脱嵌机理206
    11.6.3锂离子电池导电的物理机理207
    11.7结论207
    参考文献208
    第12章石墨/LiFePO4电池充放电过程的相变特征和导电机理210
    12.1引言210
    12.2经活化石墨/LiFePO4电池充放电的实验研究211
    12.2.1经活化电池的充放电过程正极活性材料结构演变211
    12.2.2经活化电池的充放电过程负极活性材料结构演变214
    12.3未经活化电池的充电过程的研究结果215
    12.4石墨/LiFePO4电池在充放电过程中的非对称性216
    12.4.1充放电过程中的非对称现象216
    12.4.2充放电过程中的非对称现象的解释219
    12.52H-石墨/LiFePO4电池中锂的脱嵌机理222
    12.5.1正极活性材料LiFePO4在充放电过程中的相变特征和脱嵌机理222
    12.5.2负极活性材料在充放电过程中的行为224
    12.62H-石墨/LiFePO4电池的导电机理225
    参考文献226
    第13章氢镍电池循环过程机理和循环性能衰减机理228
    13.120℃和60℃下MH/Ni电池的循环性能228
    13.220℃和60℃循环过程中正极材料β-Ni(OH)2的微结构229
    13.3不同正极活性物质的质子扩散系数231
    13.4室温和60℃循环试样负极材料AB5合金的微结构研究233
    13.5不同充放电倍率下的循环性能和微结构235
    13.6正负极活性材料在电池循环过程中的物理行为237
    13.7循环性能衰减机理237
    13.7.1循环性能与结构参数间的关系237
    13.7.2循环性能的衰减机理238
    参考文献239
    第14章MH/Ni电池中β-Ni(OH)2添加剂效应和作用机理241
    14.1添加CoO的效应241
    14.1.1添加CoO对电池性能的影响241
    14.1.2添加CoO对电池正负极活性材料微结构参数的影响242
    14.2不同类型添加剂的效应243
    14.2.1不同类型添加剂对电池性能的影响243
    14.2.2不同添加剂对正极活性材料微结构的影响244
    14.2.3不同添加剂对负极活性材料结构和微结构的影响245
    14.3不同含Ca添加剂的效应246
    14.4β-Ni(OH)2添加剂作用的物理机理249
    14.4.1电极活性材料在电池循环过程中的行为249
    14.4.2关于β-Ni(OH)2添加剂作用机理250
    14.5结论251
    参考文献252
    第15章石墨/Li(Ni,Co,Mn)O2电池循环过程机理253
    15.1包覆与未包覆Al2O3正极材料的表面形貌及电池的循环性能253
    15.1.1包覆Al2O3前后正极活性材料的表面形貌253
    15.1.2电池循环曲线254
    15.1.3电池循环过程中容量及放电平台的变化255
    15.1.4电池循环过程中阻抗的变化256
    15.2正极活性材料的精细结构和表面结构在循环过程中的变化256
    15.2.1正极活性材料的点阵参数257
    15.2.2正极活性材料的微晶大小和微观应变258
    15.2.3电池循环后正极表面形貌和成分259
    15.3负极活性材料的精细结构和成分261
    15.3.1负极活性材料的精细结构261
    15.3.2负极表面和体内相关成分分析263
    15.4隔膜精细结构随循环周期的变化265
    15.4.1聚丙烯隔膜的点阵参数266
    15.4.2聚丙烯中的微结构267
    15.4.3隔膜的表面形貌267
    15.5循环性能衰减的机理和包覆作用机理269
    15.5.1循环性能衰减与正负极及隔膜结构变化间的关系269
    15.5.2循环性能衰减的机理270
    15.6结论271
    参考文献271
    第16章石墨/Li(Ni0.4Co0.2Mn0.4)O2+LiMn2O4电池循环过程机理273
    16.1石墨/Li(Ni0.4Co0.2Mn0.4)O2+LiMn2O4电池循环过程性能273
    16.1.1电池的制备和电池的充放电及循环工艺273
    16.1.2循环性能的测试结果274
    16.2石墨/Li(Ni0.4Co0.2Mn0.4)O2+LiMn2O4电池循环过程正极活性材料的精细结构274
    16.2.1两相点阵参数的变化275
    16.2.2两相的微结构和相对量的变化276
    16.2.3正极活性材料的循环温度效应和倍率效应277
    16.3负极活性材料的精细结构277
    16.3.1点阵参数的变化278
    16.3.2负极活性材料的微结构和堆垛无序278
    16.3.3负极循环的温度效应和倍率效应279
    16.4循环性能衰减的机理和LiMn2O4的作用280
    16.4.1循环性能衰减与正极、负极活性材料精细结构之间的关系280
    16.4.2循环性能衰减机理的讨论280
    16.4.3LiMn2O4在混合正极活性材料中的作用280
    参考文献281
    第17章石墨/LiFePO4电池循环过程的机理282
    17.1循环性能的变化规律282
    17.2正极活性材料的精细结构在循环过程中的变化283
    17.2.1两相相对含量随循环周期的变化284
    17.2.2LiFePO4的点阵参数随循环周期的变化285
    17.2.3LiFePO4中微结构参数随循环周期的变化285
    17.3负极活性材料的精细结构在循环过程中的变化286
    17.4隔膜材料的精细结构的变化288
    17.4.1聚丙烯的点阵参数随循环周期的变化289
    17.4.2聚丙烯的微结构参数随循环周期的变化289
    17.5循环性能变化规律和机理290
    17.5.1循环性能变化规律与正极、负极及隔膜材料精细结构的关系290
    17.5.2循环性能变化规律的机理290
    参考文献291
    第18章MH-Ni电池储存过程活性材料化学物理和性能衰减机理292
    18.1储存工艺和容量衰减率的计算292
    18.1.1电池制作、活化和储存工艺292
    18.1.2容量衰减率的计算293
    18.2MH-Ni电池在放电态和充电态下的储存性能293
    18.3储存前后正极活性材料结构的XRD对比分析295
    18.3.1正极活性材料β-Ni(OH)2结构295
    18.3.2放电态储存前后正极材料在醋酸中不溶物的相结构分析296
    18.4储存前后负极材料AB5储氢合金的XRD对比分析297
    18.5电池储存期间正负极活性材料化学物理行为298
    18.5.1储存过程中正负极材料相结构的变化298
    18.5.2电池储存前后正负极材料微结构变化299
    18.5.3电池储存性能与电极材料结构和微结构之间的关系299
    18.6电池储存期间性能衰减机理299
    参考文献301
    第19章2H-石墨/LiCoO2和2H-石墨/Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2电池储存过程机理302
    19.12H-石墨/LiCoO2电池储存前后的宏观观察302
    19.2储存前后电池性能的变化302
    19.2.1储存前后电池的0.2C容量变化302
    19.2.2储存后电池功率性能的变化304
    19.2.3储存后电池的循环性能变化307
    19.2.4耐过充性和热稳定性308
    19.3储存前后电池正负极活性材料精细结构的变化311
    19.3.1储存前后负极活性材料微结构的变化311
    19.3.2储存前后正极活性材料LiCoO2微结构的变化313
    19.3.3储存前后正极活性材料Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2微结构的变化314
    19.4储存前后正负极活性材料表面形貌的变化316
    19.4.1石墨/LiCoO2电池储存前后正负极活性材料表面形貌316
    19.4.2石墨/Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2电池储存前后正负极活性材料表面形貌和成分318
    19.5隔膜形貌的观察320
    19.5.1石墨/LiCoO2电池的隔膜320
    19.5.2石墨/Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2电池的隔膜321
    19.6两种电池的比较和影响锂离子电池储存性能的机理分析322
    19.6.1电池的储存性能衰减的温度和荷电效应322
    19.6.2石墨/LiCoO2和石墨/Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2两种电池的比较325
    19.6.3储存性能与电池材料精细结构的对应关系326
    19.6.4电池储存性能衰减机理讨论327
    参考文献329
    第20章2H-石墨/LiFePO4电池储存性能衰减机理331
    20.1储存后2H-石墨/LiFePO4电池的性能变化331
    20.1.1储存后2H-石墨/LiFePO4电池的容量和充放电性能变化331
    20.1.2储存后2H-石墨/LiFePO4电池安全性的变化333
    20.2储存后2H-石墨/LiFePO4电池的电极特性变化335
    20.2.1储存后2H-石墨/LiFePO4电池的正负极的容量变化335
    20.2.2储存后2H-石墨/LiFePO4电池的正负极的动力学性能变化337
    20.2.3储存后2H-石墨/LiFePO4电池的正负极表面形貌的变化340
    20.3储存前后电池充放电过程正极活性材料精细结构的变化342
    20.3.1储存前充放电过程LiFePO4的结构变化343
    20.3.2储存后充放电过程LiFePO4的结构变化343
    20.4电池性能衰减机理分析346
    20.4.1电池性能变化与电池活性材料精细结构变化间的关系346
    20.4.2电池储存性能变化机理讨论348
    参考文献350
    第21章提高绿色二次电池性能的方法和作用机理351
    21.1提高绿色二次电池性能的途径351
    21.2硬碳作为负极活性材料的应用352
    21.3正极Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2的添加剂的作用354
    21.3.1Al(OH)3添加剂354
    21.3.2Al(OH)3加入量对电池性能的影响355
    21.3.3不同添加剂对电池性能的影响359
    21.3.4关于添加剂研究小结361
    21.4锂离子电池正极活性材料包覆概述362
    21.4.1锂离子电池正极活性材料包覆362
    21.4.2正极材料表面包覆改性机理研究367
    21.5包覆Al2O3前后2H-石墨/Li(Ni,Co,Mn)O2电池储存性能的比较368
    21.6包覆Al2O3前后石墨/Li(Ni,Co,Mn)O2电池过充性能和热稳定性370
    21.7石墨/Al2O3包覆Li(Ni0.4Co0.2Mn0.4)O2电池研究结论372
    参考文献373
    第22章绿色二次电池离子导电的脱嵌理论和脱嵌应力377
    22.1绿色二次电池离子脱嵌行为377
    22.1.1β-Ni(OH)2的脱嵌行为378
    22.1.2AB5储氢合金的脱嵌行为378
    22.1.3LiMeO2的脱嵌行为379
    22.1.4LiFePO4的脱嵌行为379
    22.1.52H-石墨的脱嵌行为380
    22.2绿色二次电池离子导电机理381
    22.3电极过程脱嵌应力的来源381
    22.3.1概述382
    22.3.2负极材料石墨的脱嵌应力384
    22.3.3正极活性材料LiCoO2的脱嵌应力385
    22.3.4正极活性材料LiFePO4的脱嵌应力387
    22.3.5由表面反应预期的应力387
    22.4电极材料中应力发展的影响390
    22.4.1应力对电极机械完整性的影响390
    22.4.2应力对电化学现象的热动力学的影响391
    参考文献393
    附录三位教授级专家的推荐意见394
    索引396
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