镁（Mg）在地壳中的储量丰富且理论体积容量高，这使得其在储能领域备受关注，特别是在固态电池中，它极具发展潜力，可作为锂（Li）的替代品。然而，镁离子在固态电解质（SSE）中传导缓慢，这是阻碍镁离子固态电池发展的关键挑战之一。近年来，各种传导镁离子的SSE被广泛报道，但很难从单一的文献报告中得出关键的信息。此外，进一步阐明镁离子SSE的结构与性能关系是有必要的，这将为SSE提供更精确的设计指南。在这篇文章中，我们基于数据挖掘分析了过去四十年报道的具有高离子电导率的镁基SSE的结构特征，总结了三个优化镁离子固态电解质的策略。基于实验和理论计算技术的发展，讨论了现阶段开发镁固态电解质的机遇和挑战，论述了实验、理论计算和机器学习在开发新型高性能镁离子SSE过程中的协作过程。我们为优化和开发下一代镁离子固态电解质提供了大数据见解。

本文基于电化学-热-力（ETM）耦合模型，对快速充电下锂离子电池（LIB）的老化特性进行了数值研究。首先，通过COMSOL Multiphysics建立并求解了ETM耦合模型。随后，对电池进行了长循环测试，以探索LIB的老化特性。具体而言，从SEI的非均匀分布、SEI生长、热稳定性和应力特性等方面分析了充放电倍率和循环次数的增加对电池老化的影响。结果表明，充放电倍率和循环的增加导致SEI不均匀程度的增加，以及因SEI生成所造成的电池容量损失也随之增加。同时充放电倍率和循环数的增加也分别导致电池的发热量增加和散热率降低，从而使得电极材料热稳定性下降。此外，随着循环的进行，正极材料的von Mises应力高于负极材料，正极材料表现为拉伸变形，负极材料表现为压缩变形，正极的有效锂离子浓度低于负极的有效锂离子浓度，证明了电池正极材料在长循环下所发生的拉伸型断裂主导了容量损失过程。上述研究有助于研究人员进一步探索锂离子电池在快速充电条件下的老化行为，并采取相应的预防措施。

使用陶瓷电解质的全固态锂离子电池（LIBs）被认为是理想的可充电电池形式，因为它们具有高能量密度和安全性。然而，在追求全固态LIBs的过程中，锂资源层面的问题往往被选择性的忽视了。最具实用化潜力的富锂陶瓷电解质会使得全固态LIBs的锂消耗量是常规LIBs的数倍至数十倍。考虑到以当前的锂资源条件很难支撑全固态锂离子电池的可持续发展，另一种同样能够提供高能量密度和安全性双重优势的系统——全固态钠离子电池（SIBs），相比于锂离子电池具有更显著的可持续性优势，并有可能成为下一代高能量密度电池发展竞赛中的有力竞争者。然而，目前关于全固态钠离子电池的研究依然处于十分初步的阶段，本文简要介绍了全固态SIBs的研究现状，并通过对聚合物类材料，钠超离子导体（NASICON）类材料等固态钠离子导体的总结讨论，解释了全固态SIBs的可行性与潜在优势的来源。此外，本文还简要讨论了通过人工智能辅助开发固态钠离子导体的可行性，旨在激发研究人员的兴趣并吸引更多人关注到全固态SIBs这一领域中。

介孔碳载体可通过纳米孔限域Pt沉积缓解磺酸根中毒问题，但其形态特征对氧传输的影响机制尚不明确。本研究结合碳载体形态模拟与改进的催化层团聚体模型，构建了阐明催化层孔结构演化、Pt利用率及氧传输过程的数学模型。结果表明，局部传质阻力主要由三个因素主导：（1）决定氧通量的活性位点密度；（2）决定最短传输路径的离聚物膜厚度；（3）影响实际路径长度的离聚物-Pt表面积比。在低离聚物/碳比例（I/C比）条件下，活性位点不足导致局域传输阻力显著增加（因素1主导）；而高I/C比虽提升离聚物覆盖率，但膜厚增大会削弱传质（因素2-3主导）。大尺寸碳颗粒因降低外比表面积并增加离聚物厚度，导致局域传质阻力净升高。随着纳米孔内Pt占比或Pt质量分数增加，孔内Pt密度升高加剧孔道堵塞，导致活性位点减少并增加离聚物厚度及表面积，进一步增大传质阻力。同样地，Pt载量降低导致活性位点减少，氧传输阻力线性增加。本研究强调需协同优化载体形态、Pt分布及离聚物含量，在平衡催化活性与传质效率的同时抑制孔道堵塞，研究结果可以为高性能介孔碳催化剂设计提供系统化理论指导。

锂离子电池作为动力电池应用中的热安全问题始终是行业关注的重点。全面了解电池内部副反应对电池温升的影响规律，对准确分析热失控过程和预测锂离子电池的热安全性至关重要。虽然在之前的研究中，已有多种副反应已被确定为热源，如固体电解质界面膜分解、负极与电解液反应、正极与电解液反应以及电解液分解反应，但这些反应的量化仍然不够标准化。尤其是高温下粘合剂分解（最常见的是聚偏二氟乙烯）产生的热量对锂离子电池热失控过程的影响知之甚少。因此，本文针对18650型锂离子电池构建了一个电热耦合数值模型，系统分析了高温条件下这五种主要副反应导致热失控的协同作用，特别聚焦于精确量化热失控过程中粘合剂反应热的贡献。结果表明，一旦环境温度超过引发链式放热副反应所需的阈值，模型中包含或排除粘合剂反应不会影响锂离子电池热失控的评估结果。然而，在该条件下，粘合剂反应对总热量释放的热量贡献显著增加，因此成为热失控传播过程中温度升高的主要热源之一。相反，如果环境温度未达到阈值，则粘合剂分解的热量贡献可以忽略不计。此外，改进的电热耦合模型可作为一种有效的模拟工具，用于设计具有增强安全保证的电池系统，选择合适的粘合剂材料以减轻热失控的不利影响，并优化电池开发过程中的热管理，可大大缩短了研发周期。本文的研究结果为不同精度要求的电热模型建立了热源选择标准，同时为锂离子电池设计中的模型简化和高保真度优化提供了理论基础。

熵是金属/溶液界面双电层的基本热力学性质之一，但其定义、测量方法和理论处理在现有文献中较为分散，且在某些情况下仍存在歧义。本文重新审视了双电层的热力学理论，明确区分并比较了两类熵：过剩熵和形成熵。针对形成熵，在最基本的双电层模型-Gouy-Chapman（GC）模型框架下，验证了两种等价的计算途径。在澄清相关概念和计算方法之后，本文采用改进的Gouy-Chapman-Stern（GCS）模型研究了界面水对双电层形成熵的影响。该模型显式引入了氧端朝向与氢端朝向水分子之间的化学势差，记为δμ。模型计算得到的微分电容和熵与Au(111)电极在水溶液中形成的双电层实验数据进行了对比。结果表明，当未带电表面上水分子更倾向于氧端朝向构型时，最大熵对应的表面荷电（CME）为负值；此外，当δμ随电位变化时，形成熵在CME附近呈现出明显的非对称性。然而，该模型无法同时再现来自两项独立实验研究的电容和熵测量结果，表明模型仍存在不足，或实验数据中可能存在误差。尽管如此，本工作强调了在研究双电层时同步测量电容和熵的重要性。

碱性水电解制氢是现今最为成熟的水电解制氢技术。电解槽由多个电解小室组成，单个电解小室由隔膜、电极、双极板和端板等组成。现有工业的双极板流道结构为凹凸结构，通过模具冲压成型制备，制备成本高且困难。凹凸结构电解小室存在电解液流动不均匀和电流密度低的问题，进而增加了碱性水电解制氢的能耗和成本。因而，本文首先根据现有工业的凹凸双极板流道结构搭建电化学和流动模型，分析电解小室电流密度、电解液流动和气泡分布情况。模型可靠性已通过与文献实验数据对照验证。其中，电化学电流密度决定了气体产率，气体在电解液中流动反过来影响电化学反应活性比表面积和欧姆电阻。结果表明，凹凸结构电解小室凹球底部流动速度几近为零，凸球表面电解液流速较大，流道结构中存在旋涡，电解液分布不均。接着，建模优化碱性水电解槽的流道结构，比较了凹凸结构、网状、菱形和膨胀网结构电解小室电化学和流动性能。结果表明，膨胀网结构电解小室电流密度最大，为3330 A/m²，电解液流速最大，为0.507 m/s。相同电流密度下，过电位最小，能耗最低。本文对碱性水电解槽流道结构的全面理解和优化提供一定的指导意义，为大规模电解槽设计提供理论基础。

为了深入研究波纹管在海洋大气环境下的腐蚀过程以及准确预测其使用寿命，在考虑局部电化学反应、氧气浓度及溶液中均相反应的基础上，本文采用有限元法模拟研究了波纹管波峰和波谷在不同电解质液膜厚度下的点腐蚀速度和腐蚀坑形态，同时，为了提高计算精度，本文使用插值函数的形式直接导入拟合后的极化曲线数据作为电极表面的非线性边界条件。研究结果表明，波峰比波谷的腐蚀速度更快；随着电解质液膜厚度的增加（从10 μm增加到500 μm），波峰和波谷的腐蚀速度均逐渐减慢，波峰处在模拟时长为120 h后的最大腐蚀速度从0.720 mm/a减小至0.130 mm/a，波谷处从0.520 mm/a减小至0.120 mm/a，两处的腐蚀速度差异逐渐减小；随着腐蚀的进行，腐蚀坑逐渐向着基体内部扩展，除了纵向扩展外，其还沿着钝化膜界面横向扩展，直至穿透整个基体。本研究为不锈钢波纹管在海洋环境下的防腐工作提供了参考。

聚苝酰亚胺被认为是光催化析氧的优异候选材料，但其光催化析氧反应活性的来源仍需要进一步的探索。本文基于X射线衍射谱解析了自组装合成聚苝酰亚胺的晶体和原子结构，并利用第一原理密度泛函理论计算阐明其电子结构，证实聚苝酰亚胺具有适合光催化析氧反应的能带结构和优异的电子激发效率。晶体轨道哈密顿布居分析证实，共轭结构中尿素和苝环之间的羰基氧原子是光催化析氧的反应活性位点。反应自由能变化计算表明，聚苝酰亚胺表面的光催化析氧反应遵循H₂O → *OH → *O → *OOH → *O₂的反应路径，过电位为0.81 V。通过对原子结构和电子结构的理论研究，本文阐明了聚苝酰亚胺光催化析氧反应的活性起源，为高效光催化析氧聚合物光催化剂的设计和改性提供理论指导。