2025年大學(xué)《分子科學(xué)與工程》專(zhuān)業(yè)題庫(kù)——鋰離子電池中的分子改性技術(shù)考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（請(qǐng)將正確選項(xiàng)的代表字母填在題后括號(hào)內(nèi)，每小題2分，共20分）1.在鋰離子電池正極材料LiFePO?表面進(jìn)行碳包覆改性，其主要目的是（）。A.提高材料的電子電導(dǎo)率B.提高材料的離子電導(dǎo)率C.增強(qiáng)材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，防止循環(huán)過(guò)程中粉化D.降低材料的成本2.鋰離子電池電解液中常用的成膜添加劑（SEI形成促進(jìn)劑）通常是（）。A.陰離子半徑較小的鹽類(lèi)B.分子量較大的長(zhǎng)鏈有機(jī)醇C.能與鋰離子形成穩(wěn)定絡(luò)合物的有機(jī)分子D.強(qiáng)極性的無(wú)機(jī)溶劑3.對(duì)于鋰金屬負(fù)極，采用摻雜元素（如Al3?）對(duì)石墨負(fù)極進(jìn)行表面改性，主要目的是（）。A.提高鋰離子在負(fù)極材料中的嵌入量B.增強(qiáng)石墨材料的導(dǎo)電性C.抑制鋰枝晶的生長(zhǎng)，提高安全性D.降低負(fù)極材料的成本4.下列哪種電解液添加劑的主要作用是調(diào)節(jié)電池的截止電壓？（）A.阻燃劑B.導(dǎo)電劑C.電壓調(diào)節(jié)劑（如LiN(SO?)?）D.成膜添加劑5.在鋰離子電池隔膜上涂覆陶瓷功能層，其主要優(yōu)勢(shì)在于（）。A.提高電池的倍率性能B.降低電池的內(nèi)阻C.顯著提高電池的熱穩(wěn)定性和安全性，防止內(nèi)部短路D.增加電池的容量6.添加到電解液中的鋰鹽，其陰陽(yáng)離子的選擇對(duì)電解液的（）有重要影響。A.離子電導(dǎo)率B.穩(wěn)定性C.與電極材料的相容性D.以上都是7.硅基材料被認(rèn)為是極具潛力的鋰離子電池負(fù)極材料，但其主要挑戰(zhàn)在于（）。A.理論容量較低B.循環(huán)穩(wěn)定性差，體積膨脹嚴(yán)重C.電導(dǎo)率太低D.成本過(guò)高8.分子改性技術(shù)應(yīng)用于鋰離子電池，其核心目標(biāo)之一是（）。A.完全替代傳統(tǒng)的材料體系B.在保持或提升電池性能的同時(shí)，降低成本C.增加電池的重量D.延長(zhǎng)電池的充電時(shí)間9.SEI（SolidElectrolyteInterphase）膜在鋰離子電池中扮演的角色主要是（）。A.作為隔膜隔離正負(fù)極B.提供鋰離子快速傳輸?shù)耐ǖ繡.保護(hù)鋰金屬負(fù)極，阻止鋰枝晶生長(zhǎng)，穩(wěn)定界面D.增加電池的電壓10.下列哪種改性策略屬于體相改性？（）A.在材料表面沉積一層涂層B.對(duì)材料進(jìn)行表面摻雜C.通過(guò)元素嵌入改變材料內(nèi)部的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)D.改變材料的顆粒尺寸二、簡(jiǎn)答題（請(qǐng)簡(jiǎn)要回答下列問(wèn)題，每小題5分，共25分）1.簡(jiǎn)述鋰離子電池正極材料表面包覆改性的基本原理及其至少兩個(gè)主要優(yōu)勢(shì)。2.解釋電解液中添加劑的作用機(jī)理，并舉例說(shuō)明兩種不同功能的添加劑及其作用。3.闡述鋰離子電池中SEI膜的形成過(guò)程及其對(duì)電池性能（特別是循環(huán)壽命和安全性）的影響。4.比較石墨負(fù)極材料與硅基負(fù)極材料在分子改性方面面臨的主要挑戰(zhàn)的異同。5.提出至少三種不同的分子設(shè)計(jì)策略，用于改善鋰離子電池電解液的離子電導(dǎo)率或安全性。三、論述題（請(qǐng)結(jié)合所學(xué)知識(shí)，深入分析下列問(wèn)題，每小題10分，共20分）1.論述在磷酸鐵鋰（LiFePO?）正極材料中采用元素?fù)诫s（如錳摻雜）或表面包覆（如碳包覆）改性時(shí)，其改性機(jī)理、預(yù)期效果以及對(duì)電池整體性能（如電壓平臺(tái)、容量、循環(huán)壽命、倍率性能）可能產(chǎn)生的影響。2.分析當(dāng)前鋰離子電池電解液分子改性技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)，并就如何突破這些挑戰(zhàn)提出你的見(jiàn)解和可能的解決方案。---試卷答案一、選擇題1.C2.B3.C4.C5.C6.D7.B8.B9.C10.C二、簡(jiǎn)答題1.原理：表面包覆是指在材料表面均勻沉積一層物理或化學(xué)性質(zhì)不同的薄層（如氧化物、碳層、聚合物等）。這層包覆層可以物理隔離內(nèi)部活性物質(zhì)與電解液的直接接觸，或改變界面處的化學(xué)反應(yīng)環(huán)境。優(yōu)勢(shì)：*提高材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性：包覆層能有效抑制材料在充放電過(guò)程中的粉化，提高循環(huán)壽命。*改善電化學(xué)性能：可以改善材料的電子導(dǎo)電性或離子導(dǎo)電性，降低界面電阻，促進(jìn)鋰離子傳輸。*提高安全性：抑制SEI膜的不穩(wěn)定生長(zhǎng)，減少副反應(yīng)，降低熱失控風(fēng)險(xiǎn)。*延長(zhǎng)循環(huán)壽命：防止活性物質(zhì)直接與電解液反應(yīng)或被腐蝕。2.作用機(jī)理：電解液添加劑通過(guò)在電極/電解液界面發(fā)生物理化學(xué)過(guò)程（如吸附、分解、絡(luò)合等），在負(fù)極表面形成一層穩(wěn)定的、離子選擇性的薄膜（即SEI膜），或直接參與電解液的電導(dǎo)率、離子遷移率、與電極相容性等的調(diào)控。舉例：*成膜添加劑（如雙（2,2,6,6-四甲基-4-哌啶基）乙二胺，TMSE）：在負(fù)極表面分解形成穩(wěn)定的SEI膜，保護(hù)鋰金屬沉積，允許鋰離子通過(guò)，抑制鋰枝晶生長(zhǎng)，提高電池安全性。*電壓調(diào)節(jié)添加劑（如LiN(SO?)?）：在特定電壓范圍內(nèi)分解，消耗過(guò)量的鋰離子，從而穩(wěn)定電池的最高工作電壓，防止高壓下的副反應(yīng)。3.形成過(guò)程：SEI膜是在鋰離子電池首次充電過(guò)程中，當(dāng)鋰離子從負(fù)極脫出，電位降低至一定程度時(shí)，電解液中的溶劑分子和鋰鹽陰離子（主要是F?,(CH?)?NSO??,(CH?)?N(SO?)??等）在負(fù)極表面發(fā)生分解，形成的一層固態(tài)電解質(zhì)界面膜。這層膜主要由鋰的有機(jī)氟化物、硫醚、亞砜等聚合物構(gòu)成。影響：*循環(huán)壽命：穩(wěn)定的SEI膜能有效阻止電解液持續(xù)分解和侵蝕活性物質(zhì)及集流體，保護(hù)負(fù)極，延長(zhǎng)循環(huán)壽命。不穩(wěn)定的SEI膜則會(huì)被不斷消耗，需要消耗鋰金屬來(lái)修復(fù)，縮短壽命。*安全性：良好的SEI膜具有離子選擇性，能有效阻擋金屬鋰枝晶的形成和生長(zhǎng)，防止枝晶刺穿隔膜導(dǎo)致正負(fù)極短路，從而提高電池的安全性。不良的SEI膜離子選擇性差或?qū)щ娦圆?，可能增加短路風(fēng)險(xiǎn)。4.相同點(diǎn)：兩者都面臨提高循環(huán)穩(wěn)定性的挑戰(zhàn)，因?yàn)槌浞烹娺^(guò)程中結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生改變（石墨發(fā)生嵌鋰脫鋰膨脹收縮，硅發(fā)生巨大體積變化）。不同點(diǎn)：*石墨負(fù)極改性：主要通過(guò)表面包覆（如碳包覆、合金化表面層）來(lái)抑制體積變化、改善導(dǎo)電性、穩(wěn)定SEI膜，挑戰(zhàn)在于包覆層的均勻性、與基體的結(jié)合力以及成本。*硅基負(fù)極改性：面臨更大的挑戰(zhàn)，包括極高的體積膨脹（可達(dá)300-400%）、巨大的比表面積導(dǎo)致嚴(yán)重的SEI膜持續(xù)生長(zhǎng)和電解液消耗、電子/離子電導(dǎo)率相對(duì)較低。改性策略更為復(fù)雜，包括形成納米結(jié)構(gòu)（納米線、納米管、核殼結(jié)構(gòu)）、表面包覆、體相摻雜、離子嵌入改性等，旨在緩解體積膨脹、提高導(dǎo)電性和循環(huán)穩(wěn)定性。5.分子設(shè)計(jì)策略：*設(shè)計(jì)高電導(dǎo)率溶劑分子：開(kāi)發(fā)具有更高離子遷移率、更低粘度的溶劑，或分子內(nèi)引入給電子/吸電子基團(tuán)以增強(qiáng)溶劑化能力，從而提高離子電導(dǎo)率。*設(shè)計(jì)長(zhǎng)壽命、低阻抗的SEI膜前體添加劑：策劃分子結(jié)構(gòu)，使其分解后能形成更穩(wěn)定、更致密、離子透過(guò)性更好且阻抗更低的SEI膜，減少對(duì)鋰資源的消耗，提高循環(huán)壽命和倍率性能。*引入多功能添加劑：設(shè)計(jì)同時(shí)具備多種功能的添加劑分子，例如既是良好的成膜劑又能作為電壓調(diào)節(jié)劑或阻燃劑，提高電解液的綜合性能。*調(diào)控電解液離子種類(lèi)：通過(guò)選擇合適的鋰鹽陰陽(yáng)離子，或引入多價(jià)離子，優(yōu)化離子在電解液中的遷移行為和與電極的相互作用。三、論述題1.LiFePO?正極改性分析：*元素?fù)诫s（如Mn摻雜）：*機(jī)理：Mn3?替代Fe3?進(jìn)入PO???四面體骨架或占據(jù)晶格間隙，可能改變晶體場(chǎng)、電子結(jié)構(gòu)、層間距離和對(duì)稱(chēng)性。Mn摻雜可能形成亞穩(wěn)的橄欖石相或抑制P?O?的形成，影響SEI膜性質(zhì)。也可能通過(guò)改變電子結(jié)構(gòu)促進(jìn)電子傳輸。*效果：*電壓平臺(tái)：Mn摻雜可能輕微影響或穩(wěn)定電壓平臺(tái)。*容量：通常對(duì)理論容量影響不大，但可能通過(guò)抑制副反應(yīng)或改善電子導(dǎo)電性間接提升實(shí)際可用容量。*循環(huán)壽命：通常顯著提高循環(huán)壽命，原因在于抑制了Fe的溶解/再沉積，穩(wěn)定了晶格結(jié)構(gòu)，減少了P?O?的形成和電池鈍化。*倍率性能：可能因引入缺陷或改變電子結(jié)構(gòu)而降低倍率性能，但有時(shí)通過(guò)改善電子導(dǎo)電性而得到提升。*表面包覆（如碳包覆）：*機(jī)理：在LiFePO?顆粒表面沉積一層碳層（如石墨烯、碳納米管、無(wú)定形碳）。碳層可以提高材料與電解液的接觸面積，改善電子導(dǎo)電性，為鋰離子提供更多傳輸通道，同時(shí)物理隔離活性物質(zhì)，抑制循環(huán)過(guò)程中的結(jié)構(gòu)粉化，穩(wěn)定SEI膜的形成。*效果：*電壓平臺(tái)：可能略微影響電壓平臺(tái)，但通常幅度不大。*容量：通過(guò)提高電子導(dǎo)電性和減少活性物質(zhì)損失，有助于提升首效和實(shí)際容量。*循環(huán)壽命：顯著提高循環(huán)壽命，主要原因是阻止了材料粉化，減少了活性物質(zhì)與電解液的直接接觸和副反應(yīng)。*倍率性能：顯著提高倍率性能，因?yàn)樘紝痈纳屏穗娮訉?dǎo)電性，使得鋰離子在更大電流密度下也能更快地嵌入/脫出。2.電解液分子改性挑戰(zhàn)與對(duì)策：*主要挑戰(zhàn)：*添加劑的協(xié)同效應(yīng)與優(yōu)化：如何精確調(diào)控多種添加劑的比例和種類(lèi)，實(shí)現(xiàn)性能的協(xié)同提升（如同時(shí)提高電導(dǎo)率、安全性和循環(huán)壽命），而避免相互干擾。*SEI膜的精確調(diào)控：如何設(shè)計(jì)添加劑分子，使形成的SEI膜具有理想的綜合性質(zhì)（穩(wěn)定、薄、致密、離子選擇性好、電子絕緣性好），這是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。*高電壓下的穩(wěn)定性：隨著電池電壓升高（如>4.2V），電解液組分更容易分解，對(duì)添加劑和溶劑的穩(wěn)定性要求更高，SEI膜的形成也更具挑戰(zhàn)性。*安全性問(wèn)題：尋找兼具高安全性（不易燃、低揮發(fā)性）和良好電化學(xué)性能的電解液體系。*成本與環(huán)境影響：許多高性能添加劑（如有機(jī)氟化物）成本較高，且可能存在環(huán)境友好性問(wèn)題。*規(guī)?；a(chǎn)與均勻性：將實(shí)驗(yàn)室有效的分子改性策略放大到工業(yè)化生產(chǎn)，并確保添加劑在電解液中的均勻分散。*對(duì)策與見(jiàn)解：*理論計(jì)算與模擬：利用計(jì)算化學(xué)和分子動(dòng)力學(xué)等方法，模擬電解液添加劑與電極、溶劑的相互作用，預(yù)測(cè)SEI膜的形成過(guò)程和性質(zhì)，指導(dǎo)分子設(shè)計(jì)。*高通量篩選與機(jī)器學(xué)習(xí)：建立快速篩選平臺(tái)（如微流控芯片）和利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法分析大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，加速高效添加劑的發(fā)現(xiàn)和優(yōu)化過(guò)程。*設(shè)計(jì)新型電解液體系：探索固態(tài)電解質(zhì)、水系