2025年大學《應用化學》專業(yè)題庫——應用化學在能源儲存中的創(chuàng)新研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項的字母填在括號內(nèi)）1.下列哪種儲能方式主要依賴電化學反應實現(xiàn)能量的存儲和釋放？A.壓縮空氣儲能B.飛輪儲能C.鋰離子電池D.太陽能光熱儲能2.在鋰離子電池中，能夠傳導鋰離子但幾乎不傳導電子的組分是？A.正極材料B.負極材料C.隔膜D.電解質3.導致鋰離子電池循環(huán)壽命降低的主要因素之一是？A.自放電率過高B.電池內(nèi)阻無限增大C.正負極材料發(fā)生不可逆結構變化D.電解液粘度急劇下降4.相比于傳統(tǒng)的液態(tài)電解質，固態(tài)電解質在鋰離子電池中可能帶來的主要優(yōu)勢是？A.充電倍率更高B.能量密度更大C.安全性更好，不易燃漏D.成本更低廉5.能夠同時提供高比電容和較高能量密度的儲能器件通常被稱為？A.鉛酸電池B.鈉離子電池C.超級電容器D.燃料電池6.在電化學阻抗譜（EIS）分析中，半圓弧通常對應的是？A.Warburg阻抗B.電極/電解質界面電荷轉移阻抗C.電解液擴散阻抗D.隔膜電阻7.下列哪種材料不適合用作鋰離子電池的負極材料？A.碳材料（如石墨）B.磷酸鐵鋰（LiFePO4）C.?錫基合金D.鋰金屬8.增加鋰離子電池能量密度的主要途徑之一是？A.降低電池工作電壓B.提高電極材料的理論容量C.使用更厚的電極片D.降低電解液的離子電導率9.催化水制氫過程中，貴金屬催化劑（如鉑、鈀）的主要作用是？A.儲存氫氣B.傳導電子C.降低水的分解電壓，提高反應速率D.提高氫氣的純度10.某種新型儲能材料被報道具有優(yōu)異的倍率性能，這通常意味著？A.該材料可以在很寬的電壓范圍內(nèi)工作B.該材料在充放電電流密度變化時，容量衰減較小C.該材料的循環(huán)壽命非常長D.該材料制造成本極低二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上）1.鋰離子電池放電過程中，鋰離子從正極通過_________遷移到負極。2.影響電化學儲能器件功率密度的關鍵因素之一是器件的_________。3.為了抑制鋰離子電池中的鋰枝晶生長，可以采用_________隔膜或設計固態(tài)電解質體系。4.儲氫材料按儲氫方式不同，可以分為_________儲氫、低溫液氫儲氫和化學鍵合儲氫等類型。5.電化學阻抗譜是一種通過測量交流阻抗隨_________變化的曲線，以研究電池內(nèi)部電化學過程的技術。6.在設計高能量密度鋰硫電池時，解決多硫化物穿梭效應的一個研究方向是開發(fā)具有_________結構的正極材料。7.氫燃料電池的工作過程涉及質子交換膜、陽極、陰極和_________等關鍵部件。8.提高鋰離子電池正極材料LiCoO2能量密度的常用方法是采用_________摻雜或表面包覆策略。9.“電化學窗口”是指電解質在特定溶劑中能夠穩(wěn)定存在的_________范圍。10.固態(tài)電池相比液態(tài)電池，其主要的潛在優(yōu)勢在于更高的安全性和可能實現(xiàn)的_________能量密度。三、簡答題（每題5分，共15分）1.簡述鋰離子電池中，正極材料LiFePO4的工作原理及其主要的優(yōu)缺點。2.簡述影響鋰離子電池循環(huán)壽命的主要因素，并列舉至少兩種提高循環(huán)壽命的途徑。3.簡述超級電容器相比于傳統(tǒng)電池的主要特點和區(qū)別。四、論述題（10分）評述鋰金屬電池作為下一代高能量密度電池的潛力和面臨的主要科學挑戰(zhàn)。五、分析題（15分）分析提高鋰離子電池能量密度的兩種不同策略，分別闡述其基本原理、關鍵材料/技術以及各自的優(yōu)缺點。試卷答案一、選擇題1.C2.C3.C4.C5.C6.B7.B8.B9.C10.B二、填空題1.電解質2.內(nèi)阻3.多孔/微孔4.固態(tài)5.頻率6.多孔/骨架7.催化劑8.非化學計量比/過渡金屬9.電壓10.安全三、簡答題1.工作原理：LiFePO4作為正極，在充電時鋰離子（Li+）和電子（e-）從LiFePO4中脫出，嵌入到電解質中，LiFePO4失去鋰變成本征FePO4；在放電時，鋰離子和電子從電解質嵌入到本征FePO4中，使其重新變?yōu)長iFePO4。優(yōu)點：熱穩(wěn)定性好，安全性高；循環(huán)壽命長；成本相對較低；環(huán)境友好。缺點：理論容量較低（170mAh/g）；電子電導率低，需要導電劑和粘結劑；倍率性能較差。2.主要因素：正負極材料的體積膨脹和收縮導致的結構破壞；電解液的分解和副反應；SEI膜的持續(xù)生長和穩(wěn)定問題；電極/電解質界面的變化。提高途徑：開發(fā)低膨脹性、高穩(wěn)定性的正負極材料；設計能夠抑制體積變化的材料結構（如納米結構）；使用穩(wěn)定、兼容性好的電解液和功能添加劑；構建穩(wěn)定的SEI膜。3.特點：儲能過程主要是物理過程（雙電層電容或贗電容），而非化學反應；功率密度非常高，充放電時間極短；循環(huán)壽命非常長，通?？蛇_數(shù)十萬次甚至更多；能量密度相對較低；內(nèi)阻較小。四、論述題潛力：鋰金屬具有極高的理論容量（3860mAh/g）和最低的電化學電位（-3.04Vvs.SHE），使得鋰金屬電池具備實現(xiàn)超高壓、超高性能（高能量密度）的巨大潛力，特別適用于需要長續(xù)航和快速充電的場景。科學挑戰(zhàn)：1.鋰枝晶生長：鋰金屬在嵌鋰過程中易形成鋰枝晶，可能刺穿隔膜，導致電池內(nèi)部短路，引發(fā)熱失控，嚴重威脅電池安全。2.表面副反應（SEI膜）：鋰金屬表面形成的固體電解質界面膜（SEI）不穩(wěn)定、不均勻，會持續(xù)分解消耗鋰金屬，且阻抗不斷增大，導致容量衰減和循環(huán)壽命短。3.鋰離子擴散：鋰離子在金屬鋰中的擴散速率相對較慢，限制了電池的倍率性能。4.庫侖效率：鋰枝晶和SEI膜的不穩(wěn)定會導致鋰金屬電池的庫侖效率非100%，尤其是在循環(huán)過程中。5.固態(tài)電解質的開發(fā)：尋找兼具高離子電導率、優(yōu)異離子傳輸動力學、良好電化學穩(wěn)定性和機械強度的固態(tài)電解質是解決上述挑戰(zhàn)的關鍵。五、分析題策略一：提高電極材料的理論容量基本原理：通過選用具有更高單位質量或單位體積能夠嵌入或脫出更多鋰離子的正極或負極材料，來增加電池存儲的總鋰離子量，從而提高能量密度。關鍵材料/技術：*正極：研發(fā)新型正極材料，如高鎳層狀氧化物（>NCM811）、富鋰錳基材料、聚陰離子型材料（如LiFePO4的改進型、LiTi2(PO4)3）、固態(tài)氧化物電解質基正極材料等。*負極：使用高容量負極材料，如硅基材料（及其復合材料）、錫基合金、金屬鋰等。優(yōu)點：直接觸摸能量密度的核心因素——存儲鋰離子的數(shù)量，潛力巨大。缺點：過度追求高容量可能導致材料結構不穩(wěn)定性、循環(huán)壽命下降、安全性降低（如硅負極的巨大體積膨脹）、成本增加等問題。策略二：降低電池的內(nèi)部電阻基本原理：電池的總內(nèi)阻包括電極/電解質界面電阻、電解液電阻、電極體電阻和隔膜電阻等。降低這些電阻可以減少電池在充放電過程中的能量損耗（主要表現(xiàn)為發(fā)熱），提高電池在實際工作電壓范圍下的可用電壓，從而間接提升能量密度（能量密度=電壓×容量）。關鍵材料/技術：*電解質：開發(fā)高離子電導率的液態(tài)電解質（如高濃度電解質、離子液體）、固態(tài)電解質；添加能夠降低電解液粘度或促進離子傳輸?shù)墓δ芴砑觿?電極：使用高電子電導率的導電劑、粘結劑；優(yōu)化電極結構，減小電極厚度，增加電極比表面積；使