2025年大學(xué)《分子科學(xué)與工程》專業(yè)題庫(kù)——新型分子材料在電池工程中的應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)字母填在題干后的括號(hào)內(nèi)）1.下列哪一類新型分子材料通常具有極高的比表面積和可調(diào)變的孔道結(jié)構(gòu)，被廣泛研究用于鋰離子電池電極材料？A.導(dǎo)電聚合物B.金屬有機(jī)框架（MOFs）C.有機(jī)半導(dǎo)體D.共價(jià)有機(jī)框架（COFs）2.在鋰離子電池中，使用有機(jī)電解質(zhì)（如碳酸酯類溶劑）的主要優(yōu)勢(shì)是？A.極高的電導(dǎo)率B.極低的成本C.對(duì)鋰金屬負(fù)極的穩(wěn)定性D.高工作電壓平臺(tái)3.導(dǎo)電聚合物在電池應(yīng)用中，其導(dǎo)電性主要來(lái)源于？A.自由電子的離域B.離子的嵌入/脫出C.共軛π電子體系的形成與破壞D.陽(yáng)離子在骨架中的遷移4.下列哪種效應(yīng)是限制鋰離子電池倍率性能的關(guān)鍵因素？A.電解液粘度B.電子電導(dǎo)率C.離子擴(kuò)散系數(shù)D.機(jī)械穩(wěn)定性5.當(dāng)分子電解質(zhì)中的陰離子半徑增大時(shí)，通常對(duì)其電導(dǎo)率的影響是？A.增加B.減小C.不變D.無(wú)法確定6.金屬有機(jī)框架（MOFs）材料在電池中面臨的主要挑戰(zhàn)之一是？A.過(guò)高的成本B.易燃性C.骨架的化學(xué)穩(wěn)定性不足D.過(guò)低的比表面積7.有機(jī)半導(dǎo)體的氧化還原活性通常與其分子結(jié)構(gòu)中的哪個(gè)特征密切相關(guān)？A.離子半徑B.晶體結(jié)構(gòu)對(duì)稱性C.共軛體系的長(zhǎng)度和完整性D.陽(yáng)離子種類8.在設(shè)計(jì)用于鋰離子電池的正極材料時(shí)，通常希望其具有？A.低得電子電位B.高的電子電導(dǎo)率C.小的離子半徑的陰離子D.穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)9.共價(jià)有機(jī)框架（COFs）相比MOFs，其主要優(yōu)勢(shì)在于？A.更高的孔隙率B.更優(yōu)異的化學(xué)和熱穩(wěn)定性C.更高的比表面積D.更低的合成成本10.提高電池能量密度的主要途徑是？A.提高電池電壓B.提高電池容量C.降低電池內(nèi)阻D.提高電池功率密度二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在橫線上）1.新型分子材料在電池工程中的應(yīng)用，旨在解決傳統(tǒng)電極材料在__________、__________和__________等方面的瓶頸問(wèn)題。2.導(dǎo)電聚合物通常通過(guò)__________或__________的方式實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電性。3.MOFs材料的結(jié)構(gòu)單元是連接在有機(jī)配體和金屬（或類金屬）節(jié)點(diǎn)上的____________。4.有機(jī)電解質(zhì)通常由__________、__________和__________三部分組成。5.影響離子在分子材料中擴(kuò)散速率的關(guān)鍵因素包括離子半徑、__________、__________和材料結(jié)構(gòu)等。6.分子電池的安全性問(wèn)題，很大程度上取決于電解質(zhì)溶劑的__________和材料的__________。7.設(shè)計(jì)新型分子電極材料時(shí)，需要綜合考慮其__________、__________、__________和__________等性能。8.共價(jià)有機(jī)框架（COFs）的結(jié)構(gòu)是通過(guò)____________鍵連接有機(jī)連接體而形成的。9.為了提高鋰離子電池的循環(huán)壽命，需要關(guān)注材料的__________和__________問(wèn)題。10.將新型分子材料應(yīng)用于電池，除了材料本身的性能，還需要考慮其與電解質(zhì)、集流體等的____________相容性。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述金屬有機(jī)框架（MOFs）材料作為電池電極材料的基本工作原理。2.與無(wú)機(jī)電極材料相比，導(dǎo)電聚合物作為電池電極材料的主要優(yōu)缺點(diǎn)是什么？3.分子電解質(zhì)相比傳統(tǒng)無(wú)機(jī)電解質(zhì)（如LiPF6/EC:DMC），在電池應(yīng)用中可能面臨哪些挑戰(zhàn)？4.請(qǐng)列舉至少三種提高分子材料離子電導(dǎo)率的策略。四、論述題（每題10分，共30分）1.論述分子尺寸和結(jié)構(gòu)對(duì)稱性對(duì)有機(jī)半導(dǎo)體電化學(xué)氧化還原活性的影響機(jī)制。2.以MOFs或COFs為例，詳細(xì)論述其在設(shè)計(jì)鋰離子電池正極材料時(shí)，如何通過(guò)結(jié)構(gòu)調(diào)控（如孔道尺寸、化學(xué)環(huán)境）來(lái)優(yōu)化其容量和循環(huán)穩(wěn)定性。3.隨著對(duì)高能量密度電池需求的增加，分子電解質(zhì)研究面臨的主要科學(xué)挑戰(zhàn)是什么？你認(rèn)為未來(lái)可能的研究方向有哪些？試卷答案一、選擇題1.B2.C3.C4.C5.A6.C7.C8.D9.B10.A二、填空題1.能量密度，功率密度，循環(huán)壽命2.本體導(dǎo)電，復(fù)合導(dǎo)電3.立體網(wǎng)絡(luò)4.陰離子，陽(yáng)離子，溶劑5.擴(kuò)散路徑長(zhǎng)度，離子-溶劑相互作用6.易燃性，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性7.電化學(xué)活性，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，離子存儲(chǔ)能力，加工性能8.共價(jià)9.結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，循環(huán)穩(wěn)定性10.化學(xué)物理三、簡(jiǎn)答題1.金屬有機(jī)框架（MOFs）材料作為電池電極材料的工作原理：MOFs具有可設(shè)計(jì)的孔道結(jié)構(gòu)和豐富的活性位點(diǎn)。在充放電過(guò)程中，電解質(zhì)中的離子（如Li+）能夠通過(guò)MOFs的孔道快速傳輸，并嵌入到MOFs的金屬節(jié)點(diǎn)或有機(jī)連接體中發(fā)生氧化還原反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)電荷的存儲(chǔ)和釋放。MOFs的比表面積大，可以提供更多的反應(yīng)位點(diǎn)，理論容量較高。2.導(dǎo)電聚合物作為電池電極材料的優(yōu)缺點(diǎn)：*優(yōu)點(diǎn)：通常具有較好的電化學(xué)氧化還原活性，可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)合成，比表面積較大，可能具有較輕的重量。*缺點(diǎn)：導(dǎo)電性相對(duì)較差（通常需進(jìn)行摻雜或復(fù)合），機(jī)械穩(wěn)定性有時(shí)不足，循環(huán)穩(wěn)定性可能受氧化還原反應(yīng)影響，制備工藝可能較復(fù)雜。3.分子電解質(zhì)在電池應(yīng)用中可能面臨的挑戰(zhàn)：離子電導(dǎo)率通常低于無(wú)機(jī)電解質(zhì)，因?yàn)榉肿娱g作用力較強(qiáng)，離子遷移阻力較大；材料的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性需要提高，以適應(yīng)電池工作環(huán)境；與電極材料的相容性可能存在問(wèn)題，影響電池性能和壽命；規(guī)?；苽浜统杀究刂埔彩翘魬?zhàn)。4.提高分子材料離子電導(dǎo)率的策略：*優(yōu)化分子結(jié)構(gòu)：增大分子尺寸或引入空間位阻較小的基團(tuán)，減小分子間堆積緊密程度。*增加結(jié)構(gòu)缺陷：引入晶格缺陷或非晶區(qū)域，提供更多離子傳輸通道。*利用柔性結(jié)構(gòu)：設(shè)計(jì)具有柔性骨架或鏈段的分子，允許結(jié)構(gòu)在離子嵌入/脫出時(shí)發(fā)生形變，有利于離子遷移。*制備復(fù)合材料：將分子材料與高電導(dǎo)率基底（如碳材料）復(fù)合，構(gòu)建導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。四、論述題1.分子尺寸和結(jié)構(gòu)對(duì)稱性對(duì)有機(jī)半導(dǎo)體電化學(xué)氧化還原活性的影響機(jī)制：分子尺寸影響氧化還原電位和反應(yīng)能壘。較小的分子通常具有較弱的軌道相互作用，氧化還原電位較低；而增大分子尺寸，特別是增加共軛體系的長(zhǎng)度，可以增強(qiáng)π-π堆積和軌道重疊，提高電子離域程度，從而增大氧化還原電位和氧化還原反應(yīng)的能壘。結(jié)構(gòu)對(duì)稱性對(duì)反應(yīng)選擇性有重要影響。高度對(duì)稱的分子通常只發(fā)生單電子轉(zhuǎn)移，而結(jié)構(gòu)不對(duì)稱的分子可能更容易發(fā)生多電子轉(zhuǎn)移或質(zhì)子耦合電子轉(zhuǎn)移（PCET），影響電極過(guò)程的動(dòng)力學(xué)和電壓平臺(tái)。2.以MOFs為例，詳細(xì)論述其在設(shè)計(jì)鋰離子電池正極材料時(shí)，如何通過(guò)結(jié)構(gòu)調(diào)控優(yōu)化容量和循環(huán)穩(wěn)定性：MOFs作為正極材料，其理論容量主要取決于孔道內(nèi)的活性位點(diǎn)（如金屬節(jié)點(diǎn)、有機(jī)連接體）與鋰離子的相互作用能。通過(guò)結(jié)構(gòu)調(diào)控優(yōu)化容量：可以設(shè)計(jì)含有高鋰結(jié)合能官能團(tuán)的有機(jī)連接體或金屬節(jié)點(diǎn)，增強(qiáng)對(duì)Li+的捕獲能力；調(diào)控孔道尺寸和形狀，使其與嵌入的Li+離子尺寸匹配，提高庫(kù)侖效率。通過(guò)結(jié)構(gòu)調(diào)控優(yōu)化循環(huán)穩(wěn)定性：引入強(qiáng)配位的金屬節(jié)點(diǎn)或官能團(tuán)，增強(qiáng)MOFs骨架的穩(wěn)定性，抵抗鋰離子嵌入/脫出過(guò)程中的結(jié)構(gòu)坍塌；選擇熱穩(wěn)定性好的有機(jī)連接體；構(gòu)建具有高縱橫比或分級(jí)孔道的結(jié)構(gòu)，減少應(yīng)力集中，提高機(jī)械穩(wěn)定性。此外，通過(guò)后合成修飾在MOFs表面引入缺陷或?qū)щ妼右灿兄诟纳蒲h(huán)性能。3.隨著對(duì)高能量密度電池需求的增加，分子電解質(zhì)研究面臨的主要科學(xué)挑戰(zhàn)是：如何大幅提高離子電導(dǎo)率，使其能夠滿足高倍率充放電需求；如何提高材料的綜合熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，確保在寬溫度范圍和長(zhǎng)期循環(huán)中保持性能；如何實(shí)現(xiàn)分子設(shè)計(jì)與離子傳輸、電化學(xué)活性的精準(zhǔn)調(diào)控與匹配；如何解決分子電解質(zhì)與電極材料的界面相容性問(wèn)