2025年大學(xué)《應(yīng)用化學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——新型電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。下列每小題均有兩個(gè)或兩個(gè)以上正確選項(xiàng)，請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母代號(hào)填在題后的括號(hào)內(nèi)）1.下列哪些儲(chǔ)能技術(shù)主要基于電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行能量存儲(chǔ)？（）A.雙電層電容器B.鋰離子電池C.鈉離子電池D.流體飛輪儲(chǔ)能2.提高鋰離子電池能量密度的關(guān)鍵途徑之一是開發(fā)具有高理論容量的正極材料，以下哪些材料被認(rèn)為是高能量密度正極材料的候選者？（）A.磷酸鐵鋰(LiFePO4)B.富鋰錳基材料(LMR)C.錳酸鋰(LiMn2O4)D.硫化鋰(Li2S)3.為了提高鋰離子電池的循環(huán)壽命和安全性，常采用固態(tài)電解質(zhì)替代液態(tài)電解質(zhì)。固態(tài)電解質(zhì)相比液態(tài)電解質(zhì)的主要優(yōu)勢(shì)包括？（）A.電導(dǎo)率更高B.熱穩(wěn)定性更好，不易燃C.可以支持更高的電壓D.對(duì)鋰枝晶的生長(zhǎng)具有更好的抑制能力4.在超級(jí)電容器中，提供主要儲(chǔ)能機(jī)制的是？（）A.負(fù)極材料中的鋰離子嵌入/脫嵌B.電極材料表面的物理吸附/脫附C.電解質(zhì)離子的電化學(xué)反應(yīng)D.電極材料的法拉第準(zhǔn)電容反應(yīng)5.以下哪些因素會(huì)顯著影響鋰離子電池的倍率性能？（）A.電極材料的電子電導(dǎo)率B.電極材料的離子電導(dǎo)率C.電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率D.電極/電解質(zhì)界面的接觸電阻二、填空題（每空2分，共30分）1.電化學(xué)儲(chǔ)能器件通常由________、________和________三部分組成。2.贗電容是一種介于物理電容和電池之間的儲(chǔ)能機(jī)制，其儲(chǔ)能過(guò)程主要依賴于電極材料表面的________反應(yīng)或快速離子/電子轉(zhuǎn)移。3.鋰離子電池中，能夠嵌入/脫嵌鋰離子的負(fù)極材料，除了傳統(tǒng)的石墨外，還有如________、硅基材料等新型材料。4.固態(tài)電解質(zhì)按化學(xué)狀態(tài)可分為________電解質(zhì)、________電解質(zhì)和________電解質(zhì)。5.影響鋰離子電池循環(huán)壽命的關(guān)鍵因素之一是電極材料的________穩(wěn)定性，即材料在反復(fù)充放電過(guò)程中結(jié)構(gòu)保持不變的能力。6.液流電池具有模塊化設(shè)計(jì)靈活、能量密度和功率密度可獨(dú)立設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，其核心儲(chǔ)能單元是________和________。三、簡(jiǎn)答題（每小題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述鋰離子電池的工作原理，并說(shuō)明鋰離子在電池內(nèi)部是如何遷移的。2.與傳統(tǒng)化石燃料發(fā)電相比，電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)（如大型鋰電池）在促進(jìn)可再生能源利用方面具有哪些優(yōu)勢(shì)？3.簡(jiǎn)述高倍率放電對(duì)鋰離子電池材料和器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出的主要挑戰(zhàn)。4.解釋什么是“鋰枝晶”，并簡(jiǎn)述其對(duì)鋰離子電池性能和安全性的影響。四、論述題（每小題10分，共30分）1.論述電極材料納米化（如納米顆粒、納米線、納米管）對(duì)鋰離子電池容量、倍率性能和循環(huán)壽命可能產(chǎn)生的影響，并解釋其內(nèi)在原因。2.固態(tài)鋰離子電池被認(rèn)為是下一代高能量密度電池的重要方向，請(qǐng)論述實(shí)現(xiàn)高性能固態(tài)鋰離子電池面臨的主要挑戰(zhàn)，并提出可能的解決方案。3.針對(duì)鈉離子電池目前存在的能量密度相對(duì)較低的問(wèn)題，探討幾種有前景的高能量密度鈉離子電池正極材料體系，并簡(jiǎn)述其優(yōu)勢(shì)。---試卷答案一、選擇題1.BC2.BD3.BD4.B5.ABCD二、填空題1.電極，電解質(zhì)，隔膜2.快速3.硅化物（如硅氧化物、硅碳合金）4.液態(tài)，固態(tài)，凝膠態(tài)5.結(jié)構(gòu)6.電極液，離子交換膜三、簡(jiǎn)答題1.解析思路：首先要說(shuō)明鋰離子電池是利用鋰離子在正負(fù)極材料之間發(fā)生嵌入/脫嵌，同時(shí)電子通過(guò)外電路流動(dòng)來(lái)存儲(chǔ)和釋放能量的。其次，要描述鋰離子在電解質(zhì)中遷移的載體是自由移動(dòng)的鋰離子（或溶劑化鋰離子），正極電位高于負(fù)極電位時(shí)，鋰離子向負(fù)極遷移；反之，則向正極遷移。2.解析思路：主要從可再生能源（如風(fēng)能、太陽(yáng)能）的間歇性和波動(dòng)性角度出發(fā)。儲(chǔ)能技術(shù)可以平滑可再生能源的輸出，使其穩(wěn)定輸出；可以在可再生能源發(fā)電低谷時(shí)充電，在高峰時(shí)放電，提高可再生能源利用率；可以提供頻率調(diào)節(jié)和備用容量，支撐電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。3.解析思路：高倍率放電意味著電流密度很大。這對(duì)材料要求很高，需要材料具有很高的離子電導(dǎo)率和電子電導(dǎo)率。同時(shí)，大電流會(huì)導(dǎo)致電極表面濃差極化嚴(yán)重，可能引起電壓平臺(tái)變寬、過(guò)電位增大，影響容量發(fā)揮和壽命。對(duì)于某些材料，大電流還可能加速副反應(yīng)或結(jié)構(gòu)破壞。4.解析思路：鋰枝晶是指鋰金屬在電極表面不均勻沉積形成的針狀或枝狀結(jié)晶。其影響主要是：可能刺穿隔膜，導(dǎo)致電池內(nèi)部短路；可能引起電極結(jié)構(gòu)粉化，降低電接觸和容量；可能造成電池內(nèi)部微短路，引發(fā)熱失控，存在安全隱患。四、論述題1.解析思路：*容量：納米化增大了材料的比表面積，使得電極/電解質(zhì)接觸面積增大，有利于鋰離子的快速嵌入/脫嵌，減少傳質(zhì)限制，從而可能提高實(shí)際可逆容量，使其更接近理論容量。但也可能因量子尺寸效應(yīng)導(dǎo)致理論容量略有下降。*倍率性能：納米結(jié)構(gòu)縮短了鋰離子在材料內(nèi)部以及從電解質(zhì)擴(kuò)散到電極表面的路徑長(zhǎng)度，極大地降低了離子擴(kuò)散阻抗和電荷轉(zhuǎn)移阻抗，使得電池在大電流下仍能保持較高的容量輸出，即倍率性能顯著提升。*循環(huán)壽命：納米材料通常具有更高的表面積，可能加劇副反應(yīng)（如表面副反應(yīng)、電解質(zhì)分解），且結(jié)構(gòu)可能更不穩(wěn)定。但另一方面，如果納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理（如核心-殼結(jié)構(gòu)），可以有效緩沖充放電過(guò)程中的體積膨脹，維持結(jié)構(gòu)完整性，從而可能延長(zhǎng)循環(huán)壽命。綜合效果取決于材料體系和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。2.解析思路：*主要挑戰(zhàn)：*離子電導(dǎo)率低：固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率遠(yuǎn)低于液態(tài)電解質(zhì)，限制了電池的倍率性能和功率密度。*界面阻抗大：電極/固態(tài)電解質(zhì)界面（SEI）的接觸電阻和反應(yīng)電阻較大，影響電池性能，尤其在高電壓下界面穩(wěn)定性是關(guān)鍵問(wèn)題。*鋰枝晶問(wèn)題：固態(tài)電解質(zhì)的離子遷移機(jī)制和界面特性可能更容易誘發(fā)鋰枝晶生長(zhǎng)。*材料加工性差：許多高性能固態(tài)電解質(zhì)（如氧化物）的燒結(jié)溫度高，與現(xiàn)有高電壓正極材料不匹配，且制備工藝復(fù)雜。*成本問(wèn)題：新型固態(tài)電解質(zhì)材料的制備成本可能較高。*可能的解決方案：*開發(fā)高性能固態(tài)電解質(zhì)：研究離子電導(dǎo)率更高、熱穩(wěn)定性更好、機(jī)械強(qiáng)度更優(yōu)的固態(tài)電解質(zhì)材料（如聚合物基、玻璃基、硫化物基等）。*界面工程：通過(guò)表面處理或引入界面層（Interphase），降低電極/固態(tài)電解質(zhì)界面阻抗，抑制副反應(yīng)，穩(wěn)定界面。*優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)：采用厚電極設(shè)計(jì)、選擇合適的電解質(zhì)厚度等，減輕鋰枝晶生長(zhǎng)風(fēng)險(xiǎn)。*開發(fā)低溫固態(tài)電解質(zhì)：降低固態(tài)電解質(zhì)的熔點(diǎn)或玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，使其在較低溫度下也能保持較好的離子電導(dǎo)率。*探索新體系：結(jié)合固態(tài)電解質(zhì)與固態(tài)正負(fù)極材料，開發(fā)全固態(tài)電池體系。*改進(jìn)制備工藝：研究低成本、高效率的固態(tài)電解質(zhì)制備方法。3.解析思路：*高能量密度鈉離子電池正極材料體系：*層狀氧化物：如NaCoO2,NaNiO2,NaMnO2型材料，其理論容量較高（可達(dá)160-200mAh/g），結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好，與鋰離子電池正極材料類似，易于研究。挑戰(zhàn)在于提高鈉離子擴(kuò)散速率和循環(huán)穩(wěn)定性。*聚陰離子型材料：如Na2FeMoO4,Na3V2(PO4)3,NaFePO4。這類材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，安全性高，部分材料（如Na3V2(PO4)3）理論容量也較高。挑戰(zhàn)在于改善電子電導(dǎo)率和鈉離子擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)。*普魯士藍(lán)/白及其衍生物：具有開放立方結(jié)構(gòu)，鈉離子遷移通道較大，理論容量高（>200mAh/g），成本相對(duì)較低。挑戰(zhàn)在于倍率性能和循環(huán)壽命，以及易水解析出金屬的問(wèn)題。