2025年大學《應用化學》專業(yè)題庫——應用化學在能源儲存中的關鍵技術研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、名詞解釋（每小題3分，共15分）1.庫侖效率2.虛擬固態(tài)電解質膜(SEI)3.鈣鈦礦太陽能電池4.雙電層電容器(EDLC)5.倍率性能二、簡答題（每小題5分，共25分）1.簡述鋰離子電池中，正極材料LiCoO?的充放電反應過程。2.與鋰離子電池相比，鈉離子電池在材料選擇和研究方面面臨哪些主要挑戰(zhàn)？3.簡述石墨烯材料作為超級電容器電極材料的主要優(yōu)勢。4.提高鋰離子電池循環(huán)壽命的主要途徑有哪些？5.固態(tài)電解質相比液態(tài)電解質在能量儲存器件中具有哪些潛在優(yōu)勢？三、論述題（每小題10分，共30分）1.論述提高鋰離子電池能量密度的幾種關鍵策略及其化學原理。2.分析當前鋰離子電池安全性問題的主要來源，并提出相應的改進思路。3.選擇一種你感興趣的新型儲能技術（如氫儲能、鋅空氣電池、壓電儲能等），闡述其基本工作原理、關鍵化學問題以及潛在的應用前景。四、材料設計/方案設計題（15分）針對下一代高能量密度、長壽命且安全性更高的鋰離子電池，請設計一種新型正極材料或固態(tài)電解質材料。要求：說明你的設計思路，至少提出兩種具體的材料結構或組成方案，并簡述選擇這些方案的理由及其預期的性能優(yōu)勢。試卷答案一、名詞解釋1.庫侖效率：指電池在充放電過程中，放出容量與充入容量之比，通常以百分比表示，反映了電池充放電過程中能量損失的程度，是評價電池性能的重要指標。**解析思路：*考察對電池基本性能指標的理解。庫侖效率直接關系到能量利用效率，涉及充放電過程的不可逆損失。2.虛擬固態(tài)電解質膜(SEI)：指在鋰離子電池負極表面，由電解液與鋰金屬負極發(fā)生復雜副反應，在表面沉積形成的一層相對穩(wěn)定、離子導電性較差但電子絕緣的薄膜。這層膜能有效阻止鋰枝晶的生長，提高電池安全性，但其離子電導率和穩(wěn)定性是關鍵挑戰(zhàn)。**解析思路：*考察對鋰金屬負極安全性問題的核心解決方案的理解。需要知道SEI的形成機理、組成、作用及其優(yōu)缺點。3.鈣鈦礦太陽能電池：指以鈣鈦礦型化合物（通常為ABO?結構）作為光吸收層或光生伏特活性層的太陽能電池。這類電池具有光電轉換效率高、可溶液加工、成本低等優(yōu)點，是當前太陽能電池研究的熱點方向。**解析思路：*考察對前沿光電器件的理解。需要知道鈣鈦礦材料的結構特點、優(yōu)異性能（尤其是效率）以及其在能源轉換中的應用。4.雙電層電容器(EDLC)：指通過電doublelayer(EDL)在電極/電解質界面處形成和充放電來存儲能量的電容器。其儲能機制主要是物理吸附/脫附電解質離子的溶劑化殼層，幾乎沒有Faradaic沉淀/溶解過程，因此具有超高的功率密度、長循環(huán)壽命和優(yōu)異的倍率性能，但能量密度相對較低。**解析思路：*考察對儲能器件分類和原理的理解。需要區(qū)分EDLC與贗電容，并掌握其主要性能特點（高功率、長壽命、低能量密度）。5.倍率性能：指電池在充放電電流密度發(fā)生變化時，其容量保持能力的度量。通常指在較大電流密度下（如C/10或更高倍率）測得的容量與在較小電流密度下（如C/100）測得的容量之比，或直接指電池在特定倍率下能提供的容量。倍率性能直接影響電池的快速充放電能力。**解析思路：*考察對電池動態(tài)性能指標的理解。需要知道倍率性能的定義、影響因素以及其在實際應用中的重要性。二、簡答題1.簡述鋰離子電池中，正極材料LiCoO?的充放電反應過程。**解析思路：*考察對典型鋰離子電池正極材料工作原理的掌握。LiCoO?在充放電過程中，鋰離子（Li?）和電子（e?）分別嵌入和脫出層狀結構中，導致材料重量和電壓發(fā)生變化。需要準確書寫化學式并描述過程。**答案：*放電（充電）：LiCoO?-e?-Li?→Li???CoO?(x為脫鋰度，0<x<1)。鋰離子從LiCoO?晶格中脫出，通過電解質遷移到負極，同時電子經外電路流向負極。充電：Li???CoO?+Li?+e?→LiCoO?。鋰離子和電子嵌入Li???CoO?晶格中，恢復其原始狀態(tài)。2.與鋰離子電池相比，鈉離子電池在材料選擇和研究方面面臨哪些主要挑戰(zhàn)？**解析思路：*考察對鈉離子電池與鋰離子電池異同點的理解，特別是材料層面的挑戰(zhàn)。鈉資源分布更廣但鈉離子半徑比鋰離子大，這影響了電極材料結構、離子擴散速率和電化學窗口，進而影響性能。**答案：*主要挑戰(zhàn)包括：①鈉離子半徑（約1.02?）大于鋰離子半徑（約0.76?），導致電極材料晶體結構穩(wěn)定性下降，容易發(fā)生粉化；②鈉離子在電極材料中的擴散速率通常比鋰離子慢，影響電池倍率性能和動力學；③鈉的還原電位（約-2.7Vvs.SHE）比鋰（約-3.05Vvs.SHE）高，使得鈉離子電池的理論電壓較低，能量密度可能不如鋰離子電池；④高效、低成本且結構穩(wěn)定的鈉離子正、負極材料以及合適的固態(tài)/液態(tài)電解質體系仍需大量研發(fā)。3.簡述石墨烯材料作為超級電容器電極材料的主要優(yōu)勢。**解析思路：*考察對新興儲能材料（石墨烯）性能優(yōu)勢的理解。石墨烯具有優(yōu)異的物理化學性質，使其在電容儲能方面表現(xiàn)出色。**答案：*石墨烯作為超級電容器電極材料的主要優(yōu)勢有：①極高的比表面積（可達2630m2/g），提供充足的電荷存儲位點；②極低的厚度和優(yōu)異的導電性，有利于電荷快速傳輸，提高倍率性能；③高機械強度和柔韌性，有利于電極結構的穩(wěn)定性和器件的柔性應用；④良好的化學穩(wěn)定性。4.提高鋰離子電池循環(huán)壽命的主要途徑有哪些？**解析思路：*考察對電池壽命影響因素及其改善策略的理解。循環(huán)壽命主要與電極材料的穩(wěn)定性、界面相容性等有關。**答案：*提高鋰離子電池循環(huán)壽命的主要途徑包括：①選擇結構穩(wěn)定、容量衰減小的正負極材料；②優(yōu)化電極材料結構，如減小顆粒尺寸、增加表面積、改善顆粒分布等；③提高電解液與電極材料的相容性，減少界面副反應和阻抗增長；④采用有效的表面改性或涂層技術，保護電極材料免受腐蝕和粉化；⑤控制充電截止電壓，減輕材料的循環(huán)不可逆損失。5.固態(tài)電解質相比液態(tài)電解質在能量儲存器件中具有哪些潛在優(yōu)勢？**解析思路：*考察對固態(tài)電池優(yōu)點的理解。固態(tài)電解質旨在解決液態(tài)電解質的某些固有缺點。**答案：*固態(tài)電解質相比液態(tài)電解質的主要潛在優(yōu)勢有：①更高的離子電導率（某些固態(tài)電解質）和電子絕緣性，有助于提高電池能量密度和安全性；②更高的工作溫度范圍；③減少或消除電解液泄漏風險，提高電池密封性和結構穩(wěn)定性；④可能實現(xiàn)更薄、更緊湊的器件設計；⑤有望降低電池成本（若大規(guī)模制備技術成熟）。三、論述題1.論述提高鋰離子電池能量密度的幾種關鍵策略及其化學原理。**解析思路：*考察對提升電池核心性能指標（能量密度）的理解和綜合分析能力。需要從正負極材料、電解液等方面入手，闡述提高理論容量、拓寬電化學窗口的策略，并結合化學原理進行解釋。**答案：*提高鋰離子電池能量密度的關鍵策略主要有：①開發(fā)高比容量正極材料。通過引入過渡金屬氧化物（如高鎳NCM、LMO）、富鋰材料、聚陰離子型材料（如層狀磷釩氧化物LiV?O?）、硫基材料或金屬有機框架（MOFs）等，增大材料單位質量或單位體積能儲存的鋰離子數量。其化學原理在于增加活性物質的含量、提高鋰的利用率或利用化學反應釋放更多自由能。②開發(fā)高電壓正極材料。通過改變正極材料化學組成或結構，使其在更高的電位下仍能穩(wěn)定存在并嵌入鋰離子（如高電壓層狀氧化物、聚陰離子型材料）。這有助于拓寬電池的整體電化學窗口，從而提高能量密度。③開發(fā)新型負極材料。使用比石墨具有更高容量（如硅基負極、錫基合金、金屬鋰）的材料，雖然面臨循環(huán)穩(wěn)定性和成本挑戰(zhàn)，但理論上可顯著提升電池容量。④拓寬電解質的電化學窗口。使用高電壓電解液或固態(tài)電解質，允許電池在更寬的電壓范圍內工作，從而獲得更高的能量密度。⑤優(yōu)化電極結構和電解液離子電導率。雖然不直接增加理論容量，但改善傳質和離子傳輸效率，可以部分彌補因追求高容量而可能帶來的內阻增加問題，間接提升實際可用的能量密度。2.分析當前鋰離子電池安全性問題的主要來源，并提出相應的改進思路。**解析思路：*考察對電池安全風險的認識和解決思路。鋰離子電池的主要安全問題源于內部短路（過熱、熱失控）。需要分析短路原因，并提出從材料、結構、系統(tǒng)等多個層面防止或緩解短路、熱失控的策略。**答案：*當前鋰離子電池安全性問題的主要來源包括：①內部短路。這是最危險的情況，通常由電極材料破碎導致的長短徑比增大、鋰枝晶生長刺穿隔膜、電解液泄漏與電極接觸、外部短路等引發(fā)。內部短路產生巨大熱量，引發(fā)熱失控。②過熱。過充、過放、大電流放電、外部環(huán)境高溫、熱失控鏈式反應等都會導致電池溫度急劇升高，超過材料耐受極限，可能引起熱分解、氣體膨脹，甚至爆炸。③燃爆。電池內部產生大量可燃性氣體（如氫氣），在高溫下遇到火源發(fā)生燃燒或爆炸。改進思路主要包括：①材料層面：開發(fā)結構更穩(wěn)定、不易碎裂的正負極材料；研究更安全、離子電導率更高的固態(tài)電解質，替代易燃液態(tài)電解液；開發(fā)能抑制鋰枝晶生長的材料或添加劑；使用不易燃或低煙無毒的電解液。②結構層面：優(yōu)化電極配方和結構設計，提高循環(huán)穩(wěn)定性；使用厚度適中、孔隙率合適且穿刺resistance高的隔膜；采用合適的電池包裝材料和結構，限制短路后氣體的膨脹空間，防止電池鼓脹破裂。③系統(tǒng)層面：精確的電池管理系統(tǒng)（BMS），實現(xiàn)過充、過放、過溫、過流的精確保護和均衡管理；優(yōu)化電池的制造工藝，減少潛在缺陷；進行嚴格的安全測試和評估。④應用層面：規(guī)范電池的使用和報廢回收流程。3.選擇一種你感興趣的新型儲能技術（如氫儲能、鋅空氣電池、壓電儲能等），闡述其基本工作原理、關鍵化學問題以及潛在的應用前景。**解析思路：*考察學生對除鋰離子電池外其他儲能技術的了解和獨立思考能力。選擇一種技術，清晰描述其工作原理，指出其面臨的主要化學挑戰(zhàn)，并展望其應用前景。這里以氫儲能為例進行回答（考生可自行選擇并回答）。**答案：*選擇氫儲能技術。①基本工作原理：氫儲能主要涉及“制-儲-運-用”四個環(huán)節(jié)。制氫通過電解水（電解水制氫）或利用化石燃料重整（需碳捕捉與封存技術）等方式獲得氫氣；儲氫是將氫氣以氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)氫化物形式儲存起來；運氫通過管道、液氫槽車或高壓氣瓶等方式進行運輸；用氫則通過燃料電池將氫氣與氧氣反應生成水，同時釋放電能、熱能，或作為工業(yè)原料、交通工具的燃料。其中，電解水制氫和燃料電池利用的是電化學原理。②關鍵化學問題：主要包括：a)電解水制氫的效率與成本問題，特別是開發(fā)低成本、高效率、長壽命的催化劑（如質子交換膜水電解槽中的鎳基合金催化劑、PEM水電解槽中的貴金屬催化劑）；b)氫的儲存問題，氣態(tài)儲氫體積密度低，液氫需要極低溫度，固態(tài)氫化物儲氫密度高但放氫動力學慢、材料成本高；c)燃料電池的性能問題，如提高質子交換膜燃料電池的質子傳導率、降低鉑催化劑的使用量或開發(fā)非鉑催化劑、提高電池的耐硫性（適用于重整制氫氣）和長循環(huán)穩(wěn)定性；d)氫氣的安全性與純化問題。③潛在的應用前景：氫儲能具有儲量大、來源廣泛（可再生能源制氫）、能量密度高、環(huán)境友好（只產生水）、應用場景多樣（發(fā)電、交通、工業(yè)、建筑）等優(yōu)勢。未來可作為大規(guī)?？稍偕茉措娏Υ鎯?、跨區(qū)域能源輸送、交通領域（如重型卡車、船舶、航空）的清潔能源載體，以及與現(xiàn)有化石能源系統(tǒng)耦合轉型的重要途徑，在構建可持續(xù)能源體系方面具有巨大潛力。四、材料設計/方案設計題針對下一代高能量密度、長壽命且安全性更高的鋰離子電池，請設計一種新型正極材料或固態(tài)電解質材料。要求：說明你的設計思路，至少提出兩種具體的材料結構或組成方案，并簡述選擇這些方案的理由及其預期的性能優(yōu)勢。在設計思路中，應考慮如何通過材料結構、化學組成或界面工程來同時提升能量密度、循環(huán)壽命和安全性。**解析思路：*考察學生的創(chuàng)新思維和綜合運用知識解決復雜問題的能力。題目要求設計，沒有標準答案，重點在于思路的合理性、方案的可行性以及對關鍵科學問題的理解。需要提出具體的材料方案，并解釋其設計原理、預期優(yōu)勢和面臨的挑戰(zhàn)。設計思路應圍繞提升能量密度（高電壓、高容量）、循環(huán)壽命（結構穩(wěn)定性、低衰減）和安全性（不易形成鋰枝晶、界面穩(wěn)定）這幾個目標展開。**答案示例：**設計思路：針對下一代鋰離子電池的需求，可以通過設計具有高電壓、高容量、結構穩(wěn)定且與電解液/鋰金屬界面相容性好的正極材料，或者開發(fā)離子電導率高、化學穩(wěn)定性好、機械強度強的固態(tài)電解質來提升電池的綜合性能。本設計將同時關注正極材料和界面工程。對于正極，考慮采用具有高氧化態(tài)的過渡金屬氧化物或聚陰離子型材料，并通過結構調控（如納米化、摻雜）來提高其穩(wěn)定性和電子/離子導電性。對于固態(tài)電解質，考慮采用無機離子導體，如具有巖鹽結構、層狀結構或氧超離子導體的材料，并通過摻雜或表面改性來改善其離子電導率、機械性能和與電極的界面相容性。*材料方案一：新型高電壓正極材料——摻雜的層狀聚陰離子型氧化物Li?NiO??δ。**組成/結構：*在傳統(tǒng)的Li?NiO?基礎上進行化學摻雜（例如，用Co2?、Mg2?部分替代Ni2?，或引入其他高價陽離子），并可能進行納米化處理。**理由：*Li?NiO?本身具有與LiCoO?相似的ABO?層狀結構，但Ni處于+3氧化態(tài)，理論容量更高（約310mAh/g），且工作電壓較高（可達5V以上）。摻雜可以調節(jié)材料的電子結構，提高其導電性；同時，摻雜元素可能有助于穩(wěn)定晶體結構，抑制充放電過程中的相變和體積膨脹，從而延長循環(huán)壽命。納米化可以增加材料的比表面積，促進鋰離子的快速嵌入/