2025年大學(xué)《分子科學(xué)與工程》專業(yè)題庫(kù)——分子設(shè)計(jì)在新型電池研發(fā)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)的字母填在題后的括號(hào)內(nèi)）1.在設(shè)計(jì)高能量密度鋰離子電池正極材料時(shí)，以下哪個(gè)因素通常不是通過(guò)分子設(shè)計(jì)直接調(diào)控的？A.陽(yáng)離子本征電勢(shì)B.晶格結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性C.固體電解質(zhì)界面膜（SEI）的形成能D.材料的比表面積2.針對(duì)鋰硫電池中多硫化物穿梭效應(yīng)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)具有特定孔道結(jié)構(gòu)或官能團(tuán)的固態(tài)電解質(zhì)，其主要目的是：A.降低鋰離子遷移能壘B.提高電子導(dǎo)電性C.牢固捕獲多硫化物陰離子D.增強(qiáng)對(duì)鋰金屬的穩(wěn)定性3.在設(shè)計(jì)氧還原反應(yīng)（ORR）電催化劑時(shí)，分子設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮的因素不包括：A.材料的本征電催化活性（過(guò)電位）B.材料的長(zhǎng)期穩(wěn)定性（耐腐蝕性）C.材料與電解液的相容性D.材料的高昂成本4.對(duì)于鈉離子電池，設(shè)計(jì)具有與鈉離子尺寸匹配的層狀或棱柱狀結(jié)構(gòu)的正極材料，關(guān)鍵在于調(diào)控材料的：A.化學(xué)鍵合強(qiáng)度B.陽(yáng)離子半徑與配位數(shù)C.電子結(jié)構(gòu)D.離子遷移率5.設(shè)計(jì)鋰空氣電池的催化劑時(shí)，為了提高其催化活性，通常需要構(gòu)建具有特定電子結(jié)構(gòu)的材料，例如通過(guò)引入缺陷或進(jìn)行貴金屬摻雜，其主要目的是：A.增大電極比表面積B.降低反應(yīng)過(guò)程中的能壘C.改善電解液的浸潤(rùn)性D.提高材料的機(jī)械強(qiáng)度6.在分子設(shè)計(jì)中，利用密度泛函理論（DFT）計(jì)算材料電子結(jié)構(gòu)，其主要目的是：A.預(yù)測(cè)材料的宏觀力學(xué)性能B.確定材料的最佳合成路線C.計(jì)算材料與電解質(zhì)之間的相互作用能D.評(píng)估材料的成本效益7.設(shè)計(jì)高倍率性能的電池電極材料，分子/結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上需要克服的主要挑戰(zhàn)是：A.快速離子擴(kuò)散通道的構(gòu)建B.材料的高離子理論容量C.材料的化學(xué)穩(wěn)定性D.材料的電子導(dǎo)電性8.功能化隔膜的設(shè)計(jì)目標(biāo)之一是阻止鋰枝晶穿透，同時(shí)允許鋰離子通過(guò)。分子設(shè)計(jì)中可能采用的策略包括：A.引入親鋰基團(tuán)或親電解液基團(tuán)B.構(gòu)建具有特定孔徑和化學(xué)性質(zhì)的聚合物骨架C.提高隔膜的機(jī)械強(qiáng)度D.降低隔膜的透氣性9.對(duì)于燃料電池中的電催化劑，分子設(shè)計(jì)追求的目標(biāo)不包括：A.高選擇性地催化目標(biāo)反應(yīng)B.極低的反應(yīng)過(guò)電位C.完全的化學(xué)惰性D.良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性10.將機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能方法應(yīng)用于分子設(shè)計(jì)，以加速新型電池材料的發(fā)現(xiàn)，其核心優(yōu)勢(shì)在于：A.直接合成目標(biāo)分子B.自動(dòng)完成材料的實(shí)驗(yàn)表征C.基于大量數(shù)據(jù)建立構(gòu)效關(guān)系模型，預(yù)測(cè)材料性能D.無(wú)需任何實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將正確答案填在題后的橫線上）1.分子設(shè)計(jì)在新型電池研發(fā)中，旨在通過(guò)調(diào)控材料的______、______等，實(shí)現(xiàn)電池性能的提升。2.鋰離子電池正極材料的容量通常與其單位晶胞中可脫嵌的______數(shù)量直接相關(guān)。3.鋰空氣電池的主要挑戰(zhàn)之一是氧氣在電極表面的______和______動(dòng)力學(xué)緩慢。4.設(shè)計(jì)用于固態(tài)電解質(zhì)的材料時(shí)，需要關(guān)注其離子電導(dǎo)率（包括電子電導(dǎo)率）和______。5.為了提高鈉離子電池正極材料的循環(huán)穩(wěn)定性，分子設(shè)計(jì)上需要考慮抑制______和______。6.分子設(shè)計(jì)中，利用高通量計(jì)算篩選大量候選分子時(shí)，需要建立可靠的______模型來(lái)評(píng)估分子性能。7.設(shè)計(jì)鋰硫電池正極材料時(shí)，除了關(guān)注高容量，還需要解決多硫化物的______和______問(wèn)題。8.分子設(shè)計(jì)思想不僅應(yīng)用于電極材料，也應(yīng)用于______的設(shè)計(jì)，以優(yōu)化電池整體性能。9.表面官能團(tuán)的設(shè)計(jì)是調(diào)控材料與電解質(zhì)______的關(guān)鍵手段之一。10.評(píng)估一個(gè)分子設(shè)計(jì)方案優(yōu)劣時(shí)，除了考慮電化學(xué)性能，還需綜合評(píng)價(jià)其______、______和______。三、簡(jiǎn)答題（每小題5分，共15分）1.簡(jiǎn)述分子設(shè)計(jì)在解決鋰離子電池“樹(shù)突”生長(zhǎng)問(wèn)題上的一個(gè)潛在思路。2.比較鋰離子電池中液體電解質(zhì)和固體電解質(zhì)的分子設(shè)計(jì)關(guān)注點(diǎn)的異同。3.簡(jiǎn)述理性設(shè)計(jì)在新型電池材料開(kāi)發(fā)中的基本步驟。四、論述題（每小題10分，共20分）1.論述分子尺度結(jié)構(gòu)（如原子排列、缺陷、官能團(tuán)）對(duì)鋰離子電池電極材料倍率性能的影響機(jī)制，并結(jié)合具體實(shí)例說(shuō)明。2.針對(duì)當(dāng)前鋰資源短缺的問(wèn)題，從分子設(shè)計(jì)角度探討開(kāi)發(fā)高性能鈉離子電池替代部分鋰離子電池的可行性與面臨的挑戰(zhàn)。---試卷答案一、選擇題1.C*解析思路：SEI膜的形成主要與電解液成分及電極表面相互作用有關(guān)，屬于界面化學(xué)范疇，不是分子設(shè)計(jì)直接調(diào)控的核心參數(shù)。A涉及材料基本屬性；B是材料穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵；D是材料形貌設(shè)計(jì)的一部分。2.C*解析思路：設(shè)計(jì)固態(tài)電解質(zhì)通過(guò)引入特定官能團(tuán)或構(gòu)建孔道結(jié)構(gòu)，旨在形成化學(xué)鍵或物理吸附位點(diǎn)來(lái)捕獲溶解的多硫化物，抑制其遷移。A、B、D都是電池性能相關(guān)因素，但不是該策略的直接目的。3.D*解析思路：電催化劑的設(shè)計(jì)核心是提高本征活性和穩(wěn)定性（A、B），選擇合適的載體以匹配電子結(jié)構(gòu)（C），并考慮成本（D）。成本是重要考量，但不是設(shè)計(jì)本身需要調(diào)控的核心要素。4.B*解析思路：鈉離子半徑大于鋰離子，設(shè)計(jì)正極需考慮晶體結(jié)構(gòu)能否提供足夠大的空位讓鈉離子嵌入和脫出，即陽(yáng)離子半徑與配位數(shù)需匹配。A、C、D也是重要因素，但匹配尺寸是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。5.B*解析思路：催化劑的作用是降低反應(yīng)活化能。通過(guò)構(gòu)建特定電子結(jié)構(gòu)（如缺陷、摻雜）可以改變材料的吸附能和電子態(tài)密度，從而降低ORR過(guò)程中的能壘，提高活性。A、C、D是相關(guān)因素，但不是構(gòu)建電子結(jié)構(gòu)的主要目的。6.C*解析思路：DFT計(jì)算主要用于研究材料的電子結(jié)構(gòu)、原子間相互作用、態(tài)密度等，這些信息對(duì)于理解材料與電解質(zhì)（離子、溶劑分子）之間的相互作用能至關(guān)重要，進(jìn)而指導(dǎo)電極/電解質(zhì)界面的分子設(shè)計(jì)。A、B、D不是DFT的主要應(yīng)用范圍。7.A*解析思路：高倍率性能要求鋰離子能夠快速嵌入/脫出材料內(nèi)部。主要挑戰(zhàn)在于材料內(nèi)部是否存在快速、通暢的離子擴(kuò)散通道。B、C、D也是性能相關(guān)因素，但阻礙離子快速遷移是高倍率下的核心瓶頸。8.B*解析思路：功能化隔膜通過(guò)在聚合物骨架上引入特定基團(tuán)或調(diào)控孔結(jié)構(gòu)，旨在創(chuàng)建物理屏障阻止枝晶穿透，同時(shí)保持離子傳導(dǎo)通路。A是電解質(zhì)選擇問(wèn)題；C、D是材料本身屬性，不是設(shè)計(jì)策略。9.C*解析思路：催化劑需要與反應(yīng)物發(fā)生作用，因此不可能具有完全的化學(xué)惰性。設(shè)計(jì)追求的是高選擇性、低過(guò)電位、高穩(wěn)定性。C選項(xiàng)與催化劑的基本功能相悖。10.C*解析思路：AI在分子設(shè)計(jì)中的應(yīng)用主要是通過(guò)分析大量已知材料數(shù)據(jù)，建立預(yù)測(cè)模型（構(gòu)效關(guān)系），快速篩選出具有目標(biāo)性能的候選分子。A、B、D是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的手段或結(jié)果，但核心優(yōu)勢(shì)在于基于數(shù)據(jù)的模型預(yù)測(cè)能力。二、填空題1.化學(xué)組成，空間結(jié)構(gòu)/構(gòu)型*解析思路：分子設(shè)計(jì)的核心是改變分子的“是什么”（化學(xué)組成）和“長(zhǎng)什么樣”（空間結(jié)構(gòu)）。2.鋰離子*解析思路：正極容量源于單位時(shí)間內(nèi)能夠脫嵌的鋰離子數(shù)量。3.還原，氧化*解析思路：鋰空氣電池涉及Li+還原和O2氧化兩個(gè)半反應(yīng)，兩者動(dòng)力學(xué)緩慢是主要瓶頸。4.化學(xué)穩(wěn)定性/熱穩(wěn)定性*解析思路：固態(tài)電解質(zhì)需要在高溫和電化學(xué)循環(huán)中保持穩(wěn)定，不與電極或其他組分發(fā)生反應(yīng)。5.離子混排，體積膨脹*解析思路：鈉離子半徑較大，脫嵌時(shí)易導(dǎo)致層狀或框架結(jié)構(gòu)發(fā)生離子混排和較大的體積變化，破壞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。6.構(gòu)效關(guān)系*解析思路：高通量篩選依賴于已建立的模型來(lái)預(yù)測(cè)分子的性能（構(gòu)效關(guān)系）。7.遷移，穿梭*解析思路：多硫化物在電解液中溶解遷移，并可能穿過(guò)隔膜或SEI膜，影響電池性能。8.電解質(zhì)*解析思路：電解質(zhì)是電池的關(guān)鍵組分，其設(shè)計(jì)（如離子導(dǎo)體類型、溶劑、添加劑）直接影響電池性能。9.相互作用*解析思路：官能團(tuán)可以調(diào)控材料與電解液離子、溶劑分子之間的物理化學(xué)相互作用，影響離子傳輸、界面穩(wěn)定性等。10.合理性，可行性，成本效益*解析思路：一個(gè)設(shè)計(jì)方案不僅性能要好（合理性），還要能夠?qū)崿F(xiàn)（可行性），并且經(jīng)濟(jì)上可行（成本效益）。三、簡(jiǎn)答題1.簡(jiǎn)述分子設(shè)計(jì)在解決鋰離子電池“樹(shù)突”生長(zhǎng)問(wèn)題上的一個(gè)潛在思路。*解析思路：答案應(yīng)圍繞調(diào)控SEI膜展開(kāi)。例如：設(shè)計(jì)分子結(jié)構(gòu)中含有特定官能團(tuán)（如含氟、含氮、含氧官能團(tuán)）的電解液添加劑，這些添加劑能與鋰金屬表面或溶劑分子反應(yīng)，形成更穩(wěn)定、更致密、離子選擇性更高、且對(duì)鋰離子具有良好導(dǎo)電性的SEI膜。這樣的膜能有效阻擋鋰離子和金屬鋰枝晶的穿透，同時(shí)允許電解液離子通過(guò)。2.比較鋰離子電池中液體電解質(zhì)和固體電解質(zhì)的分子設(shè)計(jì)關(guān)注點(diǎn)的異同。*解析思路：答案應(yīng)指出相同點(diǎn)（均需考慮離子傳輸、界面相互作用）和不同點(diǎn)。相同點(diǎn)：都需要設(shè)計(jì)有利于鋰離子快速傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)（液體電解質(zhì)關(guān)注溶劑化能和離子對(duì)，固體電解質(zhì)關(guān)注晶格缺陷和離子擴(kuò)散通道），并需要考慮與電極材料的相容性以及形成穩(wěn)定、功能的SEI膜（雖然固體電解質(zhì)是固態(tài)，但也存在類似問(wèn)題，如界面阻抗）。不同點(diǎn)：液體電解質(zhì)設(shè)計(jì)側(cè)重于溶劑、鋰鹽選擇及添加劑（影響粘度、電導(dǎo)率、SEI膜），固體電解質(zhì)設(shè)計(jì)側(cè)重于晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（離子半徑配位）、缺陷工程、化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度、界面相容性等。3.簡(jiǎn)述理性設(shè)計(jì)在新型電池材料開(kāi)發(fā)中的基本步驟。*解析思路：答案應(yīng)描述一個(gè)邏輯清晰的設(shè)計(jì)流程。例如：首先，確定電池工作原理和所需性能目標(biāo)；然后，基于基礎(chǔ)物理化學(xué)原理（如能帶理論、化學(xué)鍵理論、相結(jié)構(gòu)理論），分析影響目標(biāo)性能的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)因素（如組成、價(jià)電子結(jié)構(gòu)、晶格畸變、缺陷類型）；接著，設(shè)計(jì)具有預(yù)期結(jié)構(gòu)和性能的候選分子/材料結(jié)構(gòu)；之后，通過(guò)理論計(jì)算或?qū)嶒?yàn)合成驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性和性能；最后，根據(jù)結(jié)果反饋，迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。四、論述題1.論述分子尺度結(jié)構(gòu)（如原子排列、缺陷、官能團(tuán)）對(duì)鋰離子電池電極材料倍率性能的影響機(jī)制，并結(jié)合具體實(shí)例說(shuō)明。*解析思路：答案應(yīng)從離子在電極材料中傳輸?shù)穆窂胶妥枇嵌确治?。首先，離子進(jìn)入/脫離材料需要穿過(guò)固體相，這個(gè)過(guò)程的速度決定了倍率性能。原子排列的周期性結(jié)構(gòu)可能限制離子遷移通道。缺陷（如空位、位錯(cuò)、晶界）可以提供額外的快速通道，降低離子遷移的激活能，從而提高倍率性能。官能團(tuán)的設(shè)計(jì)可以調(diào)控離子在材料表面的吸附能和擴(kuò)散能壘，例如引入能與鋰離子形成強(qiáng)配位但擴(kuò)散能壘較低的位點(diǎn)，或修飾表面以促進(jìn)離子快速交換。實(shí)例：層狀氧化物正極（如LiFePO4），其本征離子擴(kuò)散較慢，倍率性能差。通過(guò)摻雜（如A位摻雜鈷離子降低對(duì)稱性，促進(jìn)氧空位形成）或表面包覆（如碳包覆增大比表面積、縮短擴(kuò)散路徑）來(lái)引入缺陷或改變表面結(jié)構(gòu)，可以有效提高其倍率性能。2.針對(duì)當(dāng)前鋰資源短缺的問(wèn)題，從分子設(shè)計(jì)角度探討開(kāi)發(fā)高性能鈉離子電池替代部分鋰離子電池的可行性與面臨的挑戰(zhàn)。*解析思路：答案應(yīng)先肯定可行性，再分析挑戰(zhàn)。可行性：鈉資源豐富且分布廣泛，開(kāi)發(fā)鈉離子電池具有資源優(yōu)勢(shì)。分子設(shè)計(jì)可以從以下幾個(gè)方面著手：設(shè)計(jì)具有與鈉離子尺寸匹配且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的電極材料（如層狀、棱柱狀、雜化結(jié)構(gòu)），通過(guò)理論計(jì)