2025年大學(xué)《能源化學(xué)》專業(yè)題庫——鋰硫電池用功能材料的合成與設(shè)計考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡答題1.簡述鋰硫電池相較于傳統(tǒng)鋰離子電池的主要優(yōu)勢和劣勢。2.簡述鋰硫電池中穿梭效應(yīng)的主要表現(xiàn)及其對電池性能的影響。3.比較水熱法和溶劑熱法在合成鋰硫電池正極材料時的優(yōu)缺點。4.闡述多孔碳材料在作為鋰硫電池正極材料或復(fù)合正極材料中的作用。5.解釋為何在鋰硫電池中需要使用固態(tài)電解質(zhì)或凝膠聚合物電解質(zhì)替代傳統(tǒng)液態(tài)電解液。6.描述鋰金屬負極在鋰硫電池中面臨的主要挑戰(zhàn)，并至少提出三種應(yīng)對策略。7.說明在鋰硫電池中，隔膜除了需要具備基本的離子透過和電子絕緣性能外，還應(yīng)具備哪些重要特性？8.闡述“結(jié)構(gòu)-性能”關(guān)系在鋰硫電池正極材料設(shè)計中的重要性，并舉例說明如何通過調(diào)控材料結(jié)構(gòu)來提升其性能。9.提出至少三種不同的策略來抑制鋰硫電池中的多硫化物穿梭效應(yīng)。10.設(shè)想一種新型鋰硫電池功能材料的合成路線，并說明其設(shè)計思路及預(yù)期性能。二、論述題1.深入分析鋰硫電池正極材料在提高理論容量和長循環(huán)穩(wěn)定性方面存在的矛盾，并探討可能的解決方案。2.結(jié)合當(dāng)前研究進展，論述鋰硫電池負極材料從鋰金屬向其他材料（如硅基材料）發(fā)展的必要性和面臨的挑戰(zhàn)。3.探討電解液添加劑在調(diào)控鋰硫電池充放電行為、抑制副反應(yīng)以及提升電池安全性能方面的作用機制。4.論述多功能復(fù)合材料的設(shè)計理念在提升鋰硫電池整體性能中的應(yīng)用前景和面臨的挑戰(zhàn)。試卷答案一、簡答題1.答案：優(yōu)勢：理論容量高（可達1675mAh/g），原材料豐富且價格低廉，環(huán)境友好。劣勢：循環(huán)壽命短（多硫化物穿梭效應(yīng)和體積膨脹），倍率性能差，安全性問題（易形成鋰金屬枝晶）。解析思路：此題考察對鋰硫電池基本特性的理解。需從能量密度、資源、環(huán)保和實際應(yīng)用中的主要障礙兩方面進行對比闡述。2.答案：主要表現(xiàn)：多硫化物（Li2S/Li2Sx）在充放電過程中溶解到電解液中，并在正負極之間遷移。影響：導(dǎo)致電池容量衰減、循環(huán)穩(wěn)定性差，并可能干擾正常的充放電反應(yīng)。解析思路：此題考察對穿梭效應(yīng)概念及其后果的認識。需明確穿梭物種、遷移路徑，并說明其對電池關(guān)鍵性能（容量、循環(huán)）的具體負面影響。3.答案：水熱法優(yōu)點：可在相對溫和的條件下合成，產(chǎn)物純度高，易于控制微觀結(jié)構(gòu)。缺點：反應(yīng)時間較長，設(shè)備要求較高。溶劑熱法優(yōu)點：適用范圍廣，可合成種類更多樣，操作相對靈活。缺點：部分溶劑可能具有毒性或易燃性，殘留可能影響材料性能。解析思路：此題考察對兩種重要合成方法的比較。需分別列出各自的主要優(yōu)缺點，并說明原因。4.答案：作用：提供高電子導(dǎo)電性網(wǎng)絡(luò)，捕獲溶解的多硫化物，緩解正極材料在充放電過程中的體積膨脹，促進鋰離子傳輸。解析思路：此題考察多孔碳在鋰硫電池中的應(yīng)用機理。需從電子、離子傳輸以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定化等多個角度闡述其功能。5.答案：傳統(tǒng)液態(tài)電解液易發(fā)生多硫化物穿梭效應(yīng)，且易燃，安全性差。固態(tài)或凝膠聚合物電解質(zhì)能有效阻止多硫化物遷移，提高電池循環(huán)壽命和安全性，部分固態(tài)電解質(zhì)還可提高離子電導(dǎo)率。解析思路：此題考察對電解液選擇原因的理解。需對比液態(tài)電解液的缺點（穿梭、安全）與固態(tài)/凝膠電解液的優(yōu)勢。6.答案：主要挑戰(zhàn)：鋰金屬易形成鋰枝晶導(dǎo)致電池短路，循環(huán)過程中體積變化大導(dǎo)致界面不穩(wěn)定，表面副反應(yīng)（如與電解液反應(yīng)形成SEI膜，消耗鋰金屬）。應(yīng)對策略：使用鋰金屬表面改性劑（如電解液添加劑、固態(tài)電解質(zhì)界面層SEI），開發(fā)人工SEI膜，構(gòu)建多孔集流體約束鋰金屬生長，研究固態(tài)電解質(zhì)。解析思路：此題考察對鋰金屬負極問題的認識和解決方案。需列出主要問題，并對應(yīng)提出幾種主流的應(yīng)對技術(shù)方向。7.答案：高離子透過率（確保鋰離子順利通過），高電子絕緣性（防止短路），良好的機械強度（承受充放電循環(huán)壓力），化學(xué)穩(wěn)定性好（不與電解液反應(yīng)），較大的比表面積（利于吸附多硫化物或提供反應(yīng)位點）。解析思路：此題考察對隔膜性能要求的理解。除了基本要求外，需結(jié)合鋰硫電池特點，提出更高的性能要求，如抗穿梭能力。8.答案：重要性：材料的結(jié)構(gòu)（如晶相、形貌、孔隙、化學(xué)組成）直接決定了其電子導(dǎo)電性、離子擴散速率、與鋰離子的結(jié)合能、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等，這些因素共同影響著電池的容量、倍率性能和循環(huán)壽命。例如，通過調(diào)控納米結(jié)構(gòu)可以增大接觸面積，提高反應(yīng)動力學(xué)；通過引入孔隙可以緩沖體積變化并利于傳質(zhì)。解析思路：此題考察“結(jié)構(gòu)-性能”關(guān)系在材料科學(xué)中的基本概念，并要求結(jié)合鋰硫電池具體實例說明。9.答案：（1）正極材料結(jié)構(gòu)設(shè)計：如引入孔隙、構(gòu)建導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)、形成離子通道，限制多硫化物溶解和遷移；（2）電解液設(shè)計：添加絡(luò)合劑穩(wěn)定多硫化物，或開發(fā)能選擇性透過鋰離子的膜；（3）構(gòu)建復(fù)合電極：將正極材料與導(dǎo)電劑、捕硫劑（如碳材料）復(fù)合，限制多硫化物遷移。解析思路：此題考察抑制穿梭效應(yīng)的多種策略。需從正極材料、電解液、電極結(jié)構(gòu)設(shè)計等不同層面提出解決方案。10.答案：示例路線：采用水熱法合成具有高比表面積和豐富孔隙的氮摻雜碳納米籠，將其作為載體，負載硫化亞鐵（FeS2）納米顆粒。設(shè)計思路：利用碳納米籠的高表面積和導(dǎo)電性提供電子通路，抑制體積膨脹；氮摻雜可進一步增強對多硫化物的捕獲能力；FeS2可作為輔助正極材料提供部分容量并可能參與電荷轉(zhuǎn)移促進Li2S生成。預(yù)期性能：提高放電容量、延長循環(huán)壽命、改善倍率性能。解析思路：此題考察材料設(shè)計能力。需設(shè)計一個具體的、有合理依據(jù)的合成路線，并闡述其設(shè)計原理和預(yù)期效果，體現(xiàn)創(chuàng)新性。二、論述題1.答案：矛盾：高理論容量要求材料具有高溶解度或長鏈結(jié)構(gòu)，但這往往伴隨著較差的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和易穿梭，導(dǎo)致循環(huán)壽命低；而追求長循環(huán)穩(wěn)定性則需要材料結(jié)構(gòu)規(guī)整、穩(wěn)定性高，但這又可能限制了其理論容量潛力或溶解性。解決方案：開發(fā)具有“海綿狀”結(jié)構(gòu)的多孔材料，既能容納體積變化，又能限制多硫化物遷移；設(shè)計具有特定晶相和化學(xué)組成的材料，平衡溶解度與穩(wěn)定性；構(gòu)建多級復(fù)合正極，結(jié)合不同材料的優(yōu)勢；利用固態(tài)電解質(zhì)或界面層抑制副反應(yīng)和枝晶生長。解析思路：此題要求深入分析容量與循環(huán)性的矛盾，需先指出矛盾點，然后從材料結(jié)構(gòu)設(shè)計、化學(xué)組成調(diào)控、復(fù)合策略、界面工程等多個角度提出解決思路。2.答案：必要性：鋰金屬負極存在上述挑戰(zhàn)，限制了鋰硫電池的商業(yè)化應(yīng)用。硅基材料具有極高的理論容量（1100-4200mAh/g）和較低的資源成本，是理想的下一代負極材料。面臨的挑戰(zhàn)：硅在鋰化/脫鋰過程中巨大的體積膨脹（可達300-400%），導(dǎo)致粉化、與集流體脫離；較低的循環(huán)穩(wěn)定性；較差的電導(dǎo)率；鋰離子嵌入/脫出動力學(xué)緩慢?？朔魬?zhàn)的方向：開發(fā)硅基合金材料（如Si-C合金），利用納米結(jié)構(gòu)（如納米線、納米片）緩解體積變化，構(gòu)建柔性集流體和導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，開發(fā)新型電解液添加劑或固態(tài)電解質(zhì)。解析思路：此題要求結(jié)合發(fā)展趨勢和實際困難進行論述。需說明為何要轉(zhuǎn)向硅基材料，分析其面臨的主要科學(xué)問題，并提出可能的解決方案方向。3.答案：作用機制：電解液添加劑（如聚合物類、含N/S/O雜環(huán)化合物）可以通過與多硫化物形成絡(luò)合物，降低其在電解液中的溶解度，從而抑制其遷移。它們還可以在電極表面修飾SEI膜，使其更具選擇性，只允許鋰離子通過，有效阻擋多硫化物。凝膠聚合物電解質(zhì)則通過物理屏障作用，限制多硫化物的擴散，并提供一定的機械強度和安全性。解析思路：此題要求闡述添加劑的作用機制。需從化學(xué)吸附/絡(luò)合、物理屏障、SEI膜改性等多個角度解釋添加劑如何影響穿梭效應(yīng)。4.答案：應(yīng)用前景：多功能復(fù)合材料通過將不同功能組分（如導(dǎo)電劑、離子導(dǎo)體、捕硫劑、緩沖材料等）在納米或微米尺度上復(fù)合，可以實現(xiàn)優(yōu)勢互補，協(xié)同提升電池性能。例如，將正極材料與導(dǎo)電網(wǎng)