2025年大學(xué)《能源化學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——新能源材料在能源化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、名詞解釋（每題3分，共15分）1.新能源材料2.太陽(yáng)能電池3.鋰離子電池4.燃料電池5.光催化二、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述太陽(yáng)能電池將光能轉(zhuǎn)化為電能的基本過(guò)程。2.鋰離子電池正極材料通常需要具備哪些關(guān)鍵性能？3.與傳統(tǒng)的氫燃料電池相比，固體氧化物燃料電池（SOFC）的主要特點(diǎn)是什么？4.影響儲(chǔ)能材料應(yīng)用性能的主要因素有哪些？三、論述題（每題10分，共30分）1.比較硅基太陽(yáng)能電池和鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在工作原理、材料特性、優(yōu)缺點(diǎn)及發(fā)展前景方面的主要異同。2.闡述鋰離子電池中，正負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)與其電化學(xué)性能（如容量、電壓、循環(huán)壽命、倍率性能）之間的關(guān)系。3.探討當(dāng)前新能源材料領(lǐng)域面臨的主要挑戰(zhàn)，并選擇其中一項(xiàng)挑戰(zhàn)進(jìn)行深入分析，提出可能的解決方案或研究方向。試卷答案一、名詞解釋1.新能源材料：指能夠直接將其他形式的能源轉(zhuǎn)化為電能或化學(xué)能，或用于高效儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)換、利用能源的一類功能材料，主要包括太陽(yáng)能電池材料、鋰離子電池材料、燃料電池材料、儲(chǔ)能材料、熱電材料、光催化材料等。**解析思路：*定義要抓住“能源轉(zhuǎn)化/儲(chǔ)存/利用”和“功能材料”兩個(gè)核心點(diǎn)，并列舉主要類別以示區(qū)分。2.太陽(yáng)能電池：也稱光伏電池，是一種直接將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，其核心部件是半導(dǎo)體光伏材料。**解析思路：*定義要突出“光能到電能”的轉(zhuǎn)化特性和核心部件“半導(dǎo)體材料”。3.鋰離子電池：一種通過(guò)鋰離子在正負(fù)極材料之間可逆脫嵌來(lái)實(shí)現(xiàn)電能儲(chǔ)存和釋放的化學(xué)電池，其電壓平臺(tái)較高，能量密度較大。**解析思路：*定義要強(qiáng)調(diào)“鋰離子可逆脫嵌”、“電能儲(chǔ)存釋放”以及其典型性能“高電壓平臺(tái)、高能量密度”。4.燃料電池：一種將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，通過(guò)燃料與氧化劑的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電流，通常不伴隨燃燒過(guò)程。**解析思路：*定義要抓住“化學(xué)能到電能”、“電化學(xué)反應(yīng)”以及與“燃燒”的區(qū)別。5.光催化：指利用半導(dǎo)體材料在光照作用下，激發(fā)產(chǎn)生強(qiáng)氧化還原性的自由基或載流子，從而引發(fā)或加速化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程，可用于分解水制氫、降解有機(jī)污染物等。**解析思路：*定義要包含“半導(dǎo)體”、“光照激發(fā)”、“強(qiáng)氧化還原性”、“引發(fā)或加速反應(yīng)”等關(guān)鍵要素，并可舉例。二、簡(jiǎn)答題1.簡(jiǎn)述太陽(yáng)能電池將光能轉(zhuǎn)化為電能的基本過(guò)程。**答案：*太陽(yáng)能電池的核心是半導(dǎo)體光伏材料。當(dāng)太陽(yáng)光照射到半導(dǎo)體材料上時(shí)，光子攜帶的能量被半導(dǎo)體中的電子吸收。如果光子能量足夠大，能克服材料的禁帶寬度，就會(huì)激發(fā)電子躍遷到導(dǎo)帶，同時(shí)產(chǎn)生空穴，形成電子-空穴對(duì)。這些載流子受到材料內(nèi)建電場(chǎng)的作用，分別向P區(qū)和N區(qū)移動(dòng)，從而在電池兩端形成電勢(shì)差。當(dāng)外部電路連接時(shí)，電子通過(guò)外電路從N區(qū)流向P區(qū)，形成電流，實(shí)現(xiàn)光能到電能的轉(zhuǎn)化。**解析思路：*闡述需要包含：光子能量吸收、電子-空穴對(duì)產(chǎn)生、載流子分離（內(nèi)建電場(chǎng)作用）、形成電勢(shì)差、外電路接通形成電流這幾個(gè)關(guān)鍵步驟。2.鋰離子電池正極材料通常需要具備哪些關(guān)鍵性能？**答案：*鋰離子電池正極材料的關(guān)鍵性能通常包括：具有合適的放電電壓平臺(tái)（決定電池電壓）；較高的理論容量（決定能量密度）；良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性（在充放電過(guò)程中能保持晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，避免粉化）；較低且可逆的脫鋰電位（減少副反應(yīng)，提高循環(huán)壽命）；良好的電子電導(dǎo)率和離子電導(dǎo)率（確保充放電效率和倍率性能）；較小的體積膨脹（維持結(jié)構(gòu)完整性）；成本適中且環(huán)境友好。**解析思路：*回答應(yīng)涵蓋電壓、容量、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、電位、電導(dǎo)率、體積變化、成本等多個(gè)影響電池性能的核心因素。3.與傳統(tǒng)的氫燃料電池相比，固體氧化物燃料電池（SOFC）的主要特點(diǎn)是什么？**答案：*SOFC的主要特點(diǎn)包括：工作溫度高（通常600-1000°C）；直接利用多種燃料（如氫氣、天然氣、甲醇等）發(fā)電，無(wú)需先進(jìn)行燃料重整；能量轉(zhuǎn)換效率高（可達(dá)60%以上，甚至更高）；結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單（無(wú)電解質(zhì)膜）；對(duì)燃料純度要求較低；但啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)材料在高溫下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性、耐腐蝕性要求高。**解析思路：*比較要點(diǎn)應(yīng)突出SOFC在溫度、燃料靈活性、效率、結(jié)構(gòu)、啟動(dòng)性能以及對(duì)材料要求等方面的獨(dú)特之處。4.影響儲(chǔ)能材料應(yīng)用性能的主要因素有哪些？**答案：*影響儲(chǔ)能材料應(yīng)用性能的主要因素包括：能量密度（單位質(zhì)量或體積儲(chǔ)存的能量）；功率密度（材料充放電的速率）；循環(huán)壽命（材料在多次充放電后性能衰減的程度）；安全性（如熱穩(wěn)定性、電解液安全性、防止過(guò)充過(guò)放）；成本（材料制備、加工、回收的成本）；環(huán)境友好性（制備、使用、廢棄過(guò)程中的環(huán)境影響）；以及材料的尺寸效應(yīng)、界面穩(wěn)定性等。**解析思路：*回答應(yīng)包含能量、功率、循環(huán)、安全、成本、環(huán)境等多個(gè)維度，這些是評(píng)價(jià)儲(chǔ)能器件和材料綜合性能的關(guān)鍵指標(biāo)。三、論述題1.比較硅基太陽(yáng)能電池和鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在工作原理、材料特性、優(yōu)缺點(diǎn)及發(fā)展前景方面的主要異同。**答案：*工作原理上，兩者都是利用半導(dǎo)體材料的光生伏特效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)化為電能。硅基電池利用硅原子帶隙吸收太陽(yáng)光產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，而鈣鈦礦電池利用鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料的帶隙吸收光能產(chǎn)生載流子。*材料特性方面，傳統(tǒng)硅基主要是單晶硅、多晶硅或非晶硅，具有成熟的制備工藝，禁帶寬度約為1.1eV，對(duì)可見(jiàn)光利用率較高，但長(zhǎng)波紅外光吸收弱。鈣鈦礦材料（通常為ABX?型）具有可調(diào)的帶隙（通常在1.5eV附近），吸收光譜覆蓋整個(gè)太陽(yáng)光譜，材料制備方法多樣（如溶液法、氣相沉積法），有望實(shí)現(xiàn)更高效率。*優(yōu)缺點(diǎn)方面，硅基電池優(yōu)點(diǎn)是效率高（單晶硅電池可達(dá)25%以上）、壽命長(zhǎng)（可達(dá)20-25年）、穩(wěn)定性好、技術(shù)成熟、已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化。缺點(diǎn)是材料成本相對(duì)較高（尤其是單晶硅）、制造工藝復(fù)雜、能量轉(zhuǎn)換效率提升空間相對(duì)有限。鈣鈦礦優(yōu)點(diǎn)是光電轉(zhuǎn)換效率發(fā)展迅速（實(shí)驗(yàn)室效率已超過(guò)29%）、材料成本低、制備工藝簡(jiǎn)單快速、柔性可彎曲性好。缺點(diǎn)是穩(wěn)定性相對(duì)較差（對(duì)濕氣、光照、熱穩(wěn)定性不如硅）、大面積制備均勻性控制有挑戰(zhàn)、部分材料含有鉛元素存在環(huán)保問(wèn)題。*發(fā)展前景方面，硅基電池仍將是光伏市場(chǎng)的主流，通過(guò)PERC、TOPCon、HJT等技術(shù)路線持續(xù)提升效率和降低成本。鈣鈦礦電池被視為極具潛力的下一代光伏技術(shù)，其發(fā)展前景廣闊，尤其在與硅基電池形成異質(zhì)結(jié)（如鈣鈦礦/硅疊層電池）時(shí)，有望突破單結(jié)電池的光電轉(zhuǎn)換效率極限，但大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用尚需克服穩(wěn)定性、壽命和產(chǎn)業(yè)化等挑戰(zhàn)。**解析思路：*論述需系統(tǒng)比較兩者的原理基礎(chǔ)、材料本身（帶隙、制備）、各自的優(yōu)勢(shì)劣勢(shì)（效率、成本、壽命、穩(wěn)定性、工藝、環(huán)保）以及未來(lái)的技術(shù)路線（單結(jié)vs疊層）和市場(chǎng)前景，邏輯清晰，要點(diǎn)全面。2.闡述鋰離子電池中，正負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)與其電化學(xué)性能（如容量、電壓、循環(huán)壽命、倍率性能）之間的關(guān)系。**答案：*鋰離子電池的性能與正負(fù)極材料的晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)、離子擴(kuò)散路徑、比表面積等密切相關(guān)。*正極材料：容量主要取決于其單位摩爾物質(zhì)能提供的鋰離子數(shù)（脫嵌鋰的電壓平臺(tái)與容量直接相關(guān)）。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性決定循環(huán)壽命，如層狀氧化物（如LiCoO?）在脫鋰時(shí)層間氧原子易與鋰形成Li?O，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞和容量衰減。離子擴(kuò)散路徑的寬窄和能壘高低影響倍率性能和充電動(dòng)力學(xué)。例如，橄欖石結(jié)構(gòu)（如LiFePO?）的擴(kuò)散路徑較窄，倍率性能較差，但結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，循環(huán)壽命長(zhǎng)。尖晶石結(jié)構(gòu)（如LiMn?O?）具有較好的熱穩(wěn)定性和能量密度，但錳易發(fā)生歧化。層狀材料的層間距可調(diào)，影響離子嵌入/脫出行為和電壓平臺(tái)。*負(fù)極材料：傳統(tǒng)石墨負(fù)極具有層狀結(jié)構(gòu)，鋰離子在層間嵌入/脫出時(shí)，石墨結(jié)構(gòu)能保持穩(wěn)定，提供較高的嵌鋰電位（約0.1-0.3VvsLi/Li?）和較好的倍率性能。其理論容量有限（372mAh/g）。新型硅基負(fù)極材料具有巨大的理論容量（1100-4200mAh/g），但面臨巨大的體積膨脹（可達(dá)300-400%）導(dǎo)致結(jié)構(gòu)粉化、循環(huán)壽命差、首次庫(kù)侖效率低、鋰離子擴(kuò)散系數(shù)在嵌鋰后顯著降低等問(wèn)題。其結(jié)構(gòu)（如納米硅、硅合金）和表面改性是提升其性能的關(guān)鍵。**解析思路：*需分別論述正負(fù)極材料結(jié)構(gòu)對(duì)其關(guān)鍵性能（容量、電壓、循環(huán)壽命、倍率性能）的具體影響機(jī)制，結(jié)合具體材料類型（如層狀氧化物、尖晶石、石墨、硅基）進(jìn)行說(shuō)明，闡述結(jié)構(gòu)如何決定性能。3.探討當(dāng)前新能源材料領(lǐng)域面臨的主要挑戰(zhàn)，并選擇其中一項(xiàng)挑戰(zhàn)進(jìn)行深入分析，提出可能的解決方案或研究方向。**答案：*當(dāng)前新能源材料領(lǐng)域面臨的主要挑戰(zhàn)包括：能量密度與功率密度的平衡、循環(huán)壽命與穩(wěn)定性的保障、成本效益的提升、規(guī)?；苽涞碾y題、材料的全生命周期環(huán)境影響、以及新材料的長(zhǎng)期安全性等問(wèn)題。*選擇挑戰(zhàn)：以鋰離子電池的循環(huán)壽命和安全性為例進(jìn)行分析。*挑戰(zhàn)分析：鋰離子電池在循環(huán)過(guò)程中，正負(fù)極材料結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生不可逆變化，如層狀氧化物正極的層間氧分解、尖晶石正極的錳歧化、石墨負(fù)極的破碎和SEI膜的持續(xù)消耗，這些結(jié)構(gòu)破壞導(dǎo)致容量衰減和循環(huán)壽命縮短。同時(shí)，電池的安全性問(wèn)題是重大挑戰(zhàn)，過(guò)充、過(guò)放、高溫、外部短路等情況下可能引發(fā)熱失控，甚至爆炸，這主要與電解液的穩(wěn)定性、電極材料的穩(wěn)定性以及內(nèi)部產(chǎn)氣等因素有關(guān)。*解決方案/研究方向：*正極材料：開(kāi)發(fā)結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定的新型正極材料，如高電壓正極（如聚陰離子型材料）、富鋰材料、固溶體材料；通過(guò)結(jié)構(gòu)工程（如納米化、核殼結(jié)構(gòu)）和表面改性（如包覆、摻雜）來(lái)緩解循環(huán)過(guò)程中的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，抑制副反應(yīng)。*負(fù)極材料：開(kāi)發(fā)低膨脹、高穩(wěn)定性的新型負(fù)極材料，如硅基負(fù)極的納米化、固態(tài)化、合金化，以及采用先進(jìn)的表面處理技術(shù)（如表面涂層、電解液浸潤(rùn)）來(lái)穩(wěn)定SEI膜。*電解液：研發(fā)高安全性電解液，如固態(tài)電解質(zhì)（提高安全性、允許更高電壓）、水系電解液（成本低、環(huán)境友好，但電壓低、安全性仍需提高）、鋰金屬負(fù)極適配的電解液（如液態(tài)金屬電解液、固態(tài)電解液）。