2025年大學(xué)《能源化學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——電化學(xué)能源存儲(chǔ)技術(shù)的化學(xué)原理研究考試時(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)字母填在題后括號(hào)內(nèi)）1.在電化學(xué)儲(chǔ)能體系中，描述法拉第定律最準(zhǔn)確的表述是：A.電池輸出的總電量與通過(guò)電極的電子數(shù)成正比。B.電極電勢(shì)的高低決定了電池的輸出電壓。C.電解質(zhì)中離子的遷移數(shù)決定了電池的內(nèi)阻。D.電化學(xué)還原反應(yīng)必然伴隨著氧化反應(yīng)同時(shí)發(fā)生。2.對(duì)于可逆電化學(xué)反應(yīng)，下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是：A.理想可逆電池在充放電過(guò)程中，系統(tǒng)的吉布斯自由能變化等于電池可逆電做的電功。B.可逆電極過(guò)程是指電極與電解質(zhì)界面間的化學(xué)反應(yīng)能夠完全向正反兩個(gè)方向進(jìn)行。C.可逆電池的電動(dòng)勢(shì)E等于電池反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能變?chǔ)°除以反應(yīng)轉(zhuǎn)移的電子摩爾數(shù)F。D.實(shí)際電池充放電過(guò)程總是不可逆的，因此無(wú)法進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。3.在電化學(xué)極化現(xiàn)象中，下列術(shù)語(yǔ)定義正確的是：A.極化：電極電勢(shì)偏離平衡電勢(shì)的現(xiàn)象。B.過(guò)電勢(shì)：電極實(shí)際電勢(shì)高于平衡電勢(shì)的值。C.趨勢(shì)電勢(shì)：在電流密度為零時(shí)，電極與溶液界面間的電勢(shì)差。D.法拉第效率：理論消耗的電能與實(shí)際消耗的電能之比。4.鋰離子電池中，LiCoO?正極材料在放電過(guò)程中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)是：A.鈷的價(jià)態(tài)升高，鈷氧化物被還原。B.鋰離子從LiCoO?晶格中脫出，鈷的價(jià)態(tài)降低。C.氧的價(jià)態(tài)升高，發(fā)生氧化反應(yīng)。D.Co-O鍵斷裂，形成自由移動(dòng)的鋰離子。5.下列哪種儲(chǔ)能方式主要依靠電極表面快速、可逆的物理吸附/脫附過(guò)程實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能？A.鋰離子電池B.鉛酸電池C.雙電層超級(jí)電容器D.質(zhì)子交換膜燃料電池6.固態(tài)電解質(zhì)在鋰離子電池中主要起到的作用是：A.提供電子傳輸路徑。B.隔離正負(fù)極，防止短路。C.傳遞鋰離子，實(shí)現(xiàn)離子導(dǎo)電。D.儲(chǔ)存鋰離子。7.鈉離子電池相比于鋰離子電池，在材料選擇上面臨的主要化學(xué)挑戰(zhàn)之一是：A.鈉資源的稀缺性。B.鈉離子半徑較大，難以嵌入/脫出某些晶格結(jié)構(gòu)。C.鈉金屬的化學(xué)活性比鋰金屬更高，安全性較差。D.鈉離子電池的能量密度通常低于鋰離子電池。8.鋅離子電池面臨的主要化學(xué)障礙之一是鋅沉積/溶解過(guò)程中的：A.氧化還原電位過(guò)高。B.晶體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。C.易形成枝晶，導(dǎo)致短路和循環(huán)壽命降低。D.電解液容易分解。9.燃料電池中，質(zhì)子交換膜（PEM）的作用主要是：A.作為催化劑。B.選擇性地傳導(dǎo)質(zhì)子（H?），并隔離反應(yīng)氣體。C.作為電子導(dǎo)體。D.儲(chǔ)存反應(yīng)物氫氣。10.電化學(xué)阻抗譜（EIS）技術(shù)主要用于研究電化學(xué)儲(chǔ)能體系的：A.電極反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。B.電解液的離子電導(dǎo)率。C.電池的充放電倍率性能。D.材料的循環(huán)壽命衰減機(jī)制。二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在題后橫線上）1.電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)在充放電過(guò)程中，能量轉(zhuǎn)換的基本原理是______能和______能之間的相互轉(zhuǎn)換。2.描述電極/溶液界面電荷轉(zhuǎn)移速率的動(dòng)力學(xué)方程是______方程。3.理想可逆電極是指電極與電解質(zhì)溶液界面間的反應(yīng)______和______都能毫無(wú)阻礙地進(jìn)行。4.超級(jí)電容器的儲(chǔ)能機(jī)制主要分為_(kāi)_____儲(chǔ)能和______儲(chǔ)能兩種。5.在鋰離子電池中，能夠可逆地嵌入/脫出鋰離子的電極材料通常被稱為_(kāi)_____材料。6.影響電化學(xué)儲(chǔ)能體系循環(huán)壽命的主要化學(xué)因素包括電極材料的______、電解質(zhì)的______以及界面副反應(yīng)等。7.氧還原反應(yīng)（ORR）是燃料電池和金屬空氣電池中的關(guān)鍵電化學(xué)反應(yīng)，其產(chǎn)物可以是______或______。8.固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率主要取決于離子遷移數(shù)、______以及______等因素。9.鑒別不同晶體結(jié)構(gòu)或化學(xué)組成的電極材料，常用的物理表征方法是______和______。10.研究電極表面反應(yīng)機(jī)理時(shí)，除了電化學(xué)測(cè)試，______表征技術(shù)也發(fā)揮著重要作用，可以用來(lái)觀察反應(yīng)過(guò)程中的形貌和結(jié)構(gòu)變化。三、簡(jiǎn)答題（每小題5分，共15分）1.簡(jiǎn)述電化學(xué)極化現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，并說(shuō)明其與電池效率的關(guān)系。2.比較鋰離子電池和鈉離子電池在電極材料化學(xué)組成和工作原理上的主要異同點(diǎn)。3.闡述影響鋰離子電池循環(huán)壽命的主要化學(xué)因素，并提出至少兩種提高其循環(huán)壽命的化學(xué)思路。四、論述題（每小題10分，共20分）1.以鋰離子電池中的一種正極材料（如磷酸鐵鋰LiFePO?或鈷酸鋰LiCoO?）為例，詳細(xì)闡述其工作原理（充放電過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)、結(jié)構(gòu)變化），并分析其主要的化學(xué)優(yōu)勢(shì)和面臨的挑戰(zhàn)。2.結(jié)合電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的原理，論述提高電化學(xué)儲(chǔ)能體系（如電池或超級(jí)電容器）功率密度的化學(xué)途徑有哪些？請(qǐng)從電極材料、電解質(zhì)以及器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等角度進(jìn)行闡述。---試卷答案一、選擇題（每小題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)字母填在題后括號(hào)內(nèi)）1.A解析思路：法拉第定律的核心是電荷守恒，即通過(guò)電極的電量與發(fā)生反應(yīng)的物質(zhì)的量成正比，這直接關(guān)系到電池輸出的總電量。2.D解析思路：實(shí)際電池充放電過(guò)程中總存在一定的不可逆性（如過(guò)電勢(shì)、濃差極化、歐姆極化等），但并非完全不可逆。理想可逆電池是一個(gè)理論模型，實(shí)際中無(wú)法完全實(shí)現(xiàn)。3.A解析思路：極化的定義就是電極實(shí)際電勢(shì)偏離平衡電勢(shì)的現(xiàn)象，可以是正極化（實(shí)際電勢(shì)高于平衡電勢(shì)）或負(fù)極化（實(shí)際電勢(shì)低于平衡電勢(shì)）。4.B解析思路：鋰離子電池工作原理的核心是鋰離子在正負(fù)極材料晶格結(jié)構(gòu)中的可逆脫嵌/嵌入，伴隨著正負(fù)極材料化學(xué)組成的改變。5.C解析思路：雙電層超級(jí)電容器的儲(chǔ)能機(jī)制是基于電解質(zhì)離子在電極表面雙電層間的快速物理吸附和脫附，不涉及化學(xué)氧化還原反應(yīng)。6.C解析思路：固態(tài)電解質(zhì)的主要功能是在不使用液態(tài)電解質(zhì)的情況下，提供一個(gè)離子能夠從中傳輸?shù)耐ǖ溃瑢?shí)現(xiàn)鋰離子的傳導(dǎo)。7.B解析思路：鈉離子半徑（約1.02?）比鋰離子半徑（約0.76?）大，這使得鈉離子更難嵌入到一些原本適合鋰離子的狹小晶格中，限制了可用于鈉離子電池的高性能材料的選擇。8.C解析思路：鋅離子在沉積和溶解過(guò)程中容易形成不規(guī)則的枝晶結(jié)構(gòu)，這些枝晶會(huì)刺穿隔膜導(dǎo)致短路，是限制鋅離子電池商業(yè)化的關(guān)鍵化學(xué)問(wèn)題。9.B解析思路：質(zhì)子交換膜（PEM）在質(zhì)子交換膜燃料電池中扮演著關(guān)鍵角色，它允許質(zhì)子（H?）通過(guò)，同時(shí)阻止氫氣和氧氣混合，起到離子導(dǎo)體和反應(yīng)物隔離膜的作用。10.A解析思路：電化學(xué)阻抗譜（EIS）通過(guò)分析交流阻抗隨頻率的變化，可以解析出電池體系中的電荷轉(zhuǎn)移電阻、擴(kuò)散電阻、電解液電阻等，從而深入研究電極/界面反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程。二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在題后橫線上）1.化學(xué)；電解析思路：電化學(xué)儲(chǔ)能本質(zhì)上是利用化學(xué)反應(yīng)釋放的能量轉(zhuǎn)化為電能（充放電時(shí)則相反）。2.領(lǐng)特（Butler-Volmer）解析思路：Butler-Volmer方程是描述電極反應(yīng)速率與過(guò)電勢(shì)之間關(guān)系的經(jīng)典動(dòng)力學(xué)方程。3.正向；逆向解析思路：理想可逆電極要求正向和逆向電極反應(yīng)都能在熱力學(xué)上允許的條件下進(jìn)行，沒(méi)有能壘。4.雙電層；贗電容解析思路：超級(jí)電容器的儲(chǔ)能機(jī)制主要分為基于物理吸附的電雙層電容和基于快速表面化學(xué)反應(yīng)的贗電容。5.導(dǎo)鋰（Li-ionconducting）解析思路：能夠可逆嵌入脫出鋰離子的材料必須具備合適的晶體結(jié)構(gòu)，允許鋰離子進(jìn)入并占據(jù)晶格位點(diǎn)，因此常被稱為導(dǎo)鋰材料。6.穩(wěn)定性；穩(wěn)定性解析思路：電極材料在反復(fù)充放電過(guò)程中的化學(xué)穩(wěn)定性（結(jié)構(gòu)、組成）和電解質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性（不分解、不參與副反應(yīng)）是影響循環(huán)壽命的關(guān)鍵。7.水；氫氣解析思路：燃料電池中，ORR的產(chǎn)物取決于電解質(zhì)環(huán)境，在酸性或堿性介質(zhì)中，主要產(chǎn)物是水和氫氣（或氫氧根離子）。8.離子遷移率；離子濃度解析思路：離子電導(dǎo)率與能夠遷移的離子數(shù)量（遷移數(shù)）以及離子的濃度成正比。9.X射線衍射（XRD）；掃描電子顯微鏡（SEM）（或透射電子顯微鏡TEM）解析思路：XRD主要用于分析材料的晶體結(jié)構(gòu)和物相組成，SEM/TEM主要用于觀察材料的形貌和微觀結(jié)構(gòu)。10.原位（In-situ）解析思路：原位表征技術(shù)可以在接近實(shí)際工作條件或反應(yīng)進(jìn)行過(guò)程中對(duì)樣品進(jìn)行觀察，對(duì)于揭示動(dòng)態(tài)變化的化學(xué)過(guò)程和反應(yīng)機(jī)理至關(guān)重要。三、簡(jiǎn)答題（每小題5分，共15分）1.簡(jiǎn)述電化學(xué)極化現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，并說(shuō)明其與電池效率的關(guān)系。解析思路：極化產(chǎn)生的原因在于電極反應(yīng)并非理想的可逆過(guò)程，存在多種阻力，如電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)阻力（反應(yīng)速率慢）、濃差極化（反應(yīng)物/產(chǎn)物濃度偏離平衡）、歐姆極化（電解質(zhì)和接觸電阻）。這些阻力導(dǎo)致電極實(shí)際電勢(shì)偏離平衡電勢(shì)。極化導(dǎo)致電池充放電時(shí)產(chǎn)生的過(guò)電勢(shì)增加，使得在相同電壓下電池輸出的能量減少（放電時(shí)），或在相同能量輸入下電池最終充電電壓降低（充電時(shí)），從而降低了電池的效率。2.比較鋰離子電池和鈉離子電池在電極材料化學(xué)組成和工作原理上的主要異同點(diǎn)。解析思路：相同點(diǎn)：兩者都是通過(guò)鋰離子/鈉離子在正負(fù)極材料間的可逆嵌入脫嵌來(lái)存儲(chǔ)和釋放能量，基本工作原理相似，都遵循法拉第定律。不同點(diǎn)：電極材料化學(xué)組成不同。鋰離子電池正極材料多樣（如氧化物、硫化物、聚陰離子等），負(fù)極材料常用石墨；鈉離子電池正極材料也在探索中（如普魯士藍(lán)類似物、層狀氧化物、聚陰離子等），負(fù)極材料也需適應(yīng)鈉離子尺寸，如硬碳。工作原理細(xì)節(jié)差異源于離子半徑大小（影響嵌入能和材料結(jié)構(gòu)）、電極電位高低（影響電池電壓）等。3.闡述影響鋰離子電池循環(huán)壽命的主要化學(xué)因素，并提出至少兩種提高其循環(huán)壽命的化學(xué)思路。解析思路：影響循環(huán)壽命的主要化學(xué)因素包括：①正負(fù)極材料的化學(xué)穩(wěn)定性差，在循環(huán)過(guò)程中發(fā)生結(jié)構(gòu)崩潰、相變或元素?fù)p失（如鈷酸鋰的鈷流失、磷酸鐵鋰的橄欖石結(jié)構(gòu)破壞）；②固體電解質(zhì)界面（SEI）膜不穩(wěn)定或持續(xù)生長(zhǎng)，覆蓋電極表面，增加內(nèi)阻，消耗活性物質(zhì)；③電解液在循環(huán)過(guò)程中分解或與電極材料發(fā)生副反應(yīng)。提高循環(huán)壽命的化學(xué)思路：①開(kāi)發(fā)高穩(wěn)定性電極材料，如使用不易發(fā)生結(jié)構(gòu)變化的材料（如磷酸鐵鋰）、表面改性的材料（如摻雜、包覆）來(lái)增強(qiáng)材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；②設(shè)計(jì)穩(wěn)定的SEI膜形成機(jī)制，使用功能性電解液添加劑，形成更穩(wěn)定、更均勻、離子電導(dǎo)率更高的SEI膜。四、論述題（每小題10分，共20分）1.以鋰離子電池中的一種正極材料（如磷酸鐵鋰LiFePO?或鈷酸鋰LiCoO?）為例，詳細(xì)闡述其工作原理（充放電過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)、結(jié)構(gòu)變化），并分析其主要的化學(xué)優(yōu)勢(shì)和面臨的挑戰(zhàn)。解析思路（以LiFePO?為例）：工作原理：放電過(guò)程（還原）：LiFePO?→Li?.?FePO?+0.5Li?+0.5e?。鋰離子從LiFePO?晶格中脫出，嵌入到相鄰的半晶格中，同時(shí)鐵的價(jià)態(tài)從+3價(jià)降低到+2價(jià)，磷氧骨架保持不變。充電過(guò)程（氧化）：Li?.?FePO?+0.5Li?+0.5e?→LiFePO?。鋰離子重新嵌入Li?.?FePO?晶格，鐵的價(jià)態(tài)恢復(fù)到+3價(jià)。結(jié)構(gòu)變化：充放電過(guò)程中，LiFePO?和Li?.?FePO?具有相同的橄欖石結(jié)構(gòu)，屬于同質(zhì)多相變，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好?；瘜W(xué)優(yōu)勢(shì)：高安全性（熱穩(wěn)定性好，不易燃）；資源豐富且價(jià)格低廉（鐵、磷資源豐富）；循環(huán)壽命長(zhǎng)（橄欖石結(jié)構(gòu)穩(wěn)定）；環(huán)境友好（無(wú)重金屬污染）。面臨的挑戰(zhàn)：理論容量相對(duì)較低（170mAh/g）；電子電導(dǎo)率低（需要導(dǎo)電劑和導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)）；離子電導(dǎo)率也較低（需要電解液改性或固態(tài)電解質(zhì)）；首次庫(kù)侖效率不高。解析思路（以LiCoO?為例）：工作原理：放電過(guò)程（還原）：LiCoO?→Li?.?CoO?+0.5Li?+0.5e?。鋰離子從LiCoO?晶格中脫出，鈷的價(jià)態(tài)從+3價(jià)升高到+2.?價(jià)。充電過(guò)程（氧化）：Li?.?CoO?+0.5Li?+0.5e?→LiCoO?。鋰離子重新嵌入。結(jié)構(gòu)變化：通常認(rèn)為充放電過(guò)程中LiCoO?經(jīng)歷的是鈷的價(jià)態(tài)變化和部分鋰離子的嵌入/脫嵌，結(jié)構(gòu)保持尖晶石型?；瘜W(xué)優(yōu)勢(shì)：高比能量（理論容量高，可達(dá)274mAh/g）；工作電壓平臺(tái)高；倍率性能較好。面臨的挑戰(zhàn)：成本高（鈷資源稀缺且價(jià)格昂貴）；安全性較差（容易熱失控）；循環(huán)壽命相對(duì)較短（鈷易發(fā)生溶解或遷移導(dǎo)致結(jié)構(gòu)衰減）；環(huán)境問(wèn)題（鈷污染）。2.結(jié)合電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的原理，論述提高電化學(xué)儲(chǔ)能體系（如電池或超級(jí)電容器）功率密度的化學(xué)途徑有哪些？請(qǐng)從電極材料、電解質(zhì)以及器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等角度進(jìn)行闡述。解析思路：功率密度反映了儲(chǔ)能體系在短時(shí)間內(nèi)提供或吸收能量的能力，與電極反應(yīng)速率直接相關(guān)。提高功率密度的化學(xué)途徑主要圍繞加速電化學(xué)反應(yīng)和離子傳輸過(guò)程：1.電極材料化學(xué)設(shè)計(jì)：*提高電極材料的電子電導(dǎo)率：通過(guò)摻雜（引入導(dǎo)電離子或電子）、表面包覆（覆蓋導(dǎo)電層）、引入導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)（如碳材料）等方式，降低電極材料的體相和界面電阻，使電子能夠更快地通過(guò)材料。*提高電極材料的離子電導(dǎo)率：對(duì)于離子導(dǎo)體類電極（如固態(tài)電解質(zhì)正極、贗電容