2025年大學(xué)《能源化學(xué)》專業(yè)題庫——能源儲(chǔ)能材料的設(shè)計(jì)與研發(fā)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)的字母填在括號(hào)內(nèi)）1.對(duì)于鋰離子電池正極材料LiCoO?，其在放電過程中鋰離子脫出的反應(yīng)可表示為L(zhǎng)iCoO?→Li???CoO?+xLi?+xe?。該反應(yīng)過程中，正極材料（LiCoO?）的（）。A.化學(xué)勢(shì)降低B.晶格能增加C.比表面積增大D.氧化態(tài)升高2.在超級(jí)電容器中，贗電容器的儲(chǔ)能機(jī)制主要依賴于（）。A.雙電層電容的形成B.超分子結(jié)構(gòu)的吸附C.電極表面或近表面的快速、可逆氧化還原反應(yīng)D.陽離子在電極材料內(nèi)部的嵌入/脫出3.固態(tài)電池相比于液態(tài)電池，其主要優(yōu)勢(shì)之一是（）。A.能量密度通常更高B.可以使用更厚的電極C.對(duì)有機(jī)溶劑依賴性強(qiáng)D.內(nèi)阻通常更大4.鈉離子電池負(fù)極材料硬碳（HardCarbon）在儲(chǔ)鈉過程中，其儲(chǔ)鈉容量主要來源于（）。A.鈉離子在石墨層間的嵌入B.鈉原子與碳原子形成合金C.碳材料表面的電化學(xué)氧化還原D.碳材料結(jié)構(gòu)中微孔的吸附5.提高鋰離子電池倍率性能的主要途徑之一是（）。A.增大電極材料顆粒尺寸B.提高電極材料的電子電導(dǎo)率C.減小電極材料的離子電導(dǎo)率D.增加電解質(zhì)的粘度6.下列哪種材料通常用作鋰離子電池的隔膜？（）A.碳酸乙烯酯（EC）B.聚烯烴（如PE,PP）C.聚偏氟乙烯（PVDF）D.硫酸鋰（Li?SO?）7.在燃料電池中，質(zhì)子交換膜（PEM）的主要功能是（）。A.作為催化劑B.傳導(dǎo)電子C.傳導(dǎo)質(zhì)子（H?）D.隔離陽極和陰極8.儲(chǔ)氫材料氫化鋰（LiH）儲(chǔ)氫的主要方式是（）。A.形成雙電層B.化學(xué)吸附C.物理吸附D.鈉離子嵌入9.當(dāng)鋰離子電池在充電過程中電壓異常升高時(shí)，可能發(fā)生的情況是（）。A.正極材料發(fā)生嚴(yán)重溶解B.負(fù)極材料發(fā)生鋰枝晶生長(zhǎng)C.電解液發(fā)生分解D.電池內(nèi)阻減小10.設(shè)計(jì)一種新型固態(tài)電池電解質(zhì)材料時(shí)，需要考慮的關(guān)鍵因素包括（）。A.高的離子電導(dǎo)率（離子導(dǎo)電）B.良好的機(jī)械強(qiáng)度和柔韌性C.與電極材料良好的相容性D.以上都是二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在橫線上）1.電化學(xué)阻抗譜（EIS）是一種常用的研究電池______的方法，通過分析阻抗譜圖上的半圓和直線可以推斷電極/電解質(zhì)界面的電荷轉(zhuǎn)移電阻和電解質(zhì)的擴(kuò)散阻抗等信息。2.在鋰離子電池中，常用的有機(jī)電解液溶劑如碳酸乙烯酯（EC）和碳酸二甲酯（DMC）常常以______的混合物使用，以調(diào)節(jié)其粘度和凝固點(diǎn)。3.磷酸鐵鋰（LiFePO?）正極材料具有橄欖石結(jié)構(gòu)，其理論比容量約為______mAh/g。4.超級(jí)電容器的能量密度通常遠(yuǎn)低于電池，但其功率密度卻很高，這使得它們?cè)谛枰焖俪浞烹姷膱?chǎng)合具有優(yōu)勢(shì)，例如______。5.為了提高鋰離子電池的安全性，可以采用______隔膜、使用固態(tài)電解質(zhì)或開發(fā)不易燃的電解液等方法。6.鈉離子電池相較于鋰離子電池，其優(yōu)勢(shì)之一是鈉資源更加______，儲(chǔ)量更為豐富。7.催化劑在燃料電池中起著至關(guān)重要的作用，例如在質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）中，______催化劑用于陰極將氧氣還原成水。8.氫燃料電池的產(chǎn)物是______和水，被認(rèn)為是一種非常清潔的能源轉(zhuǎn)換方式。9.影響鋰離子電池循環(huán)壽命的一個(gè)重要因素是電極材料的______損失，這會(huì)導(dǎo)致容量衰減。10.材料設(shè)計(jì)過程中，除了考慮材料的組成和結(jié)構(gòu)，還需要考慮其制備工藝的______性，以確保設(shè)計(jì)的材料能夠穩(wěn)定、低成本地制備。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述鋰離子電池中，正極材料的放電過程（以LiCoO?為例）。2.比較鋰離子電池和超級(jí)電容器的儲(chǔ)能機(jī)理和主要性能指標(biāo)（能量密度、功率密度、循環(huán)壽命）。3.簡(jiǎn)述影響鋰離子電池倍率性能的因素。4.簡(jiǎn)述燃料電池的基本工作原理，并指出其主要的組成部分。四、論述題（每題10分，共20分）1.論述提高鋰離子電池能量密度的主要途徑及其面臨的挑戰(zhàn)。2.針對(duì)鋰金屬負(fù)極在鋰離子電池中的應(yīng)用所面臨的安全性問題（如鋰枝晶生長(zhǎng)），探討幾種可能的解決方案。五、設(shè)計(jì)題（10分）假設(shè)你需要設(shè)計(jì)一種用于電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池，要求其能量密度高（>250Wh/kg）、循環(huán)壽命長(zhǎng)（>1000次循環(huán)）、安全性好、成本相對(duì)較低。請(qǐng)簡(jiǎn)述你會(huì)考慮的正負(fù)極材料、電解質(zhì)體系以及可能的隔膜材料，并說明選擇這些材料的基本理由。試卷答案一、選擇題1.A2.C3.A4.D5.B6.B7.C8.B9.C10.D二、填空題1.電化學(xué)阻抗譜2.混合3.1704.電動(dòng)汽車啟動(dòng)、制動(dòng)能量回收系統(tǒng)5.耐高溫、厚壁6.豐富7.釕（Ru）或鉑（Pt）8.氫氣9.結(jié)構(gòu)10.經(jīng)濟(jì)三、簡(jiǎn)答題1.解析思路：回答放電過程時(shí)，需明確是鋰離子電池，核心是鋰離子的移動(dòng)和脫嵌。以LiCoO?為例，放電時(shí)外部電路提供電子，鋰離子（Li?）從LiCoO?晶格中脫出，通過電解質(zhì)遷移到負(fù)極（通常是石墨），并在負(fù)極嵌入石墨層間。同時(shí)，電子通過外電路從負(fù)極流向正極。LiCoO?自身發(fā)生氧化反應(yīng)，鈷的價(jià)態(tài)升高，氧的價(jià)態(tài)通常不變（仍為-2）。整個(gè)過程可以概括為：LiCoO?→Li???CoO?+xLi?+xe?，Li?+xe?+C?→Li?C?。2.解析思路：比較時(shí)需抓住核心區(qū)別：儲(chǔ)能機(jī)理。鋰離子電池是化學(xué)儲(chǔ)能，通過鋰離子的嵌入/脫出實(shí)現(xiàn)充放電，涉及化學(xué)反應(yīng)。超級(jí)電容器是雙電層電容（EDLC）或贗電容，前者主要利用電極表面與電解質(zhì)離子的靜電相互作用，后者涉及電極表面或近表面的快速氧化還原反應(yīng)。性能指標(biāo)上，鋰離子電池能量密度高，但功率密度相對(duì)較低，循環(huán)壽命根據(jù)體系不同差異較大。超級(jí)電容器功率密度極高，但能量密度較低，循環(huán)壽命非常長(zhǎng)（通常十萬次以上），充放電速度快。3.解析思路：影響倍率性能的關(guān)鍵在于離子在電極材料內(nèi)部遷移的速度。這主要受兩個(gè)因素影響：離子在電解質(zhì)中的擴(kuò)散速率和離子在電極材料晶格/孔隙中的擴(kuò)散速率。提高倍率性能需要同時(shí)提高這兩個(gè)速率。具體措施包括：選用離子電導(dǎo)率高的電解質(zhì)；選用電子電導(dǎo)率高的電極材料；減小電極材料顆粒尺寸（增加比表面積，縮短擴(kuò)散路徑）；優(yōu)化電極材料結(jié)構(gòu)（如多孔結(jié)構(gòu)、縮短擴(kuò)散路徑）；使用固體電解質(zhì)等。4.解析思路：工作原理是能量轉(zhuǎn)換。燃料電池是一種電化學(xué)裝置，它直接將燃料（通常是氫氣）的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，同時(shí)產(chǎn)生熱和水?；竟ぷ髟硎窃陉枠O，燃料（如H?）失去電子生成質(zhì)子（H?）和電子（e?）；電子通過外電路流向陰極；在陰極，質(zhì)子通過電解質(zhì)從陽極遷移到陰極，與電子和氧氣（O?）反應(yīng)生成水。主要的組成部分包括：陽極、陰極、電解質(zhì)（負(fù)責(zé)傳導(dǎo)質(zhì)子）、燃料供應(yīng)系統(tǒng)、氧化劑（通常是空氣）供應(yīng)系統(tǒng)以及雙極板（用于收集電子和分離氣體）。四、論述題1.解析思路：提高能量密度的核心在于增加單位質(zhì)量或單位體積儲(chǔ)存的鋰離子量。主要途徑有：*選擇高容量正極材料：如錳酸鋰（高電壓平臺(tái)）、磷酸鐵鋰（結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、安全性好）、三元材料（高能量密度）、富鋰材料、聚陰離子型材料等。*選擇高容量負(fù)極材料：如硅基材料（理論容量極高）、合金負(fù)極（如Sn基合金）、金屬鋰（理論容量最大）等。但高容量材料往往伴隨挑戰(zhàn)。*提高鋰離子利用率：減少副反應(yīng)，提高庫侖效率。*優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)：如減小顆粒尺寸、增加電極比表面積、構(gòu)建多孔結(jié)構(gòu)，以縮短鋰離子擴(kuò)散路徑，提高倍率性能和能量密度。挑戰(zhàn)包括：高容量材料的循環(huán)穩(wěn)定性差、倍率性能低、安全性問題（如硅負(fù)極的體積膨脹、金屬鋰負(fù)極的安全）；新材料的成本較高；電解液與高電壓正極材料的相容性問題；熱管理難度增加等。2.解析思路：鋰枝晶生長(zhǎng)是鋰金屬負(fù)極面臨的主要安全問題，會(huì)刺穿隔膜導(dǎo)致電池內(nèi)部短路，引發(fā)熱失控。解決方案可以從材料和系統(tǒng)層面入手：*表面改性抑制鋰枝晶：在鋰金屬表面形成穩(wěn)定、均勻的固體電解質(zhì)界面膜（SEI），如通過電解液添加劑、選擇合適的電解液溶劑/電解質(zhì)體系（如固態(tài)電解質(zhì)、鋰金屬離子液體）來構(gòu)建高質(zhì)量SEI膜。*選擇合適的電解質(zhì)：使用高電導(dǎo)率、低粘度的電解液，或開發(fā)固態(tài)電解質(zhì)，以降低鋰離子在負(fù)極表面的濃差極化，減少枝晶成核的驅(qū)動(dòng)力。*結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)限制鋰枝晶：采用多孔集流體、設(shè)計(jì)特殊的電極結(jié)構(gòu)（如涂覆層、隔膜嵌入集流體）來物理限制枝晶的生長(zhǎng)路徑。*電化學(xué)方法調(diào)控：采用特定的預(yù)鋰化方法、控制初始鋰化過程、在充電過程中施加特定的電流波形或電壓限制等。*使用鋰合金負(fù)極：替代純鋰金屬，雖然也能解決部分問題，但可能引入新的合金相變和體積變化問題。五、設(shè)計(jì)題解析思路：設(shè)計(jì)題需要結(jié)合需求（高能量密度、長(zhǎng)壽命、高安全性、低成本）和材料知識(shí)進(jìn)行權(quán)衡和選擇。*正極材料：考慮到能量密度和成本，磷酸鐵鋰（LiFePO?）是一個(gè)常用選擇，它具有較高的能量密度（>170Wh/kg）、較好的循環(huán)壽命（>1000次）、高安全性和相對(duì)較低的成本。三元材料（如NCM或NCA）能量密度更高，但成本較高，且安全性相對(duì)磷酸鐵鋰稍差。富鋰材料能量密度潛力大，但成本和穩(wěn)定性問題是挑戰(zhàn)。*負(fù)極材料：碳酸鋰（LiCoO?）能量密度高但成本和鈷資源問題是劣勢(shì)。石墨負(fù)極成本低、循環(huán)壽命好，但理論能量密度有限（約372Wh/kg），難以滿足>250Wh/kg的要求。硅基負(fù)極理論容量高，但實(shí)際應(yīng)用中面臨巨大的體積膨脹和循環(huán)穩(wěn)定性問題。因此，設(shè)計(jì)一種滿足>250Wh/kg能量密度要求且循環(huán)壽命長(zhǎng)的負(fù)極是關(guān)鍵挑戰(zhàn)?？赡艿牟呗允鞘褂霉杌?fù)極并配合先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如硅碳復(fù)合材料、硅合金）來緩解其問題，或者選擇其他高容量負(fù)極材料（如高鎳三元材料，但需關(guān)注成本和穩(wěn)定性）。在本題框架下，若必須選擇，可表述為選擇一種高容量負(fù)極材料（如改性硅基材料），并承認(rèn)其在實(shí)際應(yīng)用中的挑戰(zhàn)。*電解質(zhì)：選擇能夠匹配所選正負(fù)極材料、具有良好離子電導(dǎo)率和電化學(xué)穩(wěn)定性的電解質(zhì)。對(duì)于磷酸鐵鋰體系，常用的有LiPF?基液態(tài)電解液。若追求更高安全性，可考慮固態(tài)電解質(zhì)或半固態(tài)電解質(zhì)，但需注意其對(duì)界面相容性和電導(dǎo)率的要求。*隔膜：隔膜需要具備高安全性（耐熱、防刺穿）、良好的