2025年大學(xué)《應(yīng)用化學(xué)》專業(yè)題庫——應(yīng)用化學(xué)在能源轉(zhuǎn)換與儲存中的應(yīng)用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項前的字母填在答題紙上。）1.下列哪一項不屬于能源轉(zhuǎn)換的過程？A.太陽能轉(zhuǎn)化為電能B.煤炭燃燒轉(zhuǎn)化為熱能C.電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存在電池中D.氫氣燃燒轉(zhuǎn)化為光能2.在鋰離子電池中，發(fā)生還原反應(yīng)的電極稱為？A.正極B.負極C.隔膜D.電解質(zhì)3.能夠顯著提高電化學(xué)反應(yīng)速率，而自身在反應(yīng)后化學(xué)性質(zhì)不發(fā)生永久變化的物質(zhì)是？A.電解質(zhì)B.電極材料C.催化劑D.導(dǎo)電劑4.氫燃料電池的核心反應(yīng)發(fā)生在？A.電解池陽極B.電解池陰極C.原電池正極D.原電池負極5.超級電容器相比鋰離子電池，通常具有的特點是？A.能量密度高，功率密度低B.能量密度低，功率密度高C.能量密度和功率密度都高D.能量密度和功率密度都低6.固態(tài)電池相比液態(tài)鋰離子電池，主要優(yōu)勢之一是？A.使用液態(tài)電解質(zhì)，不易燃B.充電速度快C.能量密度更高，安全性更好D.成本更低7.在電化學(xué)阻抗譜（EIS）分析中，半圓弧部分通常對應(yīng)？A.電極/電解質(zhì)界面電荷轉(zhuǎn)移電阻B.電極體相電阻C.電解質(zhì)體相電阻D.隔膜電阻8.常用于制備鋰離子電池負極的材料是？A.LiCoO?B.LiFePO?C.石墨或鋰金屬D.NaNi?9.下列哪種氫的儲存方法屬于物理儲存？A.活性金屬氫化物儲存B.低溫液氫儲存C.壓縮氫氣儲存D.熔融鹽儲氫10.鈉離子電池相較于鋰離子電池，鈉資源的特點是？A.地球儲量更豐富，分布更廣泛B.地球儲量更稀少，分布更集中C.提取難度更低D.成本更高二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在答題紙上。）1.電化學(xué)儲能器件實現(xiàn)能量儲存和釋放的基礎(chǔ)是______原理。2.燃料電池的效率通常用______來衡量，其理想值等于______。3.常見的鋰離子電池電解質(zhì)是______溶液，其充放電過程涉及Li?在______和______之間的嵌入/脫嵌。4.為了提高電池的倍率性能，電極材料通常需要具備______大的結(jié)構(gòu)和/或______好的導(dǎo)電性。5.催化劑在水電解制氫過程中，對于析氫反應(yīng)（HER）和析氧反應(yīng)（OER）都起到降低______的作用。6.氫燃料電池的副反應(yīng)是指______反應(yīng)，會降低電池效率并產(chǎn)生______。7.影響鋰離子電池循環(huán)壽命的關(guān)鍵因素之一是______的形成與生長。8.除了鋰、鈉等堿金屬離子，______離子電池也是化學(xué)儲能領(lǐng)域的重要研究方向。9.提高鋰離子電池能量密度的主要途徑是提高其______或延長______。10.固態(tài)電解質(zhì)通常具有比液態(tài)電解質(zhì)______的離子電導(dǎo)率，但可能面臨______問題。三、簡答題（每小題5分，共20分。請將答案填在答題紙上。）1.簡述電化學(xué)阻抗譜（EIS）在電池性能表征中的一種應(yīng)用。2.比較鋰離子電池和燃料電池在工作原理、能量轉(zhuǎn)換效率和環(huán)境友好性方面的主要區(qū)別。3.簡述提高氫燃料電池性能的主要化學(xué)途徑。4.解釋什么是“固態(tài)電解質(zhì)”，并列舉一種有潛力的固態(tài)電解質(zhì)材料及其優(yōu)勢。四、計算題（共10分。請將答案填在答題紙上。）某鋰離子電池，正極材料為LiFePO?，負極材料為石墨。電池在3.45V至3.40V之間放電，放電容量為150.0mA·h/g（以LiFePO?計）。計算該電池的理論能量密度（以LiFePO?為活性物質(zhì)，其摩爾質(zhì)量為157.0g/mol，法拉第常數(shù)為96485C/mol）。五、綜合應(yīng)用題（共30分。請將答案填在答題紙上。）以提高鋰離子電池能量密度為目標，設(shè)計一個簡明的改進方案。方案應(yīng)至少包含以下內(nèi)容：1.提出一種具體的正極材料或負極材料改進方案。2.闡述該材料改進方案背后的化學(xué)原理（如結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)、離子遷移通道等方面的變化）。3.分析該改進方案預(yù)期對電池能量密度產(chǎn)生的影響，并簡要說明可能面臨的挑戰(zhàn)或需要克服的技術(shù)難點。---試卷答案一、選擇題1.D2.B3.C4.B5.B6.C7.A8.C9.B10.A二、填空題1.法拉第2.熱力學(xué)效率；理想氣體可逆燃燒熱3.碳酸酯類；正極材料；負極材料4.比表面積；電子5.過電勢6.氫氣與氧氣接觸；副產(chǎn)物（如水、氮氧化物等）7.負極顆粒粉化8.鈉；鉀；鎂；鋅等9.比能量；放電時間10.高；界面相容性（或界面阻抗）三、簡答題1.解析思路：EIS通過測量交流阻抗隨頻率的變化，可以構(gòu)建電池的等效電路模型。通過分析等效電路中的元件（如電阻、電容），可以分別解析出電池的歐姆電阻（包括電極體相、電解質(zhì)體相和電極/電解質(zhì)界面電阻）、電荷轉(zhuǎn)移電阻以及Warburg擴散阻抗等。例如，通過分析高頻區(qū)域的半圓弧可以估算電荷轉(zhuǎn)移電阻，從而評估電極反應(yīng)動力學(xué)；通過分析中頻區(qū)域的半圓弧或直線段可以評估固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率；通過分析低頻區(qū)域的Warburg斜率可以評估電極材料的擴散性能。簡答題要求答出一種具體應(yīng)用即可。2.解析思路：區(qū)分兩種電池需抓住核心區(qū)別：工作方式（鋰離子電池是可逆充放電，涉及鋰離子在電極材料中的嵌入/脫嵌；燃料電池是連續(xù)反應(yīng)，燃料和氧化劑不斷供給，生成產(chǎn)物）、能量轉(zhuǎn)換（鋰離子電池是化學(xué)能-電能轉(zhuǎn)換；燃料電池主要是化學(xué)能-電能轉(zhuǎn)換，理論上更高效率）、電解質(zhì)（鋰離子電池通常為液態(tài)有機電解質(zhì)，燃料電池為質(zhì)子交換膜或其他類型電解質(zhì)）、主要反應(yīng)物和產(chǎn)物、效率、運行條件等。對比時突出關(guān)鍵差異點。3.解析思路：提高燃料電池性能需從反應(yīng)動力學(xué)和反應(yīng)熱力學(xué)兩方面考慮?；瘜W(xué)途徑主要圍繞催化劑：開發(fā)更高效、更穩(wěn)定、成本更低的催化劑（如Pt基或非Pt基催化劑）來降低析氫反應(yīng)（HER）和析氧反應(yīng)（OER）的過電勢。此外，優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)（如增加活性面積、改善傳質(zhì)）和電解質(zhì)膜（如提高質(zhì)子傳導(dǎo)率、降低水熱解穩(wěn)定性）也是重要的化學(xué)改進途徑。4.解析思路：定義要清晰，即固態(tài)電解質(zhì)是指主要依靠固體離子導(dǎo)體傳遞離子的電解質(zhì)，區(qū)別于液態(tài)或凝膠態(tài)電解質(zhì)。列舉材料時，如Li?PS?Cl、Li??GeP?S??或聚硫鈉（Na?PS?）等都是研究較多的例子。優(yōu)勢需結(jié)合其潛在應(yīng)用，如高安全性（不易燃）、高離子電導(dǎo)率（室溫下或更高）、可能實現(xiàn)更高電壓、抑制鋰枝晶生長等。四、計算題解析思路：1.計算法拉第電量：放電容量150.0mA·h/g指的是每克正極材料參與反應(yīng)轉(zhuǎn)移的鋰離子量。1mA·h=1mA×3600s=3.6C。因此，1gLiFePO?轉(zhuǎn)移的電量Q=150.0mA×3600s=540000C/g=540C/g。2.計算摩爾容量：LiFePO?的摩爾質(zhì)量M=157.0g/mol。每摩爾LiFePO?完全參與反應(yīng)轉(zhuǎn)移1摩爾Li?，即1Faraday的電量（96485C）。因此，LiFePO?的摩爾容量C=Q/M=96485C/157.0g/mol≈615C/g·mol。3.計算理論能量密度：放電容量與摩爾容量之比即為理論比容量。放電容量=150.0mA·h/g=1500C/g。理論比容量=1500C/g/615C/g·mol≈2.44mol/g。4.計算理論電壓：LiFePO?電池的理論放電電壓范圍是3.45V至3.40V，取平均值計算，(3.45+3.40)/2=3.425V。5.計算理論能量密度：理論能量密度=理論比容量×平均理論電壓=2.44mol/g×3.425V≈8.37mol·V/g。6.單位轉(zhuǎn)換（可選）：1mol·V/g=96485J/mol≈96.5kJ/mol。理論能量密度≈8.37mol/g×96.5kJ/mol≈807kJ/kg。（但題目要求以mol·V/g為單位通常已足夠）答案：理論能量密度約為8.37mol·V/g。五、綜合應(yīng)用題解析思路：1.材料選擇與方案提出：選擇一種具有更高理論容量、更寬工作電壓窗口或更優(yōu)電子/離子傳導(dǎo)性的材料作為方案核心。例如，選擇高鎳正極材料（如NCM811或更高鎳含量的材料）以提高能量密度，或選擇硅基負極材料并解決其循環(huán)穩(wěn)定性問題。2.化學(xué)原理闡述：針對所選材料，從化學(xué)角度解釋其改進方案如何實現(xiàn)目標。例如，高鎳材料具有更豐富的Ni3?/Ni2?氧化態(tài)轉(zhuǎn)化，提供更高的容量；硅基材料具有極高的理論容量，但其大體積變化導(dǎo)致循環(huán)壽命差，需要通過材料設(shè)計（如納米化、復(fù)合、摻雜）或結(jié)構(gòu)設(shè)計（如核殼結(jié)構(gòu)、人工海相）來緩沖應(yīng)力，維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。如果選擇固態(tài)電解質(zhì)，則需解釋其離子傳導(dǎo)機制（如離子跳躍）及其高安全性、高電壓兼容性的化學(xué)基礎(chǔ)。3.影響分析與挑戰(zhàn)說明：分析材料改進對能量密度（如容量提升、電壓平臺拓寬）的具體預(yù)期提升幅度。同時，必須指出潛在的挑戰(zhàn)，如高鎳材料的熱穩(wěn)定性、循環(huán)過程中的相變和容量衰減、硅負極的粉化、固態(tài)電解質(zhì)與電極的界面相容性問題、制備工藝復(fù)雜度增加、成本上升等，并簡要說明克服這些挑戰(zhàn)可能的技術(shù)方向（如表面包覆、結(jié)構(gòu)調(diào)控、界面修飾等）。答案示例（以高鎳NCM材料為例）：1.方案：提高正極材料鎳含量，例如采用NCM811或更高鎳含量的正極材料。2.原理：高鎳正極材料（如NCM811）具有較高的鎳比例（如8:1:1），其結(jié)構(gòu)中富含Ni3?離子。在鋰離子嵌入/脫嵌過程中，Ni3?/Ni2?的轉(zhuǎn)化貢獻了額外的容量，且相較于低鎳材料，高鎳材料能提供更低的放電平臺電壓，從而拓寬了電池的工作電壓窗口。這使得在相同的電極厚度下，電池能夠存儲更多的鋰離子，即提高了能量密度。同時，高鎳材料通常具有較厚的SEI膜，有助于提高循環(huán)壽命。3.影響