2025年大學(xué)《能源化學(xué)》專業(yè)題庫——鍺鋰電池的電極材料設(shè)計(jì)與優(yōu)化考試時(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)前的字母填在括號(hào)內(nèi)。）1.鍺（Ge）作為鋰離子電池負(fù)極材料，其理論比容量遠(yuǎn)高于石墨，主要原因是（）。A.鍺具有比石墨更低的電化學(xué)電位B.鍺的電子結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定C.鍺能與鋰形成合金，提供額外的容量D.鍺的離子電導(dǎo)率比石墨高2.鍺基負(fù)極材料在鋰化/脫鋰過程中經(jīng)歷劇烈的體積變化（可達(dá)300%），這對(duì)電池循環(huán)壽命構(gòu)成主要挑戰(zhàn)，最直接的原因是（）。A.鋰離子在鍺晶格中擴(kuò)散速率慢B.體積變化導(dǎo)致電極結(jié)構(gòu)破壞和粉化C.鍺表面形成鋰化物鈍化層難以去除D.鍺材料的電化學(xué)電位過高3.為了緩解鍺負(fù)極材料的巨大體積膨脹問題，下列哪種納米化策略通常被認(rèn)為較為有效？（）A.制備塊狀大顆粒鍺材料B.將鍺納米顆粒壓制成緊密的電極片C.制備鍺納米顆?；蚣{米線陣列D.使用傳統(tǒng)的微米級(jí)石墨負(fù)極進(jìn)行物理混合4.在鍺基負(fù)極材料中引入碳（C）元素，其主要目的通常不包括（）。A.提高材料的電子導(dǎo)電性B.形成緩沖層，吸收體積變化C.降低材料的理論容量，以匹配正極D.增強(qiáng)材料與粘結(jié)劑的結(jié)合力5.對(duì)于鍺合金負(fù)極材料（如Ge-Sn合金），其優(yōu)勢在于（）。A.顯著提高了材料的循環(huán)穩(wěn)定性B.降低了材料的成本C.結(jié)合了鍺和錫兩種元素各自的優(yōu)點(diǎn)，可能獲得更優(yōu)的綜合性能D.提高了鋰離子的擴(kuò)散速率6.在設(shè)計(jì)用于鍺鋰電池的正極材料時(shí)，首要考慮的因素通常是（）。A.材料的制備成本必須最低B.材料必須具有極高的電壓平臺(tái)C.材料的理論容量必須大于鍺負(fù)極D.材料必須對(duì)鍺負(fù)極的體積變化具有極強(qiáng)的兼容性7.采用“核殼結(jié)構(gòu)”設(shè)計(jì)鍺基負(fù)極材料，其中“核”通常是（）。A.導(dǎo)電劑B.鍺基活性物質(zhì)C.粘結(jié)劑D.電解液添加劑8.提高鍺鋰電池倍率性能的關(guān)鍵在于（）。A.增大電極材料的比表面積B.縮短鋰離子在材料內(nèi)部的擴(kuò)散路徑C.提高電極材料的電子導(dǎo)電性D.以上都是9.鍺鋰電池在實(shí)際應(yīng)用中面臨的主要安全問題可能源于（）。A.鍺材料與電解液反應(yīng)產(chǎn)生氣體B.劇烈的體積變化導(dǎo)致電極結(jié)構(gòu)崩潰，短路C.過充時(shí)鍺失去鋰化，形成鋰金屬沉積D.以上都是10.固態(tài)電解質(zhì)在鍺鋰電池中的應(yīng)用前景廣闊，其主要優(yōu)勢在于（）。A.能夠完全消除鋰枝晶生長的風(fēng)險(xiǎn)B.顯著提高電池的能量密度C.降低電池的內(nèi)阻D.適用于所有類型的鋰離子電池二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在橫線上。）1.鍺（Ge）的離子半徑大于鋰離子（Li+），這對(duì)其在鍺晶格中的擴(kuò)散速率產(chǎn)生不利影響，主要表現(xiàn)為__________。2.為了構(gòu)建高容量的鍺基負(fù)極材料，除了利用鍺本身的容量外，還可以通過與其他元素形成合金或復(fù)合來實(shí)現(xiàn)，例如鍺錫（Ge-Sn）合金或鍺碳（Ge-C）復(fù)合材料。3.在優(yōu)化鍺負(fù)極材料結(jié)構(gòu)時(shí)，采用多孔結(jié)構(gòu)（如介孔）的主要目的是為了__________。4.鍺負(fù)極材料在首次鋰化過程中會(huì)失去部分鋰，形成一層相對(duì)穩(wěn)定的鈍化層，這層鈍化層的形成對(duì)電池的__________性能有重要影響。5.設(shè)計(jì)鍺鋰電池正極材料時(shí)，需要考慮其與負(fù)極材料在__________、__________等方面的匹配性。三、簡答題（每小題5分，共15分。）1.簡述鍺基負(fù)極材料面臨的主要挑戰(zhàn)，并列舉至少三種應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的材料設(shè)計(jì)策略。2.解釋“鍺碳復(fù)合”負(fù)極材料的構(gòu)念及其設(shè)計(jì)目的。3.描述影響鍺鋰電池倍率性能的關(guān)鍵因素，并提出至少兩種提升其倍率性能的方法。四、論述題（10分。）討論鍺基負(fù)極材料的體積膨脹問題對(duì)電池整體性能的影響，并詳細(xì)闡述如何通過材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來有效緩解這一問題。---試卷答案一、選擇題1.C2.B3.C4.C5.C6.C7.B8.D9.D10.A二、填空題1.動(dòng)力學(xué)緩慢/擴(kuò)散速率慢2.增加容量/提供額外容量3.提供緩沖空間，吸收體積變化/緩解體積膨脹應(yīng)力4.循環(huán)/倍率5.電化學(xué)電位/電壓平臺(tái)；容量匹配三、簡答題1.挑戰(zhàn)：主要挑戰(zhàn)包括首次庫侖效率低（形成鈍化層）、巨大的體積膨脹/收縮導(dǎo)致循環(huán)穩(wěn)定性差、鋰離子擴(kuò)散速率慢、材料脆性大易粉化等。策略：*納米化：將鍺顆粒尺寸減小到納米級(jí)別，縮短鋰離子擴(kuò)散路徑，提高結(jié)構(gòu)韌性。*復(fù)合/合金化：與碳（C）、錫（Sn）、硅（Si）等元素復(fù)合或形成合金（如Ge-Sn），利用其他元素的緩沖效應(yīng)或改善導(dǎo)電性/擴(kuò)散性。*多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：構(gòu)建介孔或宏觀多孔結(jié)構(gòu)，為體積變化提供緩沖空間，改善電解液浸潤。2.構(gòu)念：鍺碳復(fù)合負(fù)極材料是指將鍺（Ge）作為活性物質(zhì)，與碳材料（如石墨烯、碳納米管、無定形碳等）進(jìn)行物理混合或形成化學(xué)鍵合的結(jié)構(gòu)。目的：*提升導(dǎo)電性：碳材料具有良好的導(dǎo)電性，可以彌補(bǔ)鍺材料導(dǎo)電性差的缺點(diǎn)，促進(jìn)鋰離子的快速嵌入/脫出。*緩沖體積變化：碳材料具有良好的體積膨脹耐受性，可以有效緩解鍺在充放電過程中的巨大體積變化，維持電極結(jié)構(gòu)的完整性。*提供結(jié)構(gòu)支撐：碳材料可以增強(qiáng)電極材料的機(jī)械強(qiáng)度，減少粉化。3.影響因素：*電極材料本身的性質(zhì)：如活性物質(zhì)的電子/離子電導(dǎo)率、鋰離子擴(kuò)散系數(shù)、晶體結(jié)構(gòu)等。*電極結(jié)構(gòu)：如活性物質(zhì)顆粒尺寸、孔隙率、電極厚度等。*電解液性質(zhì)：如電解液的電導(dǎo)率、鋰離子遷移數(shù)等。提升方法：*提高材料電導(dǎo)率：選擇高電導(dǎo)率的活性物質(zhì)，或添加導(dǎo)電劑。*縮短擴(kuò)散路徑：采用納米化、多孔結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)，減小活性物質(zhì)顆粒尺寸。*優(yōu)化電解液：使用高電導(dǎo)率的電解液，或添加鋰離子加速劑。四、論述題鍺基負(fù)極材料在鋰化過程中體積會(huì)急劇膨脹（可達(dá)300%），而在脫鋰過程中則收縮，這種巨大的可逆體積變化會(huì)導(dǎo)致以下負(fù)面影響：*電極結(jié)構(gòu)破壞：重復(fù)的膨脹和收縮使納米顆粒之間的應(yīng)力累積，超過材料的承受極限，導(dǎo)致顆粒斷裂、脫落，電極結(jié)構(gòu)逐漸粉化，失去與集流體和電解液的接觸，最終造成電池容量急劇衰減。*循環(huán)穩(wěn)定性差：結(jié)構(gòu)的持續(xù)破壞和活性物質(zhì)損失直接導(dǎo)致電池循環(huán)壽命縮短。*庫侖效率低：首次鋰化時(shí)，鍺表面會(huì)形成一層相對(duì)穩(wěn)定的鈍化層（主要是Li2O和LiF），這層鈍化層會(huì)占據(jù)一部分容量，導(dǎo)致首次庫侖效率較低（通常低于90%）。*接觸不良和內(nèi)阻增加：粉化導(dǎo)致活性物質(zhì)與集流體的接觸面積減小，內(nèi)阻增大，影響電池的倍率性能和輸出電壓。為了有效緩解鍺負(fù)極材料的體積膨脹問題，可以從材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)入手，主要策略包括：*納米化：將鍺顆粒尺寸減小到納米級(jí)別（如納米顆粒、納米線、納米管）。納米材料具有更高的比表面積和更短的晶粒尺寸，能夠更好地適應(yīng)體積變化，同時(shí)縮短鋰離子的擴(kuò)散路徑，提高倍率性能。雖然納米化本身也會(huì)被體積變化影響，但其對(duì)擴(kuò)散和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的改善有助于整體性能的提升。*多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：構(gòu)建具有介孔或宏觀多孔結(jié)構(gòu)的鍺基材料。孔隙可以為體積變化提供額外的容納空間，緩沖應(yīng)力，防止顆粒坍塌。同時(shí)，多孔結(jié)構(gòu)也有利于電解液的浸潤和鋰離子的傳輸。*復(fù)合與包覆：將鍺與具有良好體積膨脹緩沖能力的材料（如碳、硅）復(fù)合。碳材料具有良好的柔韌性和導(dǎo)電性，可以有效緩解鍺的體積變化，并提供電子傳輸網(wǎng)絡(luò)。此外，在鍺顆粒表面包覆