2025年大學(xué)《能源化學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的設(shè)計(jì)及性能調(diào)優(yōu)考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡(jiǎn)述法拉第定律在電化學(xué)儲(chǔ)能過(guò)程中的基本含義及其在電池性能表征中的體現(xiàn)。二、比較鋰離子電池中液態(tài)電解質(zhì)和固態(tài)電解質(zhì)在離子傳導(dǎo)機(jī)制、電化學(xué)窗口、安全性、離子遷移數(shù)等方面的主要差異。三、闡述電極材料的微觀結(jié)構(gòu)（如比表面積、孔隙率、顆粒尺寸、形貌）對(duì)其電化學(xué)性能（容量、倍率性能、循環(huán)壽命）的影響機(jī)制。四、分析鋰離子電池在循環(huán)過(guò)程中正負(fù)極材料可能發(fā)生的主要衰減機(jī)制，并提出相應(yīng)的緩解策略。五、解釋什么是固體電解質(zhì)界面（SEI）膜，簡(jiǎn)述其在鋰離子電池中的作用及其對(duì)首次庫(kù)侖效率和循環(huán)穩(wěn)定性的影響。六、設(shè)計(jì)一種用于高倍率放電應(yīng)用的新型鋰離子電池電極材料，說(shuō)明其選擇依據(jù)和預(yù)期的性能優(yōu)勢(shì)。七、論述電池?zé)峁芾淼闹匾?，并針?duì)鋰離子電池包設(shè)計(jì)，提出至少兩種有效的熱管理策略及其工作原理。八、分析影響鋰離子電池庫(kù)侖效率的因素，并探討提高庫(kù)侖效率的潛在方法。九、討論在電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)中，電極/電解質(zhì)界面阻抗（SEI阻抗、固液界面阻抗等）對(duì)電池性能（尤其是高頻率下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)）的影響。十、針對(duì)鈉離子電池，比較其與鋰離子電池在材料體系、反應(yīng)機(jī)理、性能特點(diǎn)及應(yīng)用前景方面的主要異同點(diǎn)。十一、設(shè)想一種新型電化學(xué)儲(chǔ)能器件的結(jié)構(gòu)，該器件旨在同時(shí)兼顧高能量密度和高功率密度，描述其基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路和關(guān)鍵材料選擇。十二、說(shuō)明電池管理系統(tǒng)（BMS）在電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)中的作用，并列舉BMS需要監(jiān)控的關(guān)鍵參數(shù)及其對(duì)電池安全性和壽命的影響。試卷答案一、法拉第定律指出，電極上發(fā)生得失電子的物質(zhì)的量與通過(guò)電極的電量成正比，比例系數(shù)為法拉第常數(shù)。在電化學(xué)儲(chǔ)能過(guò)程中，該定律體現(xiàn)了電池充放電時(shí)，電極材料的消耗或生成量與充放電電量之間的定量關(guān)系。通過(guò)測(cè)量充放電過(guò)程中的庫(kù)侖效率或循環(huán)過(guò)程中的容量衰減，可以驗(yàn)證法拉第定律，并評(píng)估電極反應(yīng)的reversibility和副反應(yīng)的發(fā)生情況。二、液態(tài)電解質(zhì)主要由電解質(zhì)溶液（如LiPF6在EC/DMC等溶劑中）構(gòu)成，離子通過(guò)溶劑分子解離后的自由離子在溶液中遷移，電化學(xué)窗口主要由溶劑和電解質(zhì)鹽的氧化還原電位決定，通常較窄。固態(tài)電解質(zhì)為固體相，離子通過(guò)晶格缺陷或晶界遷移，電化學(xué)窗口通常更寬，因?yàn)槠浣M成不涉及易分解的溶劑。液態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率通常高于固態(tài)電解質(zhì)（尤其是在室溫下），但安全性較差，易燃易爆，且可能發(fā)生穿梭效應(yīng)。固態(tài)電解質(zhì)安全性高，但離子電導(dǎo)率（尤其室溫下）和界面接觸電阻是主要挑戰(zhàn)。離子遷移數(shù)在固態(tài)電解質(zhì)中可能接近1，而在液態(tài)電解質(zhì)中受陰離子半徑和溶劑化效應(yīng)影響較大。三、電極材料的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)其電化學(xué)性能有顯著影響。高比表面積（如納米顆粒、多孔結(jié)構(gòu)）提供了更多的活性位點(diǎn)，有利于提高電池的理論容量。高孔隙率有利于電解液的浸潤(rùn)，縮短離子擴(kuò)散路徑，提升電導(dǎo)率和倍率性能。合適的顆粒尺寸和形貌可以優(yōu)化電極的壓實(shí)密度、電子傳輸路徑和離子擴(kuò)散路徑，影響循環(huán)穩(wěn)定性和體積膨脹的抑制。例如，納米結(jié)構(gòu)可以緩解循環(huán)過(guò)程中的體積變化應(yīng)力，但可能面臨較大的比表面積相關(guān)阻抗。四、鋰離子電池循環(huán)衰減的主要機(jī)制包括：1)正極材料結(jié)構(gòu)退化（如層狀材料的層間距增大/減小導(dǎo)致嵌鋰不穩(wěn)定、鈷元素溶出導(dǎo)致容量衰減和安全性問(wèn)題）；2)負(fù)極材料體積膨脹/收縮引起的粉化、與集流體脫離；3)SEI膜不穩(wěn)定或持續(xù)生長(zhǎng)導(dǎo)致電解液消耗和阻抗增加；4)離子穿梭效應(yīng)（尤其是在固態(tài)電解質(zhì)或混合離子導(dǎo)體中）。緩解策略包括：開發(fā)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、高容量、低電壓的平臺(tái)電極材料；設(shè)計(jì)低膨脹性負(fù)極材料或結(jié)構(gòu)；優(yōu)化SEI膜形成機(jī)制，形成穩(wěn)定、薄、離子透過(guò)性好的SEI膜；采用納米結(jié)構(gòu)材料以緩解體積變化應(yīng)力；引入固態(tài)電解質(zhì)或液態(tài)金屬等。五、SEI膜是在鋰金屬負(fù)極表面，由電解質(zhì)分解產(chǎn)物、溶劑分子、鋰鹽與鋰金屬反應(yīng)形成的薄膜。其主要作用是：1)隔絕電解液與鋰金屬的直接接觸，防止鋰金屬與電解液發(fā)生副反應(yīng)（如鋰枝晶生長(zhǎng)）；2)允許鋰離子選擇性通過(guò)，維持電池的正常充放電功能。SEI膜的形成會(huì)消耗一部分鋰離子，導(dǎo)致電池的首次庫(kù)侖效率不為100%。SEI膜的穩(wěn)定性（熱穩(wěn)定性和離子透過(guò)性）直接影響電池的循環(huán)壽命。不穩(wěn)定的SEI膜會(huì)持續(xù)增厚、破裂，導(dǎo)致電解液持續(xù)消耗和阻抗急劇增大，最終使電池失效。六、設(shè)計(jì)用于高倍率放電的新型鋰離子電池電極材料：選擇依據(jù)：1)高電子電導(dǎo)率：材料本身導(dǎo)電性好，或易于形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)；2)高離子擴(kuò)散速率：材料結(jié)構(gòu)有利于鋰離子快速嵌入/脫出，如縮短擴(kuò)散路徑、提供高離子遷移數(shù)；3)高倍率性能：在較大電流密度下仍能保持較高容量和較低電壓平臺(tái)。預(yù)期性能優(yōu)勢(shì)：該材料應(yīng)能在高電流密度下實(shí)現(xiàn)快速充放電，同時(shí)保持相對(duì)較高的能量效率（較低的庫(kù)侖效率和電壓降），并具備一定的循環(huán)穩(wěn)定性。例如，可以選擇具有高鋰離子擴(kuò)散系數(shù)的層狀氧化物正極材料（如改性層狀鎳錳鈷氧化物），或具有高電子/離子電導(dǎo)率的納米/非對(duì)稱結(jié)構(gòu)負(fù)極材料。七、電池?zé)峁芾碇陵P(guān)重要，因?yàn)殡姵毓ぷ鬟^(guò)程中產(chǎn)生的熱量如果不能有效散出，會(huì)導(dǎo)致電池溫度升高，可能引發(fā)熱失控（熱蔓延），導(dǎo)致電池性能下降、壽命縮短甚至起火爆炸。熱管理策略：1)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)：通過(guò)優(yōu)化電池包結(jié)構(gòu)、增加散熱空間、采用導(dǎo)熱材料等方式，促進(jìn)熱量傳導(dǎo)和散發(fā)；2)模塊級(jí)熱管理：在電池模組層面集成加熱或冷卻系統(tǒng)，如使用相變材料（PCM）進(jìn)行溫度均衡，或引入液體冷卻板/風(fēng)冷通道進(jìn)行主動(dòng)散熱；3)系統(tǒng)級(jí)熱管理：通過(guò)BMS監(jiān)測(cè)電池溫度，并根據(jù)需要調(diào)整充放電功率、啟動(dòng)冷卻/加熱系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電池組的溫度均勻性和穩(wěn)定性。八、影響鋰離子電池庫(kù)侖效率（CE）的因素主要包括：1)SEI膜的形成與生長(zhǎng)：首次充電過(guò)程中，電解液分解形成SEI膜會(huì)消耗一部分鋰離子，導(dǎo)致首次CE低于100%；2)正負(fù)極材料的不可逆損失：如正極材料中某些金屬元素的溶出、負(fù)極材料與電解液的副反應(yīng)；3)不可逆的副反應(yīng)：如電解液的分解、空氣中的水分或氧氣參與副反應(yīng)；4)自放電：電池在靜置狀態(tài)下發(fā)生的緩慢容量損失。提高庫(kù)侖效率的潛在方法：1)優(yōu)化SEI膜形成：選擇合適的電解液添加劑，引導(dǎo)形成穩(wěn)定、薄、低阻抗的SEI膜；2)提高材料穩(wěn)定性：開發(fā)化學(xué)性質(zhì)更穩(wěn)定的正負(fù)極材料；3)干燥處理：嚴(yán)格控制電池組裝環(huán)境的水分含量；4)使用惰性氣氛保護(hù)：避免空氣接觸。九、電極/電解質(zhì)界面阻抗（包括SEI阻抗、正負(fù)極/電解質(zhì)界面阻抗等）對(duì)電池性能有顯著影響。1)充放電動(dòng)力學(xué)：高界面阻抗會(huì)增加電池的內(nèi)阻，導(dǎo)致充放電電壓降增大，尤其在高倍率下，可限制電池的輸出功率；2)循環(huán)穩(wěn)定性：不穩(wěn)定的界面（如SEI膜持續(xù)生長(zhǎng)、界面副反應(yīng)）會(huì)導(dǎo)致阻抗隨循環(huán)次數(shù)增加而增大，表現(xiàn)為電化學(xué)容量衰減加快；3)動(dòng)態(tài)響應(yīng)：高頻率下的電化學(xué)響應(yīng)受界面阻抗影響顯著，影響電池的快速充放電能力和動(dòng)態(tài)性能。因此，降低界面阻抗，形成穩(wěn)定、低電阻的界面對(duì)于提升電池的能量密度、功率密度和循環(huán)壽命至關(guān)重要。十、鋰離子電池與鈉離子電池的比較：相同點(diǎn)：基本工作原理相同，均基于鋰/鈉離子在正負(fù)極材料之間的可逆嵌入/脫出；都采用類似的三元材料體系（如層狀氧化物正極、普魯士藍(lán)類似物負(fù)極）；都可以通過(guò)石墨負(fù)極實(shí)現(xiàn)較快的倍率性能。不同點(diǎn)：1)元素周期表位置：鈉原子半徑大于鋰原子，鈉離子半徑也大于鋰離子，導(dǎo)致鈉離子擴(kuò)散速率通常較慢，電化學(xué)電位較低；2)材料體系：由于半徑和電化學(xué)電位差異，部分鋰離子電池材料不適用于鈉離子電池，需要開發(fā)全新的鈉離子專屬正負(fù)極材料；3)性能：通常鈉離子電池的能量密度低于鋰離子電池，但成本可能更低；4)應(yīng)用前景：鈉離子電池資源豐富、環(huán)境友好，在儲(chǔ)能、電動(dòng)工具、低速電動(dòng)車等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價(jià)值，但技術(shù)成熟度尚低于鋰離子電池。十一、設(shè)計(jì)一種兼顧高能量密度和高功率密度的新型電化學(xué)儲(chǔ)能器件：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路：采用非對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。正極選擇高電壓、高容量、但倍率性能相對(duì)受限的材料（如高鎳層狀氧化物或聚陰離子型材料）；負(fù)極選擇高倍率性能、大容量但電壓平臺(tái)較低的材料（如硬碳、軟碳或金屬鋰）。電解質(zhì)體系選擇高離子電導(dǎo)率、寬電化學(xué)窗口的液態(tài)或固態(tài)電解質(zhì)。器件結(jié)構(gòu)上，可以采用多電極分隔結(jié)構(gòu)或微流控反應(yīng)器，使得電極/電解質(zhì)接觸面積最大化，同時(shí)縮短離子擴(kuò)散路徑。關(guān)鍵材料選擇：高能量密度正極材料（如NCM811改性、普魯士藍(lán)類似物）、高倍率負(fù)極材料（如硬碳、納米金屬鋰）、高離子電導(dǎo)率電解質(zhì)（如固態(tài)電解質(zhì)LLZO、LLM+或高濃度液態(tài)電解質(zhì)）。通過(guò)這種設(shè)計(jì)，可以在高能量密度電極提供大容量，同時(shí)利用高倍率負(fù)極和高離子電導(dǎo)率電解質(zhì)支持高功率輸出。十二、電池管理系統(tǒng)（BMS）在電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)中的作用是監(jiān)控、保護(hù)、管理和均衡電池組，確保系統(tǒng)安全、高效、長(zhǎng)壽命運(yùn)行。BMS需要監(jiān)控的關(guān)鍵參數(shù)及其影響：1)電壓：監(jiān)測(cè)單節(jié)電池電壓和電池組總電壓，用于判斷電池狀態(tài)（SOC）、均衡狀態(tài)和是否存在過(guò)充/過(guò)放風(fēng)險(xiǎn)；2)電流：監(jiān)測(cè)充放電電流，用于計(jì)算功率、SOC變化速率、評(píng)估電池內(nèi)阻和檢測(cè)過(guò)流/短路故障；3)溫度：監(jiān)測(cè)電池組各部分溫度，用于評(píng)估熱狀態(tài)（SO