2025年大學(xué)《能源化學(xué)》專業(yè)題庫——鋰硫電池的循環(huán)穩(wěn)定性研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分）1.下列哪一項不是鋰硫電池相較于鋰離子電池的主要優(yōu)勢？A.理論比容量高B.資源儲量豐富且分布廣泛C.使用環(huán)境溫度范圍更寬D.正極材料硫的導(dǎo)電性較好2.鋰硫電池循環(huán)過程中，導(dǎo)致正極活性物質(zhì)損失和容量衰減的主要原因是？A.鋰金屬負(fù)極的鋰枝晶生長B.負(fù)極SEI膜持續(xù)增厚C.多硫化物在電解液中穿梭并嵌入負(fù)極D.正極材料體積膨脹過大3.為了抑制多硫化物穿梭效應(yīng)，可以采取的有效策略之一是？A.使用高濃度鋰鹽電解液B.在正極材料中摻雜導(dǎo)電聚合物C.設(shè)計具有特定孔道結(jié)構(gòu)的正極載體以限制多硫化物擴(kuò)散D.降低電池的工作電壓4.鋰硫電池正極材料中，通常認(rèn)為鋰化石墨（LiFexC6-x）比純硫具有更好循環(huán)穩(wěn)定性的主要原因是？A.鋰化石墨的導(dǎo)電性優(yōu)于硫B.鋰化石墨不易形成多硫化物C.鋰化石墨的體積膨脹效應(yīng)較小D.鋰化石墨與電解液的界面穩(wěn)定性更好5.電解液添加劑在提升鋰硫電池循環(huán)穩(wěn)定性方面可以扮演多種角色，以下哪項描述是不準(zhǔn)確的？A.添加鋰鹽能提高電解液離子強(qiáng)度B.添加功能小分子能穩(wěn)定SEI膜，減少鋰金屬副反應(yīng)C.添加離子液體能增大電解液電導(dǎo)率D.添加納米顆粒主要目的是增加電極比表面積，提升利用率6.在鋰硫電池的循環(huán)過程中，負(fù)極鋰金屬表面形成的SEI膜如果過于厚或過于薄，都可能對電池性能產(chǎn)生不利影響。以下描述正確的是？A.過厚的SEI膜會增加電池內(nèi)阻，但能有效阻止鋰枝晶生長B.過薄的SEI膜強(qiáng)度不足，容易破裂，導(dǎo)致鋰金屬繼續(xù)溶解和副反應(yīng)C.優(yōu)化SEI膜是提升鋰硫電池循環(huán)穩(wěn)定性的關(guān)鍵途徑之一D.SEI膜的成分與鋰硫副反應(yīng)無關(guān)7.影響鋰硫電池循環(huán)穩(wěn)定性的電極結(jié)構(gòu)因素中，以下哪項描述是錯誤的？A.較高的電極孔隙率有利于電解液浸潤和傳質(zhì)B.較大的電極壓片密度能提高電子導(dǎo)電性C.合理的電極厚度有助于緩解體積膨脹應(yīng)力D.三維多孔結(jié)構(gòu)電極通常比二維片狀電極具有更好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性8.對于研究鋰硫電池循環(huán)穩(wěn)定性，以下哪種表征技術(shù)主要用于分析電極材料的晶體結(jié)構(gòu)變化？A.透射電子顯微鏡（TEM）B.X射線光電子能譜（XPS）C.X射線衍射（XRD）D.核磁共振（NMR）9.當(dāng)鋰硫電池發(fā)生明顯的容量衰減時，通常需要檢測電解液中溶解的多硫化物含量。以下哪種分析方法最為常用？A.傅里葉變換紅外光譜（FTIR）B.電化學(xué)阻抗譜（EIS）C.電解液電導(dǎo)率測量D.電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）10.提出并驗證了“溶解-擴(kuò)散”理論的科學(xué)家是？A.JohnB.GoodenoughB.M.StanleyWhittinghamC.AkiraYoshinoD.GilbertN.Lewis二、填空題（每空2分，共20分）1.鋰硫電池中，正極材料硫在充放電過程中主要以________態(tài)和________態(tài)的形式存在。2.影響鋰硫電池循環(huán)穩(wěn)定性的內(nèi)在因素主要包括電極材料的________穩(wěn)定性、________穩(wěn)定性以及鋰金屬負(fù)極的________問題。3.為了解決多硫化物穿梭效應(yīng)，研究者開發(fā)了多種策略，例如________正極、使用________電解液以及設(shè)計________隔膜等。4.電解液添加劑中的________類添加劑可以與溶解的多硫化物反應(yīng)生成沉淀，從而降低其在電解液中的溶解度。5.鋰硫電池在循環(huán)過程中，正極材料經(jīng)歷體積變化，導(dǎo)致電極結(jié)構(gòu)破壞，這種現(xiàn)象被稱為________效應(yīng)，是造成電池循環(huán)壽命縮短的重要原因之一。6.表征鋰硫電池循環(huán)穩(wěn)定性時，除了循環(huán)容量和庫侖效率，常用的電化學(xué)方法還包括________和________。7.固態(tài)鋰硫電池被認(rèn)為是解決液態(tài)鋰硫電池多硫化物穿梭和內(nèi)部短路問題的一種有前景的方向，其關(guān)鍵在于開發(fā)高性能的________電解質(zhì)。8.鋰金屬在嵌硫過程中，容易與電解液發(fā)生反應(yīng)，在負(fù)極表面形成一層鋰鹽與有機(jī)物的混合膜，這層膜被稱為________膜，其穩(wěn)定性對電池循環(huán)壽命至關(guān)重要。9.提高鋰硫電池循環(huán)穩(wěn)定性的一個重要途徑是優(yōu)化正極材料的結(jié)構(gòu)，例如采用________硫、構(gòu)建________結(jié)構(gòu)等。10.理解鋰硫電池的循環(huán)衰減機(jī)制對于設(shè)計有效的改性策略至關(guān)重要，常見的失效機(jī)制包括多硫化物________、正極材料________以及鋰金屬________。三、名詞解釋（每題3分，共15分）1.庫侖效率2.穿梭效應(yīng)3.固態(tài)電解質(zhì)4.體積膨脹5.SEI膜四、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述鋰硫電池循環(huán)穩(wěn)定性差的主要原因。2.簡述鋰金屬負(fù)極在鋰硫電池中面臨的主要挑戰(zhàn)。3.簡述正極材料改性提升鋰硫電池循環(huán)穩(wěn)定性的幾種常見方法。4.簡述電解液添加劑在抑制多硫化物穿梭方面的作用機(jī)制。五、論述題（每題10分，共30分）1.結(jié)合影響鋰硫電池循環(huán)穩(wěn)定性的因素，論述如何設(shè)計一個綜合性的策略來同時解決多硫化物穿梭和體積膨脹問題。2.論述電化學(xué)阻抗譜（EIS）技術(shù)在研究鋰硫電池循環(huán)穩(wěn)定性過程中的應(yīng)用價值。3.比較并論述鋰硫電池相對于鋰離子電池在能量密度上的優(yōu)勢，以及克服其循環(huán)穩(wěn)定性難題對于未來能源應(yīng)用的意義。---試卷答案一、選擇題1.D2.C3.C4.C5.A6.B7.B8.C9.D10.B二、填空題1.多硫化物；離子2.化學(xué)；物理；枝晶生長3.納米化；捕獲劑；阻隔4.酸性5.體積6.等效串聯(lián)電阻（ESR）測試；循環(huán)伏安（CV）7.固態(tài)8.固態(tài)電解質(zhì)界面（SEI）9.納米；多孔10.穿梭；體積膨脹；枝晶生長三、名詞解釋1.庫侖效率：指電池在充放電循環(huán)中，放出電量與吸收電量的比值，反映了電池中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)的準(zhǔn)可逆性，是衡量電池性能的重要指標(biāo)之一。2.穿梭效應(yīng)：指在鋰硫電池充放電過程中，溶解在電解液中的多硫化物陰離子（或分子）從正極遷移到負(fù)極，并在負(fù)極表面發(fā)生沉積或進(jìn)一步反應(yīng)，隨后在放電時又遷移回正極的過程，這個過程導(dǎo)致活性物質(zhì)損失和電池性能下降。3.固態(tài)電解質(zhì)：指以固態(tài)形式存在的電解質(zhì)材料，通常具有離子導(dǎo)電性，用于替代傳統(tǒng)的液態(tài)電解液，旨在解決液態(tài)電池的安全性和多硫化物穿梭等問題。4.體積膨脹：指鋰硫電池在充放電過程中，正極材料由于鋰化反應(yīng)導(dǎo)致晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而引起體積發(fā)生顯著增大的現(xiàn)象，這會對電極結(jié)構(gòu)造成破壞，降低電池循環(huán)壽命。5.SEI膜：固態(tài)電解質(zhì)界面膜的縮寫，指在鋰金屬負(fù)極表面，鋰金屬與電解液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在負(fù)極表面形成的一層由鋰鹽和有機(jī)成分組成的、相對穩(wěn)定的薄膜，其作用是阻止鋰金屬進(jìn)一步溶解，同時允許鋰離子通過，對電池的循環(huán)穩(wěn)定性和安全性至關(guān)重要。四、簡答題1.鋰硫電池循環(huán)穩(wěn)定性差的主要原因是多方面的：首先，正極材料硫在充放電過程中易形成溶解度較大的多硫化物，這些多硫化物在電解液中發(fā)生穿梭效應(yīng)，導(dǎo)致活性物質(zhì)損失和正極結(jié)構(gòu)破壞；其次，正極材料在鋰化/脫鋰過程中會發(fā)生顯著的體積膨脹，導(dǎo)致電極結(jié)構(gòu)粉化、導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)斷裂；再次，鋰金屬負(fù)極在嵌鋰過程中容易形成鋰枝晶，并導(dǎo)致SEI膜不穩(wěn)定且持續(xù)增厚，增加電池內(nèi)阻，甚至引發(fā)內(nèi)部短路；最后，電解液與鋰金屬、正極材料之間的副反應(yīng)也會消耗活性物質(zhì)，降低電池性能。2.鋰金屬負(fù)極在鋰硫電池中面臨的主要挑戰(zhàn)包括：首先，鋰金屬具有非常高的活性，容易與電解液發(fā)生副反應(yīng)，形成不穩(wěn)定且厚的SEI膜，這層膜不僅導(dǎo)電性差，而且會不斷生長、破裂，導(dǎo)致鋰金屬持續(xù)溶解，無法形成穩(wěn)定的鋰金屬負(fù)極；其次，鋰金屬在嵌鋰過程中會發(fā)生巨大的體積變化（約300-400%），容易導(dǎo)致鋰枝晶的形成和生長，鋰枝晶不僅會刺穿隔膜，引發(fā)電池內(nèi)部短路，還可能造成電池物理結(jié)構(gòu)的損壞；此外，鋰金屬負(fù)極的比表面積大，容易發(fā)生“鋰析出過電位”，降低庫侖效率，并可能誘發(fā)副反應(yīng)。3.正極材料改性提升鋰硫電池循環(huán)穩(wěn)定性的常見方法包括：一是減小硫的粒徑，如制備納米硫或亞微米硫，以增加比表面積，限制多硫化物的溶解和穿梭；二是構(gòu)建多孔結(jié)構(gòu)載體，如碳材料、多孔聚合物或金屬有機(jī)框架（MOF），為硫提供緩沖空間，限制體積膨脹，并提供良好的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)；三是將硫與高導(dǎo)電材料復(fù)合，如碳納米管、石墨烯等，以提高電子導(dǎo)電性；四是摻雜其他元素，如氮、磷、硫等，可以改變硫的電子結(jié)構(gòu)，降低多硫化物的溶解度，或增強(qiáng)與載體的相互作用；五是設(shè)計核殼結(jié)構(gòu)或雜化結(jié)構(gòu)正極，將硫限制在殼層內(nèi)部，防止其流失。4.電解液添加劑在抑制多硫化物穿梭方面的作用機(jī)制主要有：一是吸附/捕獲機(jī)制，一些添加劑分子可以物理吸附在電極表面或與多硫化物發(fā)生化學(xué)吸附，從而降低多硫化物在電解液中的溶解度或遷移能力；二是化學(xué)反應(yīng)機(jī)制，某些添加劑可以與溶解的多硫化物發(fā)生反應(yīng)，生成不溶性的沉淀物，或者將多硫化物轉(zhuǎn)化為溶解度更低、遷移能力更差的物種，從而將其“鎖”在電極表面或?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為其他形式；三是SEI膜修飾機(jī)制，一些添加劑可以參與SEI膜的形成過程，生成更穩(wěn)定、更致密、更能阻擋多硫化物通過的SEI膜，從而阻止多硫化物向負(fù)極遷移。五、論述題1.設(shè)計一個綜合性的策略來同時解決鋰硫電池的多硫化物穿梭和體積膨脹問題，需要考慮正極、電解液和電極結(jié)構(gòu)等多個方面的協(xié)同優(yōu)化。首先，在正極方面，可以采用納米化或亞微米化的硫材料，以限制多硫化物的生成和溶解量；同時，選擇具有高比表面積、高孔隙率、良好導(dǎo)電性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的多孔碳材料作為硫載體，不僅可以限制多硫化物的擴(kuò)散，還可以提供緩沖空間來緩解體積膨脹應(yīng)力。其次，在電解液方面，可以添加具有捕獲多硫化物能力的功能性添加劑，如含有含氮、含氧或含硫官能團(tuán)的化合物，將溶解的多硫化物吸附或反應(yīng)生成沉淀，限制其穿梭；同時，使用離子液體作為溶劑，由于其高離子電導(dǎo)率和低蒸氣壓，有助于提高電池性能并抑制多硫化物溶解。最后，在電極結(jié)構(gòu)方面，可以構(gòu)建三維多孔結(jié)構(gòu)電極，增大電極的比表面積和孔隙率，有利于電解液浸潤和傳質(zhì)，同時提供空間容納體積變化；此外，在負(fù)極可以采用鋰金屬框架或預(yù)鋰化技術(shù)，以及表面涂層等方法來穩(wěn)定鋰金屬負(fù)極，抑制枝晶生長。通過正極改性、電解液優(yōu)化和電極結(jié)構(gòu)設(shè)計的協(xié)同作用，可以有效抑制多硫化物穿梭和緩解體積膨脹問題，從而顯著提升鋰硫電池的循環(huán)穩(wěn)定性。2.電化學(xué)阻抗譜（EIS）技術(shù)在研究鋰硫電池循環(huán)穩(wěn)定性過程中具有重要的應(yīng)用價值。EIS是一種非破壞性的電化學(xué)技術(shù)，可以通過測量電池在不同頻率下的交流阻抗，獲得電池內(nèi)部電阻的頻率響應(yīng)信息，進(jìn)而解析電池的等效電路模型，揭示電池內(nèi)部發(fā)生的電化學(xué)過程和電荷轉(zhuǎn)移動力學(xué)。在研究鋰硫電池循環(huán)穩(wěn)定性時，EIS可以用來監(jiān)測和表征電池在循環(huán)過程中的多種變化：首先，可以通過分析阻抗譜中的半圓弧（通常對應(yīng)SEI膜阻抗和電荷轉(zhuǎn)移阻抗）的直徑和頻率變化，評估SEI膜的穩(wěn)定性和生長情況，以及鋰金屬負(fù)極的表面反應(yīng)活性；其次，可以通過分析阻抗譜中的Warburg阻抗（對應(yīng)鋰離子擴(kuò)散阻抗）的變化，評估正極材料中鋰離子的擴(kuò)散能力，以及負(fù)極中鋰金屬的嵌鋰/脫鋰動力學(xué)，這對于理解容量衰減和庫侖效率變化至關(guān)重要；此外，EIS還可以用來評估電極結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，例如通過監(jiān)測電極阻抗隨循環(huán)次數(shù)的變化，可以判斷電極是否發(fā)生粉化、導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)破壞等現(xiàn)象。通過對比不同循環(huán)次數(shù)或不同條件下的EIS譜圖，可以定量地跟蹤鋰硫電池循環(huán)過程中關(guān)鍵參數(shù)的變化，為理解循環(huán)衰減機(jī)制和優(yōu)化改性策略提供重要的實驗依據(jù)?？傊?，EIS技術(shù)為研究鋰硫電池復(fù)雜的循環(huán)穩(wěn)定性問題提供了一種強(qiáng)大的工具，能夠揭示電池內(nèi)部發(fā)生的微觀過程，并指導(dǎo)材料設(shè)計和工藝優(yōu)化。3.鋰硫電池相對于傳統(tǒng)鋰離子電池在能量密度上具有顯著優(yōu)勢。鋰硫電池正極材料硫的理論比容量高達(dá)1675mAh/g，遠(yuǎn)高于鋰離子電池常用正極材料（如LiCoO2,180mAh/g;LiFePO4,170mAh/g）的理論比容量，這意味著在相同質(zhì)量或體積下，鋰硫電池可以提供更高的能量密度。這一優(yōu)勢對于需要高能量密度的應(yīng)用場景