2025年大學(xué)《能源化學(xué)》專業(yè)題庫——高能量密度電池電解質(zhì)的設(shè)計考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題1.在高能量密度電池中，電解質(zhì)的電化學(xué)窗口通常指的是什么？A.電解質(zhì)的最大使用溫度B.電解質(zhì)能夠穩(wěn)定存在的最低電壓和最高電壓范圍C.電解質(zhì)中離子遷移的速率D.電解質(zhì)導(dǎo)電能力的強(qiáng)弱2.下列哪種材料通常被認(rèn)為最適合用作固態(tài)鋰離子電池的電解質(zhì)，以實(shí)現(xiàn)高能量密度和安全性？A.傳統(tǒng)的有機(jī)液體電解質(zhì)B.聚合物基凝膠電解質(zhì)C.具有高離子電導(dǎo)率的無機(jī)玻璃陶瓷電解質(zhì)D.鈉離子固體電解質(zhì)3.向液體電解質(zhì)中添加氟化物負(fù)離子（如PF6-）的主要目的是什么？A.顯著提高電解質(zhì)的電導(dǎo)率B.增加電解質(zhì)的粘度以改善流動性C.擴(kuò)大電解質(zhì)的電化學(xué)窗口，提高電池的工作電壓D.主要用于鋰空氣電池中作為反應(yīng)物4.離子液體作為電解質(zhì)，其主要優(yōu)勢之一是？A.極低的熔點(diǎn)B.與所有電極材料都高度兼容C.極高的安全性，不易燃易爆D.非常低的成本5.在設(shè)計用于鋰硫電池的電解質(zhì)時，一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)是如何解決多硫化物的穿梭效應(yīng)。以下哪種策略可能有助于抑制穿梭效應(yīng)？A.使用高粘度的電解質(zhì)B.設(shè)計能夠固定多硫化物的固態(tài)聚合物電解質(zhì)薄膜C.使用能夠與多硫化物形成穩(wěn)定絡(luò)合物的添加劑D.選擇電化學(xué)窗口非常寬的溶劑6.提高固體電解質(zhì)離子電導(dǎo)率的常用方法之一是？A.降低材料的晶格缺陷密度B.增加材料的離子遷移數(shù)C.對材料進(jìn)行納米化處理D.降低材料的化學(xué)穩(wěn)定性7.電解質(zhì)添加劑在改善電解質(zhì)性能方面可以扮演多種角色，以下哪項(xiàng)描述是不正確的？A.可以降低電解質(zhì)的粘度，提高離子遷移速率B.可以穩(wěn)定電池的界面層（SEI膜）C.可以通過增加溶劑的介電常數(shù)來提高鋰鹽的溶解度D.可以直接提供電池的充電電量8.相比于傳統(tǒng)的碳酸酯類溶劑，碳酸二甲酯（DMC）作為電解質(zhì)溶劑時，其優(yōu)點(diǎn)通常不包括？A.更高的介電常數(shù)B.更低的凝固點(diǎn)C.更好的電化學(xué)穩(wěn)定性D.更低的成本9.固態(tài)電解質(zhì)與電極之間的界面相容性（InterfacialCompatibility）對于電池性能至關(guān)重要。以下哪種情況會導(dǎo)致嚴(yán)重的界面問題？A.固態(tài)電解質(zhì)具有高離子電導(dǎo)率B.電極材料與固態(tài)電解質(zhì)界面處形成了穩(wěn)定、低電阻的層C.固態(tài)電解質(zhì)在電化學(xué)窗口內(nèi)化學(xué)穩(wěn)定D.電極材料與固態(tài)電解質(zhì)之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成阻抗很大的層10.設(shè)計高能量密度電池電解質(zhì)時，必須考慮的安全性因素通常不包括？A.電解質(zhì)的燃點(diǎn)B.電解質(zhì)的蒸氣壓C.電解質(zhì)對電極材料的腐蝕性D.電解質(zhì)在高溫下的分解溫度二、填空題1.電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率是衡量其______能力的關(guān)鍵參數(shù)，它主要取決于離子的______和______。2.為了提高液體電解質(zhì)的電化學(xué)穩(wěn)定性，通常會選用具有______和______的溶劑。3.在離子液體電解質(zhì)中，______是主要的載流子，其電導(dǎo)率受______影響很大。4.固態(tài)電解質(zhì)可以分為主要依靠______導(dǎo)電和主要依靠______導(dǎo)電的兩類。5.添加到電解質(zhì)中的______可以與鋰金屬形成穩(wěn)定的鈍化膜，抑制副反應(yīng)，提高電池循環(huán)壽命。6.設(shè)計用于鋰空氣電池的電解質(zhì)時，需要特別注意提高電解質(zhì)的______和______，并抑制______的穿梭效應(yīng)。7.提高固體電解質(zhì)離子遷移數(shù)是優(yōu)化其性能的一個途徑，這通?？梢酝ㄟ^______或______來實(shí)現(xiàn)。三、名詞解釋1.電化學(xué)窗口2.遷移數(shù)3.離子液體4.穿梭效應(yīng)四、簡答題1.簡述寬電化學(xué)窗口對高能量密度電池電解質(zhì)的重要性。2.比較液體電解質(zhì)和固態(tài)電解質(zhì)在高能量密度電池應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)。3.簡要說明電解質(zhì)添加劑在改善液體電解質(zhì)性能方面可以起到哪些作用。4.針對提高鋰離子電池固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率，可以提出哪些主要的設(shè)計策略？五、論述題1.論述離子液體作為高能量密度電池電解質(zhì)的優(yōu)勢、劣勢以及目前面臨的主要挑戰(zhàn)。2.結(jié)合具體實(shí)例，論述設(shè)計高能量密度電池電解質(zhì)時，如何平衡電化學(xué)窗口、離子電導(dǎo)率、安全性和成本這幾個相互關(guān)聯(lián)的因素。---試卷答案一、選擇題1.B2.C3.C4.C5.C6.C7.D8.C9.D10.D二、填空題1.離子傳導(dǎo)；離子遷移數(shù)；離子濃度2.寬；高3.陰離子；離子活度4.離子；電子5.界面修飾劑(或SEI形成促進(jìn)劑)6.室溫離子電導(dǎo)率；空氣穩(wěn)定性(或氧化還原穩(wěn)定性)；多硫化物7.摻雜；納米化三、名詞解釋1.電化學(xué)窗口：電解質(zhì)能夠穩(wěn)定存在的最低電壓和最高電壓范圍，超出此范圍電解質(zhì)會發(fā)生分解或參與電化學(xué)反應(yīng)。2.遷移數(shù)：在離子導(dǎo)體中，某種離子的遷移速率與所有離子總遷移速率之比，表示該離子對總電流的貢獻(xiàn)程度。3.離子液體：在室溫或近室溫下呈液態(tài)的有機(jī)或無機(jī)鹽類，通常具有低粘度、寬電化學(xué)窗口、高離子電導(dǎo)率、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。4.穿梭效應(yīng)：在電池充放電過程中，活性物質(zhì)或其副產(chǎn)物（如多硫化物）通過電解質(zhì)遷移到對方的電極區(qū)域，導(dǎo)致電池容量衰減、電壓異常、循環(huán)壽命縮短的現(xiàn)象。四、簡答題1.解析思路：寬電化學(xué)窗口意味著電解質(zhì)能在更高的電壓下穩(wěn)定存在，這直接允許電池設(shè)計更高的工作電壓。電池的能量密度與其工作電壓成正比（E=QV，Q為電荷量）。因此，寬電化學(xué)窗口是提高電池能量密度的基本要求和關(guān)鍵因素之一，它使得電池能夠存儲更多的能量。2.解析思路：液體電解質(zhì)優(yōu)點(diǎn)：離子電導(dǎo)率高（尤其低溫下）、制備相對簡單、成本較低、與電極材料（特別是鋰金屬）通常具有良好的浸潤性和相容性。缺點(diǎn)：安全性差（易燃易爆）、存在溶劑和鹽的分解、可能發(fā)生電解液與電極材料的副反應(yīng)（如形成SEI膜消耗活性物質(zhì)）、存在離子穿梭效應(yīng)和多硫化物溶解（對鋰硫電池）。固態(tài)電解質(zhì)優(yōu)點(diǎn)：安全性高、離子電導(dǎo)率潛力高（尤其高溫下或摻雜后）、循環(huán)壽命長、不易發(fā)生電解液副反應(yīng)。缺點(diǎn)：通常離子電導(dǎo)率較低（尤其室溫下）、與電極材料的界面相容性差、制備工藝復(fù)雜、成本較高。3.解析思路：電解質(zhì)添加劑的作用是多方面的：①降低粘度：改善離子遷移，提高離子電導(dǎo)率。②提高電化學(xué)窗口：通過形成穩(wěn)定的SEI膜或自身分解形成穩(wěn)定界面，抑制電解質(zhì)分解。③促進(jìn)SEI膜形成：提供合適的反應(yīng)物，形成穩(wěn)定、低阻抗的界面層，保護(hù)電極。④抑制副反應(yīng)：如絡(luò)合多硫化物，抑制穿梭效應(yīng)；或鈍化鋰金屬表面。⑤調(diào)節(jié)離子性質(zhì)：如改變離子半徑、遷移數(shù)或電化學(xué)活度。4.解析思路：提高固體電解質(zhì)離子電導(dǎo)率的主要策略：①納米化：減小離子擴(kuò)散路徑長度，提高離子遷移速率。②摻雜：引入適量缺陷（如陽離子、陰離子空位或間隙原子），增加電荷載流子濃度，降低遷移活化能。③離子取代：通過元素替換改變晶格結(jié)構(gòu)，優(yōu)化離子跳躍路徑和能量。④改善晶格匹配：選擇與電極材料晶格常數(shù)更匹配的固態(tài)電解質(zhì)，降低界面阻抗。⑤降低晶格缺陷：減少不利缺陷，提高離子遷移選擇性。五、論述題1.解析思路：優(yōu)勢：①極高的化學(xué)穩(wěn)定性，提供寬電化學(xué)窗口，適合高電壓電池；②極低的蒸氣壓，不易揮發(fā)，安全性高；③極低的熔點(diǎn)，常溫下為液態(tài)，室溫離子電導(dǎo)率可接受；④對鋰金屬具有良好的潤濕性和兼容性，不易形成鋰枝晶；⑤易于設(shè)計離子組成，可調(diào)控離子種類和濃度。劣勢：①離子電導(dǎo)率通常低于優(yōu)質(zhì)液體電解質(zhì)（尤其室溫下），且對溫度依賴性大；②固體電解質(zhì)與電極（特別是集流體）的界面相容性問題突出，界面阻抗大；③機(jī)械強(qiáng)度和柔韌性通常較差，不利于柔性電池；④制備工藝復(fù)雜，成本較高；⑤可能存在陰離子遷移數(shù)過高導(dǎo)致副反應(yīng)的問題。挑戰(zhàn)：①進(jìn)一步提高室溫離子電導(dǎo)率，使其達(dá)到或接近液體電解質(zhì)水平；②解決固體電解質(zhì)與電極的界面穩(wěn)定性問題，降低界面阻抗；③開發(fā)低成本、環(huán)境友好、易于大規(guī)模制備的離子液體電解質(zhì)；④提高離子液體的機(jī)械性能和柔性。2.解析思路：設(shè)計高能量密度電池電解質(zhì)時，需要平衡多個因素。①電化學(xué)窗口與能量密度：寬電化學(xué)窗口是高能量密度的基礎(chǔ)，但過于追求寬窗口可能犧牲電解質(zhì)的穩(wěn)定性或增加成本。②離子電導(dǎo)率與速率性能：高離子電導(dǎo)率是保證電池高倍率性能和能量密度的關(guān)鍵，但某些高電導(dǎo)率材料可能穩(wěn)定性較差或成本過高。③安全性與穩(wěn)定性：高能量密度往往伴隨著更高的電壓和更大的反應(yīng)活性，對電解質(zhì)的化學(xué)和熱穩(wěn)定性要求極高，易燃性等安全問題是首要考慮。④成本與可行