2025年大學(xué)《能源化學(xué)》專業(yè)題庫——電池材料的化學(xué)設(shè)計(jì)與改進(jìn)考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)字母填在題干后的括號(hào)內(nèi)）1.在設(shè)計(jì)高能量密度鋰離子電池正極材料時(shí)，以下哪種策略不利于提高材料的理論容量？（）A.構(gòu)建具有高氧化態(tài)的過渡金屬元素B.增加材料的晶格中可插入離子的位點(diǎn)C.設(shè)計(jì)具有高電子電導(dǎo)率的金屬有機(jī)框架（MOF）D.選擇具有高離子擴(kuò)散系數(shù)的復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)2.對(duì)于鋰離子電池負(fù)極材料，以下哪種改性方法主要目的是為了提高其循環(huán)穩(wěn)定性？（）A.增加材料的比表面積以提升倍率性能B.構(gòu)建納米結(jié)構(gòu)以縮短鋰離子擴(kuò)散路徑C.表面包覆一層穩(wěn)定的氧化物或氮化物薄膜D.提高材料的電子電導(dǎo)率以減少界面電阻3.在設(shè)計(jì)固態(tài)電池時(shí)，選擇合適的固態(tài)電解質(zhì)關(guān)鍵在于其具備以下哪種特性？（）A.高機(jī)械強(qiáng)度以支撐電池結(jié)構(gòu)B.高電子電導(dǎo)率以利于電荷傳輸C.高離子電導(dǎo)率以利于離子傳輸D.高化學(xué)穩(wěn)定性以避免與電極材料發(fā)生反應(yīng)4.X射線衍射（XRD）技術(shù)主要用于分析材料的：（）A.元素組成和化學(xué)態(tài)B.微觀形貌和缺陷結(jié)構(gòu)C.晶體結(jié)構(gòu)、物相組成和結(jié)晶度D.比表面積和孔徑分布5.水熱法通常適用于制備哪種類型的電池材料？（）A.純金屬負(fù)極材料B.金屬氧化物正極材料C.離子液體電解質(zhì)D.碳納米管導(dǎo)電劑6.在電化學(xué)阻抗譜（EIS）分析中，半圓弧部分通常對(duì)應(yīng)于：（）A.電極/電解質(zhì)界面的電荷轉(zhuǎn)移電阻B.電極體相內(nèi)部的離子擴(kuò)散電阻C.電解質(zhì)自身的離子電導(dǎo)電阻D.隔膜的離子傳輸電阻7.對(duì)于鈉離子電池，設(shè)計(jì)新型正極材料時(shí)，需要重點(diǎn)考慮其：（）A.在3.0-4.2V電壓窗口下的穩(wěn)定性B.較高的理論容量（>160mAh/g）C.與鈉離子的高親和力D.在低溫環(huán)境（<0°C）下的電化學(xué)性能8.離子摻雜到電池材料晶格中，主要目的是為了：（）A.增加材料的比表面積B.改變材料的晶格常數(shù)，調(diào)節(jié)充放電電位C.提高材料的電子電導(dǎo)率D.降低材料的制備成本9.設(shè)計(jì)具有中空結(jié)構(gòu)的電池材料，其主要優(yōu)勢(shì)在于：（）A.提高材料的密度B.增加材料的比表面積，并提供額外的緩沖空間以緩解體積膨脹C.降低材料的電子電導(dǎo)率D.減少材料的理論容量10.固態(tài)電解質(zhì)界面（SEI）膜的形成通常發(fā)生在：（）A.正極材料表面B.負(fù)極材料表面C.電解質(zhì)與空氣的界面D.電極與隔膜的界面二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在橫線上）1.電池材料的化學(xué)設(shè)計(jì)通常需要綜合考慮其__________、__________、__________和__________等關(guān)鍵性能指標(biāo)。2.通過對(duì)材料進(jìn)行__________或__________，可以引入缺陷，從而可能調(diào)變其電子結(jié)構(gòu)、離子擴(kuò)散路徑和表面性質(zhì)。3.在設(shè)計(jì)鋰離子電池正極材料時(shí)，除了關(guān)注容量和電壓，其__________和__________也是至關(guān)重要的性能參數(shù)。4.表面改性是改善電池材料性能的常用手段之一，例如，通過__________薄膜可以抑制鋰枝晶的生長(zhǎng)，提高電池的安全性。5.電化學(xué)循環(huán)伏安法（CV）主要用于研究電池材料的__________、__________和__________信息。6.將不同功能或性質(zhì)的兩種或多種材料復(fù)合在一起，形成復(fù)合材料，是另一種重要的化學(xué)設(shè)計(jì)策略，旨在實(shí)現(xiàn)__________效應(yīng)。7.對(duì)于固態(tài)電池，除了電解質(zhì)材料本身，電極材料與電解質(zhì)的__________也是一個(gè)關(guān)鍵問題。8.計(jì)算機(jī)輔助材料設(shè)計(jì)（CAMD）方法利用__________和__________等工具，加速新型電池材料的發(fā)現(xiàn)和設(shè)計(jì)過程。9.提高電池材料的__________是提升電池功率密度的關(guān)鍵途徑之一。10.模板法是一種常用的材料合成策略，可以利用模板材料的__________或__________來精確控制產(chǎn)物的形貌或孔道結(jié)構(gòu)。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在改善電池材料電化學(xué)性能方面的主要優(yōu)勢(shì)。2.解釋什么是合金化，并說明其在設(shè)計(jì)電池電極材料時(shí)可能帶來的益處。3.簡(jiǎn)要說明表面包覆層對(duì)鋰離子電池負(fù)極材料性能（如循環(huán)壽命、倍率性能）的改善機(jī)制。4.針對(duì)鋰離子電池正極材料容易發(fā)生“電壓衰減”的問題，可以從材料化學(xué)設(shè)計(jì)的角度提出哪些解決方案？四、論述題（每題10分，共20分）1.論述設(shè)計(jì)高倍率性能電池負(fù)極材料時(shí)需要考慮的關(guān)鍵因素及其相互關(guān)系。2.比較并論述固態(tài)電解質(zhì)與液態(tài)電解質(zhì)在化學(xué)設(shè)計(jì)思路和面臨的主要挑戰(zhàn)上的異同點(diǎn)。五、材料設(shè)計(jì)與應(yīng)用題（15分）以設(shè)計(jì)一種適用于高低溫（-20°C至60°C）工作環(huán)境的高能量密度鈉離子電池正極材料為例，闡述你的設(shè)計(jì)思路。需要說明：（1）預(yù)期的關(guān)鍵性能指標(biāo)（至少三項(xiàng)）。（2）初步選擇的核心材料類型或化學(xué)式，并簡(jiǎn)述理由。（3）至少提出三種具體的化學(xué)設(shè)計(jì)或改進(jìn)策略，以同時(shí)滿足高能量密度和寬溫域工作的要求，并分別說明每種策略的原理和預(yù)期效果。試卷答案一、選擇題1.C2.C3.C4.C5.B6.A7.C8.B9.B10.B二、填空題1.理論容量，工作電壓，電化學(xué)穩(wěn)定性，倍率性能2.離子摻雜，元素取代3.循環(huán)壽命，安全性4.LiF,Al2O3(或其他常見SEI成膜抑制劑)5.電極反應(yīng)，氧化還原電位，電荷轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)6.協(xié)同7.界面相容性8.理論計(jì)算，機(jī)器學(xué)習(xí)9.電子電導(dǎo)率10.模板效應(yīng)，孔道結(jié)構(gòu)三、簡(jiǎn)答題1.納米結(jié)構(gòu)可以增大材料的比表面積，提供更多反應(yīng)活性位點(diǎn)；縮短鋰離子在材料內(nèi)部的擴(kuò)散路徑，提高離子擴(kuò)散速率；形成更均勻的相變，緩解體積膨脹應(yīng)力，提高循環(huán)穩(wěn)定性；可能形成更有效的SEI膜，提高倍率性能。2.合金化是指兩種或多種金屬或金屬與非金屬元素通過熔融混合并凝固形成的具有金屬性質(zhì)的固溶體或化合物。其在設(shè)計(jì)電池電極材料時(shí)可能帶來的益處包括：通過改變晶格結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)材料的充放電電位；形成固溶體相變，提高材料的循環(huán)穩(wěn)定性；利用不同元素的協(xié)同效應(yīng)，優(yōu)化材料的容量和電導(dǎo)率。3.表面包覆層可以通過物理隔離或化學(xué)反應(yīng)抑制鋰枝晶的形成，提高電池的安全性；阻止活性物質(zhì)與電解液的直接接觸，減少副反應(yīng)，延長(zhǎng)循環(huán)壽命；改善材料表面的電化學(xué)環(huán)境，可能降低電荷轉(zhuǎn)移電阻，提高倍率性能；引導(dǎo)SEI膜的形成，形成一層穩(wěn)定、離子導(dǎo)電性好的薄膜，保護(hù)內(nèi)部活性物質(zhì)。4.解決鋰離子電池正極材料電壓衰減問題的化學(xué)設(shè)計(jì)方案包括：優(yōu)化材料的晶體結(jié)構(gòu)，選擇具有更穩(wěn)定相變的材料或設(shè)計(jì)陳化/預(yù)處理工藝以穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；進(jìn)行元素?fù)诫s或取代，調(diào)節(jié)價(jià)態(tài)，穩(wěn)定層狀或尖晶石等結(jié)構(gòu)在循環(huán)過程中的結(jié)構(gòu)完整性；構(gòu)建納米復(fù)合結(jié)構(gòu)或多級(jí)結(jié)構(gòu)，提供緩沖空間，緩解體積變化對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞；表面包覆或界面工程，抑制結(jié)構(gòu)降解和表面副反應(yīng)。四、論述題1.設(shè)計(jì)高倍率性能電池負(fù)極材料時(shí)需要考慮的關(guān)鍵因素及其相互關(guān)系：首先，電子電導(dǎo)率至關(guān)重要，低電阻有利于電子快速通過，支撐高電流密度下的充放電。其次，離子電導(dǎo)率同樣關(guān)鍵，離子在材料內(nèi)部快速嵌入/脫出是高倍率性能的基礎(chǔ)，這通常與材料的結(jié)構(gòu)開放性、離子擴(kuò)散路徑長(zhǎng)度和擴(kuò)散系數(shù)有關(guān)。第三，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，特別是材料在高倍率充放電（伴隨快速的結(jié)構(gòu)變化）下的體積穩(wěn)定性，直接決定了其循環(huán)壽命。第四，表面性質(zhì)，包括表面能、與電解液的相互作用，影響SEI膜的形成和穩(wěn)定性，進(jìn)而影響倍率性能和壽命。這些因素相互關(guān)聯(lián)，例如，高電子導(dǎo)電性的材料通常易于制備，但未必一定具有高離子電導(dǎo)率或優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；而為了提高離子電導(dǎo)率可能需要開放結(jié)構(gòu)，但這又會(huì)犧牲一定的電子導(dǎo)電性或結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。因此，設(shè)計(jì)高倍率負(fù)極材料需要在電子傳導(dǎo)、離子傳導(dǎo)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和表面兼容性之間進(jìn)行權(quán)衡與優(yōu)化。2.固態(tài)電解質(zhì)與液態(tài)電解質(zhì)在化學(xué)設(shè)計(jì)思路和面臨的主要挑戰(zhàn)上的異同點(diǎn)比較：相同點(diǎn)在于兩者都需要通過化學(xué)設(shè)計(jì)來優(yōu)化其核心性能，如提高離子電導(dǎo)率（固態(tài)側(cè)重離子，液態(tài)側(cè)重離子和電子）、改善界面相容性（電解質(zhì)/電極界面）、提高化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性、降低成本等。不同點(diǎn)在于設(shè)計(jì)側(cè)重點(diǎn)和面臨挑戰(zhàn)不同。液態(tài)電解質(zhì)設(shè)計(jì)主要圍繞電解液本身（如選擇合適的溶劑、高遷移數(shù)、高電化學(xué)窗口的電解質(zhì)鹽、添加劑以調(diào)控粘度、電導(dǎo)率和形成穩(wěn)定SEI膜）以及確保與電極材料的良好浸潤(rùn)和界面穩(wěn)定性。其挑戰(zhàn)主要在于電解液的化學(xué)穩(wěn)定性（易分解、副反應(yīng)）、安全性（易燃、易爆）和粘度問題。固態(tài)電解質(zhì)設(shè)計(jì)則更側(cè)重于材料本身的離子輸運(yùn)能力（如通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高離子通道密度和離子遷移率）、化學(xué)惰性（不與電極或集流體反應(yīng)）、機(jī)械強(qiáng)度（需支撐電池結(jié)構(gòu)）、與電極的界面接觸電阻和穩(wěn)定性（界面相容性、界面層形成）。其挑戰(zhàn)主要在于較低的離子電導(dǎo)率（尤其室溫下）、較高的界面電阻、機(jī)械脆性以及制備工藝的復(fù)雜性。此外，固態(tài)電池對(duì)電極材料的設(shè)計(jì)也提出了更高要求，需考慮其與固態(tài)電解質(zhì)的直接接觸和工作在更高電壓或不同環(huán)境下的穩(wěn)定性。五、材料設(shè)計(jì)與應(yīng)用題（1）預(yù)期的關(guān)鍵性能指標(biāo)：高能量密度（例如>120mAh/g）、寬溫域工作能力（-20°C至60°C下均能穩(wěn)定充放電）、良好的倍率性能（例如C/10至C/2放電倍率下容量保持率>80%）、長(zhǎng)循環(huán)壽命（例如500次循環(huán)后容量衰減<20%）。（2）初步選擇的核心材料類型或化學(xué)式：可以考慮層狀氧化物，例如Na0.44[Mn0.33Ni0.33Fe0.34]O2（NFM-44）或普魯士藍(lán)類似物（PBAs），或鈉超離子導(dǎo)體（如NaNbO3）。選擇理由：層狀氧化物（如NFM-44）具有較高的理論容量，可以通過組分調(diào)變和結(jié)構(gòu)優(yōu)化適應(yīng)鈉離子；PBAs具有開放的框架結(jié)構(gòu)，有利于鈉離子快速傳輸；NaNbO3作為鈉超離子導(dǎo)體，本身具有高離子電導(dǎo)率，但其容量相對(duì)較低，可能需要與其他高容量正極材料復(fù)合或進(jìn)行結(jié)構(gòu)改性。選擇哪種需根據(jù)具體目標(biāo)和設(shè)計(jì)側(cè)重。（3）具體的化學(xué)設(shè)計(jì)或改進(jìn)策略：a.納米化/結(jié)構(gòu)優(yōu)化：將材料制備成納米顆?；蚣{米復(fù)合材料（如納米線、納米片或與碳材料復(fù)合）。原理：減小鈉離子擴(kuò)散路徑，提高離子和電子的傳輸速率，緩解充放電過程中的體積膨脹應(yīng)力，從而提升倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。預(yù)期效果：提高材料在低溫下的電化學(xué)活性，改善倍率性能，延長(zhǎng)循環(huán)壽命。b.元素?fù)诫s/取代：在材料中摻雜或取代部分陽離子（如用Co,Mg等取代Mn,Fe等）。原理：摻雜元素可能改變晶格常數(shù)，打開新的鈉離子擴(kuò)散通道，或通過改變電子結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)電化學(xué)電位和反