2025年大學《能源化學》專業(yè)題庫——電池循環(huán)壽命的壽命評價與改進考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項的字母填在括號內）1.下列哪一項不屬于電池循環(huán)壽命的主要衰減指標？A.容量衰減率B.內阻增加率C.庫侖效率D.電壓平臺寬度2.在電池循環(huán)壽命評價中，恒流充放電測試是最基本的方法，其核心依據是監(jiān)測電池在規(guī)定電流下的什么變化？A.端電壓B.充放電時間C.電流效率D.質量變化3.循環(huán)伏安法（CV）在電池壽命評價中主要應用在于？A.精確測量電池容量B.測量電池內阻C.識別電池循環(huán)過程中的電化學氧化還原反應D.直接確定電池的循環(huán)次數4.對于鋰離子電池，以下哪種現象通常與負極材料體積膨脹和粉化直接相關？A.SEI膜不穩(wěn)定生長B.正極活性物質損失C.隔膜穿刺D.鈣枝晶形成5.電化學阻抗譜（EIS）能夠用于電池壽命評價的主要原因是它能夠？A.直接讀出電池的容量B.揭示電池內部電化學過程的動力學信息C.測量電池的瞬時功率D.精確控制充電電流6.以下哪種策略主要從電極/電解液界面穩(wěn)定性入手，以改善鋰離子電池循環(huán)壽命？A.使用高倍率性能的正極材料B.開發(fā)高電壓的負極材料C.添加SEI成膜添加劑到電解液中D.減小電極顆粒尺寸7.間歇滴定法（ITT）主要用于評價哪種電池的循環(huán)壽命？A.鉛酸電池B.鋰離子電池C.燃料電池D.銀鋅電池8.提高鋰離子電池正極材料的熱穩(wěn)定性和結構穩(wěn)定性，通常有助于？A.提高電池的倍率性能B.延長電池的循環(huán)壽命C.降低電池的初始庫侖效率D.增加電池的放電平臺電壓9.電池在循環(huán)過程中內阻逐漸增加，這通常意味著？A.電池容量完全耗盡B.電池內部能量損耗增大，可用能量減少C.電池電壓急劇下降D.電池安全性顯著提高10.采用納米化技術制備電極材料，其主要目的之一是為了？A.提高材料的理論容量B.增加材料的電子電導率C.減小材料的體積膨脹效應D.降低材料的成本二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上）1.評價電池循環(huán)壽命時，常用的容量保持率（Rc）定義為：Rc=______/100%，其中分子是電池循環(huán)______次后的容量，分母是電池______容量。2.循環(huán)伏安法（CV）通過掃描______，記錄電池的______隨______變化的關系，從而揭示電池電極表面的電化學反應。3.電化學阻抗譜（EIS）中，常通過Nyquist圖分析電池的______和______，其中半圓弧通常對應電池的______。4.鋰離子電池負極材料在循環(huán)過程中發(fā)生______和______是導致容量衰減的重要原因。5.為了提升電池的循環(huán)壽命，可以采用的電極結構設計方法包括______和______。三、簡答題（每小題5分，共15分）1.簡述恒流充放電法評價電池循環(huán)壽命的基本步驟。2.請列舉至少三種鋰離子電池主要的容量衰減機理，并簡要說明其影響。3.提出三種不同的策略來改進鋰離子電池的循環(huán)壽命，并簡述其原理。四、論述題（10分）結合電池工作原理，論述電極材料的結構穩(wěn)定性（如層狀結構、尖晶石結構等）對鋰離子電池循環(huán)壽命的影響機制，并說明如何通過材料改性來提升其循環(huán)性能。試卷答案一、選擇題1.D*解析：電壓平臺寬度反映電池放電電壓的平穩(wěn)性，與循環(huán)壽命無直接、核心的量化關系。容量衰減率、內阻增加率和庫侖效率都是衡量電池性能隨循環(huán)次數變化的關鍵指標。2.A*解析：恒流充放電測試通過控制恒定電流，測量電池在整個充放電過程中的電壓變化，根據電壓-時間曲線可以積分計算出電池的充放電容量，從而評價容量衰減。3.C*解析：CV通過掃描電極電位，觀察電池在微小電位變化下的電流響應，能夠靈敏地檢測電極表面發(fā)生的氧化還原反應，是研究電池電化學過程的重要手段，可用于識別循環(huán)中出現的新的電化學峰，指示衰減機制。4.A*解析：鋰離子電池負極材料（如石墨）在脫鋰過程中發(fā)生較大的體積膨脹，容易導致顆粒粉化、與集流體脫離。不穩(wěn)定的SEI膜在負極表面反復形成和破裂，會消耗活性物質，并可能覆蓋活性物質表面，阻礙鋰離子嵌入/脫出，這些都是導致容量衰減的重要原因。正極材料損失通常與正極有關。隔膜穿刺和鈣枝晶主要與安全問題相關。5.B*解析：EIS通過施加小振幅的交流正弦波信號，測量電池的阻抗響應，可以獲得關于電池內部電荷轉移電阻、SEI膜電阻、擴散阻抗等多個時間常數的信息，這些信息反映了電池內部電化學過程的動力學狀態(tài)和結構穩(wěn)定性，是診斷電池狀態(tài)和衰減機制的有力工具。6.C*解析：SEI膜是鋰離子電池充放電過程中在負極表面自然形成的鈍化層，其穩(wěn)定性和離子透過性直接影響電池循環(huán)壽命。在電解液中添加SEI成膜添加劑，可以促進形成更穩(wěn)定、更均勻、離子導電性更好的SEI膜，從而保護電極，延長循環(huán)壽命。7.A*解析：間歇滴定法（ITT）特別適用于評價容量衰減較慢的電池，如鉛酸電池，通過周期性地靜置電池，測量其自放電損失，從而推算循環(huán)壽命。8.B*解析：正極材料的熱穩(wěn)定性和結構穩(wěn)定性（在鋰離子嵌入/脫出過程中能否保持晶體結構）直接決定了其在循環(huán)過程中的耐久性。穩(wěn)定性好的材料不易分解、相變或粉化，因此能保持更長時間的容量和性能，即延長循環(huán)壽命。9.B*解析：電池內阻增加意味著電池內部能量損耗增大，即同樣的容量輸出，電壓下降更快，可用能量減少。內阻增加通常與SEI膜生長、電極材料活化能變化、導電網絡破壞等因素有關，這些都是循環(huán)衰減的表現。10.C*解析：納米化材料具有巨大的比表面積，可以緩解電極材料在充放電過程中的體積膨脹應力，減少顆粒粉化和結構破壞，從而提高循環(huán)穩(wěn)定性。二、填空題1.循環(huán)后，N次，初始*解析：容量保持率是衡量電池循環(huán)后性能保留程度的關鍵指標，其計算基于初始容量和循環(huán)后的容量，通常以百分比表示。2.電位，電流，電位*解析：CV是一種伏安譜技術，通過控制電位掃描速率，測量電流隨電位變化的關系圖。3.穩(wěn)定性，動力學，電荷轉移（或SEI膜/擴散）*解析：EIS分析Nyquist圖上的半圓?。ㄍǔＴ诟哳l區(qū)）主要代表電池的等效串聯(lián)電阻（ESR，包括歐姆電阻和電荷轉移電阻），而低頻區(qū)的斜線（Warburg阻抗）則與擴散過程有關。整體上反映了電池的穩(wěn)定性和動力學特性。4.粉化，嵌鋰/脫鋰（體積）膨脹*解析：鋰離子電池在充放電過程中，活性物質經歷鋰離子的嵌入和脫出，伴隨顯著的體積變化。這種反復的體積應力會導致負極顆粒發(fā)生粉化、破碎，失去與集流體的電接觸，是容量衰減的主要物理機制。5.納米化，多孔化*解析：減小活性物質顆粒尺寸（納米化）可以縮短鋰離子擴散路徑，緩解體積膨脹應力；增加電極孔隙率可以提高電解液浸潤，緩沖體積變化，并可能提供額外的緩沖空間，都有利于延長循環(huán)壽命。三、簡答題1.簡述恒流充放電法評價電池循環(huán)壽命的基本步驟。*解析思路：回答應包含準備、循環(huán)測試、性能記錄和終點判斷四個核心環(huán)節(jié)。*答案：首先，將電池在標準條件下（室溫、恒定電流密度）進行預處理（如預充放電）。然后，在設定的恒定電流密度下對電池進行充放電循環(huán)，每次循環(huán)完成后，記錄電池的充放電容量、最終電壓等數據。持續(xù)進行循環(huán)，直到電池容量衰減到預定閾值（如初始容量的80%或90%）或出現其他失效現象（如電壓無法達到規(guī)定平臺）。在整個過程中，定期記錄電池的關鍵性能參數，并繪制循環(huán)性能曲線（容量-循環(huán)次數）。2.請列舉至少三種鋰離子電池主要的容量衰減機理，并簡要說明其影響。*解析思路：列舉三種典型的衰減機制，并分別說明其發(fā)生過程和對電池容量的具體負面影響。*答案：鋰離子電池的主要容量衰減機理包括：①負極材料體積膨脹與粉化：鋰離子嵌入/脫出導致負極材料體積發(fā)生顯著變化，反復的應力使顆粒破裂、粉化，失去活性物質和導電接觸，導致可用容量下降。②正極材料結構不穩(wěn)定：部分正極材料在循環(huán)過程中發(fā)生相變、分解或與電解液反應，導致活性物質損失，容量降低。③SEI膜反復生長與消耗：在負極表面形成的SEI膜不穩(wěn)定，在充電時部分分解，消耗活性鋰，或在放電時過度生長，覆蓋活性物質，阻礙鋰離子傳輸，導致容量衰減和內阻增加。3.提出三種不同的策略來改進鋰離子電池的循環(huán)壽命，并簡述其原理。*解析思路：提出三種從不同角度（材料、結構、界面）改進循環(huán)壽命的方法，并解釋其作用機理。*答案：①開發(fā)高穩(wěn)定性電極材料：例如，通過摻雜、表面包覆或選擇本身具有更高結構穩(wěn)定性的材料（如層狀氧化物、尖晶石），可以提高電極材料在充放電過程中的耐循環(huán)性，減少相變和分解，從而延長循環(huán)壽命。②優(yōu)化電極結構設計：采用納米化技術減小顆粒尺寸，縮短鋰離子擴散路徑，緩解體積膨脹應力；或采用多孔結構增加電極比表面積和電解液浸潤，緩沖體積變化，提高離子傳輸效率，都有利于提升循環(huán)壽命。③界面工程：通過電解液添加劑調控SEI膜的形成，使其更穩(wěn)定、更薄、離子透過性更好，減少活性鋰的消耗和阻抗的增長，從而改善電池的循環(huán)性能和循環(huán)壽命。四、論述題結合電池工作原理，論述電極材料的結構穩(wěn)定性對鋰離子電池循環(huán)壽命的影響機制，并說明如何通過材料改性來提升其循環(huán)性能。*解析思路：首先闡述電極材料結構穩(wěn)定性的定義及其重要性。然后，結合鋰離子電池充放電過程，解釋結構不穩(wěn)定如何導致容量衰減和內阻增加等失效現象（從材料本身、顆粒與集流體接觸、導電網絡等方面分析）。最后，提出幾種具體的材料改性方法，并說明這些方法如何通過提高結構穩(wěn)定性來改善循環(huán)性能。*答案：電極材料在鋰離子電池充放電過程中，其晶體結構需要能夠承受鋰離子嵌入/脫出引起的化學和體積變化。結構穩(wěn)定性差的材料，在循環(huán)時會發(fā)生不可逆的相變、晶格畸變、顆粒開裂或粉化。這些結構破壞會導致活性物質損失（因為部分物質變成了無活性雜質或脫離電極），顆粒與集流體的電接觸變差，甚至破壞電極內部的導電網絡。這些后果共同表現為電池容量的快速衰減和內阻的顯著增加，最終導致電池循環(huán)壽命的縮短。通過材料改性可以提升電極材料的結構穩(wěn)定性，從而延長循環(huán)壽命。常見的改性方法包括：①表面包覆：在活性材料表面包覆一層穩(wěn)定的無機物（如Al2O3,ZnO,TiO2）或有機物層，可以緩沖體積變化應力，阻止活性物質直接與電解液接觸發(fā)生副反應，并可能改善導電性。②摻雜：在材料晶格中摻雜其他元素（如