2025年大學《能源化學》專業(yè)題庫——超級電容器在能源儲存中的研究進展考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項字母填入括號內(nèi)）1.與傳統(tǒng)電池相比，超級電容器的主要優(yōu)勢在于（）。A.能量密度高B.循環(huán)壽命長C.充電速度快D.開放電路電壓高2.基于物理吸附/脫附儲能機制的是（）。A.法拉第贗電容B.雙電層電容C.液體電解質(zhì)電池D.固態(tài)電解質(zhì)電池3.下列哪種材料通常被用作雙電層超級電容器的電極活性物質(zhì)？（）A.氧化鎳（NiO）B.活性炭C.鈦酸鋰（Li4Ti5O12）D.磷酸鐵鋰（LiFePO4）4.液體電解質(zhì)超級電容器中，離子液體相比于傳統(tǒng)有機電解液的主要優(yōu)勢是（）。A.氧化穩(wěn)定性好B.離子電導率高C.安全性高D.成本低廉5.能夠同時提供較高能量密度和功率密度的儲能器件是（）。A.電池B.超級電容器C.太陽能電池D.熱電轉(zhuǎn)換器6.提高超級電容器電極材料比表面積的常用方法是（）。A.引入導電聚合物B.精細粉末化C.碳材料孔結(jié)構(gòu)調(diào)控D.增加粘結(jié)劑用量7.電化學阻抗譜（EIS）主要用于分析超級電容器的（）。A.比電容B.倍率性能C.內(nèi)阻和電容特性D.庫侖效率8.固態(tài)超級電容器的研究熱點之一是開發(fā)高性能的（）。A.液體電解質(zhì)B.固態(tài)電解質(zhì)C.活性電極材料D.隔膜9.超級電容器在（）場景中具有廣闊的應用前景。A.需要瞬時大功率放電的場合B.需要長期、深度充放電循環(huán)的場合C.對成本極其敏感的消費品D.需要高電壓、大電流同時滿足的場合10.下列哪項不屬于當前超級電容器技術面臨的挑戰(zhàn)？（）A.成本過高B.循環(huán)壽命有限C.能量密度絕對值低D.安全性能不穩(wěn)定二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填入橫線處）1.超級電容器根據(jù)儲能機制主要分為______電容器和______電容器兩大類。2.影響超級電容器電極材料比電容的關鍵因素包括材料的______、______以及電極的堆積狀態(tài)。3.水系超級電容器常用的電解質(zhì)包括______電解質(zhì)、______電解質(zhì)和離子液體電解質(zhì)。4.為了提高超級電容器的功率密度，通常需要降低器件的______。5.柔性超級電容器的設計需要考慮電極材料的______、封裝結(jié)構(gòu)的______以及器件的機械穩(wěn)定性。6.超級電容器的庫侖效率較低通常意味著存在較大的______損失。7.混合超級電容器結(jié)合了______電容器和______電容器的特點。8.超級電容器的循環(huán)壽命與其內(nèi)部電極材料的______密切相關。9.電壓窗口是指超級電容器能夠穩(wěn)定工作的______范圍。10.將超級電容器與電池結(jié)合組成的儲能系統(tǒng)，可以優(yōu)勢互補，提高整個系統(tǒng)的______和______。三、簡答題（每題5分，共20分。請簡要回答下列問題）1.簡述雙電層超級電容器（EDLC）的工作原理。2.比較法拉第贗電容與雙電層電容在儲能機制、比電容、功率密度和循環(huán)壽命等方面的主要區(qū)別。3.簡述至少三種提高超級電容器電極材料比電容的方法。4.簡述超級電容器在電動汽車領域應用時面臨的主要挑戰(zhàn)及其可能的解決方案。四、論述題（每題10分，共30分。請結(jié)合所學知識，深入分析和闡述下列問題）1.詳細論述近年來固態(tài)超級電容器研究的主要進展，包括常用的固態(tài)電解質(zhì)類型、關鍵科學問題以及其相對于傳統(tǒng)液態(tài)超級電容器的優(yōu)勢。2.以碳材料為例，論述其在超級電容器中的應用現(xiàn)狀、面臨的挑戰(zhàn)以及未來的發(fā)展方向。3.超級電容器的能量密度相對較低是其應用受限的一個重要因素。請分析限制其能量密度的主要因素，并探討提高超級電容器能量密度的幾種潛在策略，分析其可行性與局限性。試卷答案一、選擇題1.C2.B3.B4.B5.B6.C7.C8.B9.A10.C二、填空題1.雙電層；贗電容2.比表面積；孔率3.水系；有機系4.內(nèi)阻5.輕質(zhì)化；柔性化6.極化7.雙電層；贗電容8.穩(wěn)定性9.電壓10.可靠性；壽命三、簡答題1.解析思路：闡述EDLC的基本工作原理，即在外加電場作用下，電容器極板附近的電解質(zhì)溶液中的電解離子（陽離子和陰離子）分別向帶相反電荷的電極表面遷移，并在電極表面與電極材料/電解液界面處形成雙電層。電荷的儲存主要是通過離子的物理吸附和解吸過程，不涉及電極材料的化學反應。*要點：外加電場、離子遷移、雙電層形成、物理吸附/解吸、無化學反應。2.解析思路：對比兩類電容器的核心區(qū)別：儲能機制。EDLC通過物理吸附/脫附儲能，容量與電極表面積成正比，無Faradaic反應，功率密度高，循環(huán)壽命長，但能量密度低。贗電容通過Faradaic氧化/還原反應儲能，容量與電極材料活性物質(zhì)的量有關，涉及化學反應，能量密度和功率密度均較高，但循環(huán)壽命相對較短，可能伴隨電極材料消耗。*要點：儲能機制（物理vs化學）、容量決定因素、功率密度、循環(huán)壽命、能量密度。3.解析思路：列舉并簡要說明提高比電容的方法。一是增加電極材料的比表面積，如使用多孔材料（活性炭）、納米材料（納米管、納米線）；二是增加電極材料的孔率，使其結(jié)構(gòu)疏松；三是優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)，如設計三維電極、減少電極厚度，提高離子擴散速率和接觸面積。*要點：增加比表面積（多孔/納米材料）、增加孔率、優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)。4.解析思路：分析超級電容在電動汽車應用中的主要挑戰(zhàn)：能量密度低限制了純電動續(xù)航里程；高功率密度雖利于快充快放，但成本通常較高；循環(huán)壽命和安全性（如熱失控、電解液泄漏）仍需改進；系統(tǒng)集成和成本控制也是難題。解決方案可涉及：開發(fā)高能量密度材料（如新型電極、固態(tài)電解質(zhì)）；優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)設計（如高倍率、長壽命結(jié)構(gòu)）；提高安全性（選用安全電解質(zhì)、優(yōu)化封裝）；降低制造成本。*要點：挑戰(zhàn)（低能量密度、高成本、壽命/安全、集成）、解決方案（新材料/結(jié)構(gòu)、安全/成本）。四、論述題1.解析思路：闡述固態(tài)電解質(zhì)的發(fā)展及其在超級電容器中的應用。首先介紹常用類型，如聚合物基（如PEO,PMMA）、玻璃態(tài)/晶態(tài)離子導體（如Li6PS5Cl,LIFeO2）、固態(tài)電解質(zhì)界面（SEI）膜。接著分析關鍵科學問題，如離子電導率、電子絕緣性、機械強度、界面穩(wěn)定性、與電極的兼容性等。最后論述其優(yōu)勢，包括可能實現(xiàn)更高的能量密度（電壓窗口寬、無液體電解質(zhì)泄漏）、更高的功率密度、更長循環(huán)壽命、更好的安全性和環(huán)境友好性。*要點：固態(tài)電解質(zhì)類型、關鍵科學問題、優(yōu)勢（高能量/功率密度、長壽命、高安全/環(huán)保）。2.解析思路：以碳材料為例，全面分析其在超級電容器中的應用。首先說明碳材料（石墨、活性炭、石墨烯、碳納米管、碳纖維等）因其高比表面積、優(yōu)異的導電性、良好的結(jié)構(gòu)可調(diào)控性和低成本等優(yōu)點，是應用最廣泛的電極材料。接著分析應用現(xiàn)狀，即它們在提高EDLC和贗電容器性能方面所起的作用。然后探討面臨的挑戰(zhàn)，如比表面積與孔隙率的矛盾、導電網(wǎng)絡構(gòu)建與電化學活性位點暴露的平衡、材料穩(wěn)定性（氧化、結(jié)構(gòu)坍塌）、規(guī)模化制備成本等。最后展望未來發(fā)展方向，如開發(fā)新型結(jié)構(gòu)碳材料（雜原子摻雜、缺陷工程）、復合碳材料（與金屬氧化物/硫化物復合）、理論計算指導下的材料設計、綠色可持續(xù)制備方法等。*要點：應用現(xiàn)狀（提高性能）、挑戰(zhàn)（結(jié)構(gòu)/性能平衡、穩(wěn)定性、成本）、未來方向（新型/復合材料、理論指導、綠色制備）。3.解析思路：分析限制超級電容器能量密度的因素，主要是電極材料的電勢窗口（電壓窗口）和電極/電解質(zhì)界面處的電荷轉(zhuǎn)移動力學。探討提高能量密度的策略：*拓寬電勢窗口：使用高電壓電解質(zhì)、開發(fā)耐高壓電極材料（如高電位氧化物/硫化物、有機電解質(zhì)）。*提高電極材料容量：開發(fā)新型高比電容電極材料（如金屬氧化物/硫化物、導電聚合物、超分子材料）；增加電極材料的比表面積和孔率。*優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)：采用三電極體系（如參比電極內(nèi)嵌）、優(yōu)化電極厚度與電