2025年大學(xué)《能源化學(xué)》專業(yè)題庫——新型電池電解液的研發(fā)與優(yōu)化考試時間：______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題后的括號內(nèi)。）1.在鋰離子電池電解液中，主要依靠溶劑分子與鋰離子形成穩(wěn)定溶劑化殼層來傳遞鋰離子的電解液類型通常是？A.無溶劑電解液B.液態(tài)電解液C.固態(tài)電解液D.水系電解液2.下列哪種電解質(zhì)鹽因含有易分解的PF6-陰離子，在較高溫度或與某些正極材料（如鈷酸鋰）相互作用時可能引發(fā)副反應(yīng)，但其仍被廣泛應(yīng)用于商業(yè)鋰離子電池？A.LiClB.LiN(CF2SO2)2(LiFSI)C.LiPF6D.LiAsF63.在新型電池電解液的研發(fā)中，旨在提高電解液電化學(xué)窗口、允許電池在更高電壓下工作的關(guān)鍵策略之一是？A.降低電解液粘度B.增加電解液介電常數(shù)C.使用高氧化還原電位陰離子的電解質(zhì)鹽D.添加大量的成膜添加劑4.固態(tài)電解液相比傳統(tǒng)液態(tài)電解液的主要優(yōu)勢之一在于？A.具有更高的能量密度B.對電極材料的浸潤性更好C.幾乎不發(fā)生體積膨脹，安全性更高D.電導(dǎo)率更容易通過溶劑化體系調(diào)控5.下列哪種物質(zhì)通常被用作鋰離子電池電解液的成膜添加劑，其目的是在負(fù)極表面形成一層穩(wěn)定、低阻抗的SEI（固體電解質(zhì)界面）膜？A.碳酸二乙酯(DEC)B.聚乙烯醇(PVA)C.1-乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽(EMImPF6)D.二氟甲烷(DPM)6.水系電解液主要面臨的核心挑戰(zhàn)之一是？A.極高的電導(dǎo)率B.較低的電化學(xué)窗口C.極好的安全性D.成本極低7.對于固態(tài)電解液，其離子電導(dǎo)率主要受到哪種因素的限制？A.溶劑分子的遷移B.離子擴(kuò)散速率C.添加劑對粘度的影響D.液體電解質(zhì)的滲透8.在電解液研發(fā)中，通過引入納米顆粒導(dǎo)電添加劑的主要目的是？A.增加電解液的粘度B.提高電解液的介電常數(shù)C.改善電解液的熱穩(wěn)定性D.提高電解質(zhì)的電導(dǎo)率9.離子液體作為新型電解液體系，其最主要的優(yōu)點(diǎn)是？A.極低的蒸氣壓，不易揮發(fā)B.良好的電化學(xué)窗口C.極高的安全性D.極低的成本10.電解液的粘度會影響？A.鋰離子的遷移數(shù)B.電極的極化程度C.SEI膜的形成D.以上都是二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上。）1.電解液的電導(dǎo)率主要取決于溶劑的______、電解質(zhì)鹽的______以及離子遷移數(shù)等因素。2.在固態(tài)電解液中，離子傳輸通常通過晶格中的______或缺陷進(jìn)行，而非液態(tài)中的溶劑化遷移。3.為了拓寬電解液的電化學(xué)窗口，常采用______或引入______的策略。4.添加到電解液中的成膜添加劑，其分解產(chǎn)物能在負(fù)極表面形成穩(wěn)定的______，以降低界面阻抗。5.水系電解液常用的溶劑包括______、______和______等水溶性有機(jī)溶劑。6.鋰離子在電解液中的傳輸機(jī)制通常被稱為______機(jī)制，涉及鋰離子與溶劑分子形成配陰離子（或配陽離子）。7.減小電解液粘度的方法包括使用低粘度溶劑、降低電解質(zhì)鹽濃度或添加______。8.固態(tài)電解液與電極之間形成的界面電阻是制約其應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一，常通過______工程來改善。9.離子液體由于其獨(dú)特的物化性質(zhì)，在______（如高倍率、低溫）電池體系中展現(xiàn)出巨大潛力。10.電解液的______是指電解質(zhì)能夠支持的最大電位范圍，直接關(guān)系到電池的電壓上限。三、簡答題（每題5分，共25分。）1.簡述液態(tài)電解液中鋰離子遷移的基本過程。2.比較固態(tài)電解液和液態(tài)電解液在離子電導(dǎo)率方面的主要差異及其原因。3.解釋電解液中添加功能性添加劑（如成膜添加劑）的目的和作用。4.簡述水系電解液相較于有機(jī)液態(tài)電解液的主要優(yōu)勢和劣勢。5.提出至少三種提高電解液電化學(xué)穩(wěn)定性的策略。四、論述題（每題10分，共20分。）1.論述固態(tài)電池對新型固態(tài)電解液材料的關(guān)鍵性能要求，并舉例說明目前研究的熱點(diǎn)方向。2.結(jié)合具體實例，論述電解液添加劑在優(yōu)化鋰離子電池性能（如循環(huán)壽命、倍率性能）方面所起的作用及其機(jī)理。五、設(shè)計題（15分。）請設(shè)計一種適用于高能量密度鋰硫電池的新型電解液體系，需要說明其組成（溶劑、鋰鹽、添加劑等），并闡述選擇這些組分的主要理由以及預(yù)期可以帶來的性能優(yōu)勢。試卷答案一、選擇題1.B2.C3.C4.C5.D6.B7.B8.D9.A10.D二、填空題1.離子遷移率，活度2.離子電導(dǎo)3.改變電解質(zhì)陰離子，高電負(fù)性陰離子4.SEI膜5.碳酸乙烯酯，碳酸二甲酯，碳酸丙烯酯6.溶劑化7.導(dǎo)電添加劑8.界面9.高倍率，低溫10.電化學(xué)窗口三、簡答題1.解析思路：鋰離子在液態(tài)電解液中遷移，并非以裸離子形式存在，而是與一個或多個溶劑分子形成溶劑化離子對。在外加電場作用下，這個溶劑化離子對發(fā)生解離（如果未完全溶劑化）或整個離子對發(fā)生定向遷移，從而實現(xiàn)電荷的傳導(dǎo)。具體過程包括鋰離子與溶劑分子相互作用形成配位結(jié)構(gòu)，離子對在電場下定向移動，到達(dá)電極表面后發(fā)生氧化或還原反應(yīng)，并釋放或接受溶劑分子，完成電荷轉(zhuǎn)移。2.解析思路：液態(tài)電解液的離子電導(dǎo)率通常遠(yuǎn)高于固態(tài)電解液。原因在于液態(tài)電解液中，鋰離子可以自由地在溶劑分子中遷移，路徑相對通暢，且溶劑化殼層較薄。而固態(tài)電解液中的離子需要通過晶格缺陷或晶格振蕩進(jìn)行遷移，遷移通道受限，且可能存在較厚的溶劑化殼層（如果是液態(tài)嵌入固態(tài)基質(zhì)），導(dǎo)致遷移阻力增大，電導(dǎo)率較低。3.解析思路：添加劑的主要目的在于改善電解液的性能以滿足電池的實際需求。成膜添加劑在電池首次充電過程中，會在負(fù)極表面分解沉積，形成一層穩(wěn)定、低阻抗的SEI膜，有效阻止電解液與負(fù)極活性材料的直接接觸，抑制副反應(yīng)，提高電池的循環(huán)壽命和安全性。其他添加劑如導(dǎo)電劑、粘度調(diào)節(jié)劑、電壓調(diào)節(jié)劑等也分別從不同方面優(yōu)化電解液的綜合性能。4.解析思路：優(yōu)勢：安全性高（不易燃），成本極低（水為廉價溶劑），環(huán)境友好，理論能量密度高。劣勢：電化學(xué)窗口窄（約1.23V），容易發(fā)生水解，導(dǎo)致容量衰減和電池失效，低溫性能差，對雜質(zhì)敏感。5.解析思路：提高電化學(xué)穩(wěn)定性的策略包括：選用高電負(fù)性、高穩(wěn)定性的電解質(zhì)鹽（如LiFSI）；使用高介電常數(shù)和寬電化學(xué)窗口的溶劑；添加電壓調(diào)節(jié)劑（如BETI）來限制電解液的分解電壓；選擇不易分解的溶劑；通過添加劑調(diào)控SEI膜的形成，使其更穩(wěn)定、更致密。四、論述題1.解析思路：固態(tài)電解液需要滿足高離子電導(dǎo)率（尤其是面內(nèi)電導(dǎo)率）、高電子絕緣性、良好的機(jī)械穩(wěn)定性（抗裂痕）、合適的離子遷移數(shù)、與電極材料良好的相容性/匹配性、足夠高的操作溫度以及成本效益等關(guān)鍵性能要求。目前研究熱點(diǎn)包括：提高鋰離子遷移數(shù)的玻璃態(tài)電解質(zhì)和凝膠態(tài)電解質(zhì)；開發(fā)室溫或低溫下電導(dǎo)率可接受的固態(tài)電解質(zhì)；解決固態(tài)電解液與鋰金屬負(fù)極的界面問題（如鋰枝晶生長）；提高固態(tài)電解液的機(jī)械強(qiáng)度和抗老化性能；探索新型固態(tài)電解質(zhì)材料體系（如硫化物、氧化物、聚合物基等）。2.解析思路：電解液添加劑在優(yōu)化電池性能方面作用顯著。例如，成膜添加劑（如VC、FEC、TFSI等）通過在負(fù)極表面形成穩(wěn)定SEI膜，可以抑制鋰金屬負(fù)極的持續(xù)溶解和枝晶生長，顯著提升電池的循環(huán)壽命和安全性。高電壓電解液添加劑（如BETI、LiN(SO2CF3)2等）可以拓寬電解液的電化學(xué)窗口，防止正極材料在高電壓下分解，從而提高電池的電壓平臺和能量密度。導(dǎo)電添加劑（如炭黑、石墨烯等）可以提高電解液的離子電導(dǎo)率，特別是對于粘度較高的電解液或半固態(tài)電解液，有助于提升電池的倍率性能。溶劑化添加劑可以優(yōu)化溶劑化結(jié)構(gòu)，影響鋰離子遷移數(shù)和擴(kuò)散速率。五、設(shè)計題解析思路：設(shè)計一種高能量密度鋰硫電池電解液，需重點(diǎn)考慮硫的高體積膨脹、多硫化物穿梭效應(yīng)以及S/L界面穩(wěn)定性問題。設(shè)計方案：一種適用于高能量密度鋰硫電池的新型電解液體系可設(shè)計為：以1,3-二氧戊環(huán)（DOL）和碳酸二甲酯（DMC）的混合溶劑（例如體積比1:1）為主溶劑，使用高電壓電解質(zhì)鹽如1-乙基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺（EMImDTFSI）或1-丁基-3-甲基咪唑五氟甲磺酸酯（BMImPF6），并添加以下功能性添加劑：1.多硫化物捕獲劑：如對甲苯磺酸鋰（LiTsO）、N-乙基咔唑雙三氟甲磺酰亞胺（NEt2DTFSI）或功能化石墨烯，用于吸附或轉(zhuǎn)化溶解的多硫化物，抑制穿梭效應(yīng)。2.成膜添加劑：如雙(2,2,6,6-四甲基-4-哌啶基)醚（BETI）或氟代碳酸乙烯酯（FEC），用于在正極表面形成穩(wěn)定、低阻抗的SEI膜，并抑制副反應(yīng)。3.導(dǎo)電劑（可選，用