2025年大學(xué)《能源化學(xué)》專業(yè)題庫——新型電化學(xué)儲能材料的研究考試時間：______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(xiàng)的字母填在題干后的括號內(nèi)）1.下列哪種材料通常被用作鋰離子電池的高能量密度負(fù)極？（）A.磷酸鐵鋰(LiFePO?)B.三元鈷鎳錳酸鋰(LiNiCoMnO?)C.碳酸鋰(Li?CO?)D.硅基材料(Si-basedmaterials)2.固態(tài)電池相比傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池，其主要優(yōu)勢之一是？（）A.充電倍率更高B.通常具有更高的能量密度和更好的安全性C.可以使用更廉價的有機(jī)電解液D.循環(huán)壽命普遍更長3.鋰硫電池面臨的主要挑戰(zhàn)之一是“多硫化物穿梭效應(yīng)”，這主要指的是？（）A.鋰離子在正負(fù)極之間快速穿梭B.硫或多硫化物在電解液中溶解并遷移到負(fù)極，造成容量衰減和電池性能下降C.正極材料活性物質(zhì)溶解到電解液中D.負(fù)極鋰金屬枝晶的生長4.在電化學(xué)儲能系統(tǒng)中，電導(dǎo)率主要影響？（）A.電池的電壓B.電池的容量C.電池的倍率性能（大電流充放電能力）D.電池的儲存壽命5.以下哪種方法不屬于常用的鋰離子電池正極材料合成方法？（）A.高溫固相法B.溶劑熱法C.化學(xué)氣相沉積法D.噴霧熱解法6.鈉離子電池相較于鋰離子電池，其潛在優(yōu)勢在于？（）A.資源儲量更豐富，地殼中含量更高B.標(biāo)準(zhǔn)電極電位更低，理論容量可能更大C.通常具有更低的成本D.對環(huán)境更為友好（毒性更小）7.電化學(xué)阻抗譜（EIS）技術(shù)主要用于研究儲能電池的？（）A.離子擴(kuò)散速率B.電極/電解質(zhì)界面反應(yīng)動力學(xué)C.電極材料的晶體結(jié)構(gòu)D.電池的循環(huán)穩(wěn)定性8.構(gòu)成燃料電池陰極催化劑的核心活性組分，在質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）中通常是？（）A.鎳B.鉑(Pt)C.錳D.鈷9.影響鋰離子電池循環(huán)壽命的關(guān)鍵因素之一是？（）A.材料的比表面積大小B.循環(huán)過程中活性物質(zhì)的損失（如粉化、溶解）C.電解液的粘度D.電池的形狀10.以下哪種儲能技術(shù)屬于物理化學(xué)儲能？（）A.鋰離子電池B.抽水蓄能電站C.鋰空氣電池D.壓縮空氣儲能二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上）1.高能量密度儲能材料通常需要具備高的比容量和良好的。2.固態(tài)電解質(zhì)材料按化學(xué)成分可分為無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)、有機(jī)固態(tài)電解質(zhì)和。3.硅基負(fù)極材料面臨的主要問題是其巨大的會導(dǎo)致循環(huán)穩(wěn)定性差和庫侖效率低。4.影響鈉離子電池材料電化學(xué)性能的關(guān)鍵因素包括其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、速率和速率。5.在電化學(xué)過程中，電極/電解質(zhì)界面處的電荷轉(zhuǎn)移步驟通常是。6.添加鋰鹽到有機(jī)電解液中，其主要作用是形成。7.提高鋰離子電池倍率性能的一個有效途徑是減小電極材料的。8.鋰空氣電池的理論能量密度極高，其主要產(chǎn)物是。9.燃料電池是一種將燃料的直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。10.評估新型電化學(xué)儲能材料性能時，除了能量密度，還需關(guān)注其、壽命和安全性等指標(biāo)。三、簡答題（每小題8分，共32分）1.簡述鋰離子電池中，正極材料LiFePO?的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其對電化學(xué)性能的影響。2.比較鋰離子電池中石墨負(fù)極和硅基負(fù)極在理論容量、首次庫侖效率、循環(huán)穩(wěn)定性方面的主要差異。3.簡述固態(tài)電池中，電極/固態(tài)電解質(zhì)界面（SEI）形成的重要性及其對電池性能的影響。4.鈉離子電池為何具有資源優(yōu)勢？請列舉至少兩種有潛力的鈉離子電池正極材料，并簡述其工作原理。四、論述題（每小題12分，共24分）1.闡述鋰離子電池在追求高能量密度的過程中，面臨的主要挑戰(zhàn)以及當(dāng)前的研究方向。2.探討鋰硫電池實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，并提出可能的解決方案。---試卷答案一、選擇題1.D2.B3.B4.C5.C6.A7.B8.B9.B10.A二、填空題1.理論，倍率性能2.共價鍵型3.局部體積膨脹4.離子，電子5.過電勢6.離子液體7.粒徑8.氧氣9.化學(xué)能10.成本三、簡答題1.答案：LiFePO?具有橄欖石結(jié)構(gòu)(PO?)?FeLi[LiFe]?八面體骨架，鋰離子通過八面體間隙嵌入和脫出。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)導(dǎo)致鋰離子擴(kuò)散速率較慢。這種較慢的擴(kuò)散限制了其倍率性能，但在一定程度上也抑制了鋰離子脫嵌過程中的結(jié)構(gòu)破壞，有利于提高其循環(huán)穩(wěn)定性。其理論容量約為170mAh/g。解析思路：考察對LiFePO?基本結(jié)構(gòu)（橄欖石結(jié)構(gòu)）的掌握，理解其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（八面體骨架，鋰離子擴(kuò)散通道）與其電化學(xué)性能（擴(kuò)散速率慢->倍率性能低，結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定->循環(huán)穩(wěn)定性好）之間的內(nèi)在聯(lián)系。2.答案：石墨負(fù)極理論容量為372mAh/g，首次庫侖效率高（約100-99%），循環(huán)穩(wěn)定性好，技術(shù)成熟。硅基負(fù)極理論容量極高（1100-4200mAh/g），但首次庫侖效率低（通常70-90%），因巨大體積膨脹（達(dá)300-400%）導(dǎo)致循環(huán)穩(wěn)定性差，且導(dǎo)電性差。解析思路：考察對兩種典型負(fù)極材料基本性能參數(shù)（理論容量、首效、循環(huán)穩(wěn)定性）的對比記憶和理解。要求能清晰列出差異，并簡要說明差異產(chǎn)生的原因（如硅的體積變化）。3.答案：SEI膜在鋰金屬負(fù)極表面形成，起到物理隔絕和化學(xué)穩(wěn)定的作用。其重要性在于：1)防止鋰金屬與電解液直接接觸，避免危險的鋰dendrite（枝晶）生長，提高電池安全性；2)選擇性允許鋰離子通過，同時阻礙較大分子（如溶劑）進(jìn)入，維持電解液的穩(wěn)定，保證電池的正常充放電循環(huán)。解析思路：考察對SEI膜定義、形成位置及其核心功能的理解。要求能說明SEI膜對鋰金屬負(fù)極安全和電池穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵作用。4.答案：鈉資源在地殼中含量遠(yuǎn)高于鋰，分布更廣泛，提鈉難度和成本相對較低，因此具有資源優(yōu)勢。有潛力的正極材料例子：1)磷酸錳鐵鋰(LMFP)-具有橄欖石結(jié)構(gòu)，安全性好，成本較低；2)硫酸鐵鋰(LIFePO?)-與LiFePO?結(jié)構(gòu)類似，成本更低，但電壓較低；3)多硫化物正極(如Li?S?,Li?PS?)-理論容量高，但面臨多硫化物穿梭和導(dǎo)電性差的問題。鈉離子電池工作原理主要是鈉離子在正負(fù)極材料結(jié)構(gòu)中嵌入和脫出。解析思路：考察對鈉離子電池資源優(yōu)勢的理解，要求能列舉至少兩種正極材料，并簡述其基本特性和工作原理，體現(xiàn)對鈉離子電池體系的了解。四、論述題1.答案：追求高能量密度的主要挑戰(zhàn)包括：1)正極材料能量密度提升受限（電壓平臺低，材料穩(wěn)定性差）；2)負(fù)極材料理論容量提升帶來的巨大體積膨脹和循環(huán)穩(wěn)定性問題；3)電解液體系的安全性問題（易燃）；4)大規(guī)模、低成本、環(huán)境友好的制備技術(shù)瓶頸；5)快充能力與高能量密度之間的矛盾。研究方向包括：開發(fā)高電壓、高容量、高穩(wěn)定性正極材料（如高鎳三元材料、富鋰材料、聚陰離子型材料、固態(tài)電池正極）；開發(fā)高容量、高安全性、長壽命負(fù)極材料（如硅基、錫基合金材料，及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化與緩沖設(shè)計(jì)）；發(fā)展新型固態(tài)電解質(zhì)（提高離子電導(dǎo)率、改善界面相容性）；構(gòu)建新型電池結(jié)構(gòu)（如疊片式）；開發(fā)高效、綠色的材料合成與加工工藝。解析思路：考察對鋰離子電池高能量密度發(fā)展瓶頸的全面認(rèn)識，以及對其主要技術(shù)路徑和研究方向的了解和思考深度。要求能系統(tǒng)闡述挑戰(zhàn)，并提出有針對性的解決方案。2.答案：鋰硫電池的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸：1)多硫化物穿梭效應(yīng)：硫或多硫化物在電解液中溶解并穿梭，導(dǎo)致容量衰減和循環(huán)壽命短；2)硫的導(dǎo)電性差：導(dǎo)致電池內(nèi)阻大，倍率性能差；3)硅負(fù)極巨大體積膨脹：雖然容量高，但循環(huán)穩(wěn)定性差；4)正極材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題：鋰硫電池電壓平臺寬且易波動，對正極材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求高；5)鋰金屬負(fù)極安全性：易形成鋰枝晶，引發(fā)內(nèi)部短路?？赡艿慕鉀Q方案：1)開發(fā)有效的多硫化物捕獲/固定材料或策略（如固態(tài)電解質(zhì)、導(dǎo)