2025年大學(xué)《能源化學(xué)》專業(yè)題庫——電動(dòng)汽車動(dòng)力電池材料的研究考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。在每小題列出的四個(gè)選項(xiàng)中，只有一項(xiàng)是最符合題目要求的。請(qǐng)將正確選項(xiàng)字母填在題后的括號(hào)內(nèi)。）1.下列哪種材料通常用作鋰離子電池的正極材料？A.石墨B.鈦酸鋰C.磷酸鐵鋰D.鈷酸鋰2.提高鋰離子電池能量密度的關(guān)鍵因素之一是：A.降低電極材料的比表面積B.增大電極材料的電化學(xué)電位差C.降低電解液的離子電導(dǎo)率D.增加電池的內(nèi)部電阻3.下列哪種材料通常用作鋰離子電池的隔膜？A.金屬鋁箔B.碳納米管C.聚烯烴類薄膜D.活性炭4.鋰離子電池在充電過程中，鋰離子從正極材料中脫出，通過電解液遷移到：A.負(fù)極材料B.隔膜C.電解液D.電極骨架5.下列哪種方法不屬于鋰離子電池電極材料的制備方法？A.溶膠-凝膠法B.氣相沉積法C.液相外延法D.液相剝離法6.固態(tài)電池相比傳統(tǒng)液態(tài)電池，其主要優(yōu)勢(shì)之一是：A.能量密度更高B.成本更低C.循環(huán)壽命更短D.安全性更低7.鈉離子電池相比于鋰離子電池，其主要優(yōu)勢(shì)之一是：A.資源更豐富B.能量密度更高C.成本更低D.環(huán)境友好性更好8.電極材料的倍率性能是指：A.材料在低電流密度下的充放電性能B.材料在高溫環(huán)境下的充放電性能C.材料在快速充放電條件下的充放電性能D.材料的長(zhǎng)循環(huán)壽命9.下列哪種因素不屬于影響鋰離子電池循環(huán)壽命的因素？A.電極材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性B.電解液的穩(wěn)定性C.電池的充放電倍率D.電池的制造工藝10.電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的安全性研究主要關(guān)注的問題包括：A.電池的能量密度和功率密度B.電池的熱失控和燃燒爆炸風(fēng)險(xiǎn)C.電池的循環(huán)壽命和成本D.電池的充電速度和兼容性二、填空題（每空1分，共20分。請(qǐng)將答案填在橫線上。）1.鋰離子電池中，正極材料失去電子發(fā)生__________反應(yīng)。2.負(fù)極材料在鋰離子電池的充電過程中，鋰離子嵌入其中，發(fā)生__________反應(yīng)。3.電解液的主要作用是傳遞鋰離子，并提供__________。4.隔膜的主要作用是隔開正負(fù)極，防止__________。5.電極材料的比表面積越大，其容量通常__________。6.固態(tài)電解質(zhì)相比液態(tài)電解液，其主要優(yōu)勢(shì)之一是__________。7.磷酸鐵鋰正極材料的優(yōu)勢(shì)包括__________、循環(huán)壽命長(zhǎng)和安全性高等。8.鋰離子電池的電壓通常在__________伏特之間。9.電化學(xué)阻抗譜法可以用來研究電池的__________。10.鈉離子電池的資源優(yōu)勢(shì)在于鈉資源__________。三、簡(jiǎn)答題（每小題5分，共25分。請(qǐng)簡(jiǎn)要回答下列問題。）1.簡(jiǎn)述鋰離子電池的基本工作原理。2.簡(jiǎn)述提高鋰離子電池能量密度的方法。3.簡(jiǎn)述影響鋰離子電池循環(huán)壽命的因素。4.簡(jiǎn)述固態(tài)電池的優(yōu)缺點(diǎn)。5.簡(jiǎn)述鈉離子電池相比于鋰離子電池的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)。四、論述題（每小題10分，共20分。請(qǐng)結(jié)合所學(xué)知識(shí)，深入分析和回答下列問題。）1.論述高能量密度鋰離子電池材料的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。2.論述如何提高鋰離子電池的安全性，并分析當(dāng)前主要的研究方向。試卷答案1.D解析：鋰離子電池的正極材料需要具有較高的電化學(xué)電位差和較好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，常用的正極材料包括鈷酸鋰（LiCoO2）、磷酸鐵鋰（LiFePO4）、三元材料（如LiNiMnCoO2）等。石墨是負(fù)極材料，鈦酸鋰是負(fù)極材料，磷酸鐵鋰是正極材料，鈷酸鋰是正極材料。2.B解析：鋰離子電池的能量密度與其正負(fù)極材料之間的電化學(xué)電位差密切相關(guān)。增大電化學(xué)電位差是提高能量密度的關(guān)鍵因素之一。降低電極材料的比表面積會(huì)降低容量，降低電解液的離子電導(dǎo)率會(huì)增加內(nèi)阻，降低電池的輸出電壓。3.C解析：隔膜是鋰離子電池的重要組成部分，其作用是隔開正負(fù)極，防止短路，同時(shí)允許鋰離子通過。常用的隔膜材料是聚烯烴類薄膜，如聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）等。4.A解析：鋰離子電池在充電過程中，鋰離子從正極材料中脫出，通過電解液遷移到負(fù)極材料中，嵌入負(fù)極材料。5.C解析：鋰離子電池電極材料的制備方法包括溶膠-凝膠法、水熱法、熱分解法、氣相沉積法、液相剝離法等。液相外延法不屬于電極材料的制備方法。6.A解析：固態(tài)電池使用固態(tài)電解質(zhì)代替液態(tài)電解液，其主要優(yōu)勢(shì)之一是能量密度更高，因?yàn)楣虘B(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率可以更高，且沒有液態(tài)電解液的體積膨脹問題。7.A解析：鈉資源在地球上分布廣泛，儲(chǔ)量豐富，相比于鋰資源，鈉資源更豐富，這是鈉離子電池相比于鋰離子電池的主要優(yōu)勢(shì)之一。8.C解析：倍率性能是指材料在快速充放電條件下的充放電性能，即在低電流密度下仍能保持較好的容量和效率。9.D解析：影響鋰離子電池循環(huán)壽命的因素包括電極材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、電解液的穩(wěn)定性、電池的充放電倍率、電池的充放電深度等。電池的制造工藝會(huì)影響電池的性能，但不屬于影響循環(huán)壽命的因素。10.B解析：電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的安全性研究主要關(guān)注的問題包括電池的熱失控和燃燒爆炸風(fēng)險(xiǎn)，這是電池在異常情況下可能發(fā)生的安全問題。1.氧化解析：鋰離子電池正極材料在失去電子的過程中發(fā)生氧化反應(yīng)。2.還原解析：鋰離子電池負(fù)極材料在得到鋰離子的過程中發(fā)生還原反應(yīng)。3.電子傳導(dǎo)解析：電解液除了傳遞鋰離子外，還需要提供電子傳導(dǎo)的通路。4.短路解析：隔膜的主要作用是防止正負(fù)極直接接觸發(fā)生短路。5.越高解析：電極材料的比表面積越大，其與電解液的接觸面積越大，活性位點(diǎn)越多，容量通常越高。6.安全性更高解析：固態(tài)電解質(zhì)相比液態(tài)電解液，其主要優(yōu)勢(shì)之一是安全性更高，因?yàn)楣虘B(tài)電解質(zhì)不易燃，且沒有液態(tài)電解液的泄漏風(fēng)險(xiǎn)。7.成本低解析：磷酸鐵鋰正極材料的優(yōu)勢(shì)包括成本低、資源豐富、環(huán)境友好等。8.3.0-4.2解析：鋰離子電池的電壓通常在3.0伏特到4.2伏特之間。9.內(nèi)部阻抗解析：電化學(xué)阻抗譜法可以用來研究電池的內(nèi)部阻抗，包括電荷轉(zhuǎn)移電阻、擴(kuò)散電阻等。10.更豐富解析：鈉離子電池的資源優(yōu)勢(shì)在于鈉資源更豐富，鈉資源在地球上分布廣泛，儲(chǔ)量巨大。1.鋰離子電池是一種充電電池，其工作原理基于鋰離子在正極和負(fù)極材料之間的可逆嵌入和脫出。在充電過程中，外部電源提供能量，使正極材料失去鋰離子，鋰離子通過電解液遷移到負(fù)極材料中并嵌入其中，負(fù)極材料得到電子；在放電過程中，鋰離子從負(fù)極材料中脫出，通過電解液遷移到正極材料中并嵌入其中，正極材料失去電子，電子通過外電路流向負(fù)極，產(chǎn)生電流。2.提高鋰離子電池能量密度的方法包括：選用具有更高電化學(xué)電位差的正負(fù)極材料，例如使用高電壓正極材料（如高鎳三元材料）和硅基負(fù)極材料；減小電極材料的體積膨脹，提高材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)和制備工藝，提高電極材料的利用率；使用高離子電導(dǎo)率的電解液；開發(fā)新型電池體系，如固態(tài)電池、鋰硫電池等。3.影響鋰離子電池循環(huán)壽命的因素包括：電極材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，電極材料在充放電過程中會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)變化，如相變、晶格畸變等，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致容量衰減；電解液的穩(wěn)定性，電解液在高溫或長(zhǎng)期循環(huán)下會(huì)發(fā)生分解，產(chǎn)生副產(chǎn)物，影響電池性能；電池的充放電倍率，高倍率充放電會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部產(chǎn)生較大的應(yīng)力，加速材料老化；電池的充放電深度，深充放電會(huì)加劇電極材料的結(jié)構(gòu)變化和活性物質(zhì)損失。4.固態(tài)電池的優(yōu)點(diǎn)包括：能量密度更高，因?yàn)楣虘B(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率可以更高，且沒有液態(tài)電解液的體積膨脹問題；安全性更高，因?yàn)楣虘B(tài)電解質(zhì)不易燃，且沒有液態(tài)電解液的泄漏風(fēng)險(xiǎn)；循環(huán)壽命更長(zhǎng)，因?yàn)楣虘B(tài)電解質(zhì)與電極材料的界面穩(wěn)定性更好；工作溫度范圍更寬，因?yàn)楣虘B(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率隨溫度的變化較小。缺點(diǎn)包括：成本較高，因?yàn)楣虘B(tài)電解質(zhì)的制備工藝復(fù)雜；離子電導(dǎo)率較低，特別是在室溫下；電極/電解質(zhì)界面的阻抗較大；技術(shù)成熟度較低，尚處于商業(yè)化初期。5.鈉離子電池相比于鋰離子電池的優(yōu)勢(shì)包括：鈉資源更豐富，鈉資源在地球上分布廣泛，儲(chǔ)量巨大，價(jià)格更低；環(huán)境友好性更好，鈉離子電池的制備和廢棄過程對(duì)環(huán)境的影響較??；低溫性能更好，鈉離子電池在低溫下的性能衰減較小。挑戰(zhàn)包括：能量密度較低，目前鈉離子電池的能量密度普遍低于鋰離子電池；循環(huán)壽命較短，鈉離子電池的循環(huán)壽命普遍低于鋰離子電池；倍率性能較差，鈉離子電池的倍率性能普遍低于鋰離子電池；商業(yè)應(yīng)用較少，鈉離子電池的商業(yè)化應(yīng)用尚處于起步階段。1.高能量密度鋰離子電池材料的研究現(xiàn)狀主要集中在以下幾個(gè)方面：高電壓正極材料的研究，如高鎳三元材料（如NCM811）、富鋰材料等，這些材料具有更高的放電平臺(tái)電壓，可以顯著提高電池的能量密度；硅基負(fù)極材料的研究，硅基負(fù)極材料具有極高的理論容量，可以大幅提高電池的能量密度，目前主要挑戰(zhàn)在于硅基負(fù)極材料的體積膨脹問題和大電流性能問題；固態(tài)電池材料的研究，固態(tài)電解質(zhì)和固態(tài)電極材料的研究是提高電池能量密度的關(guān)鍵，目前主要挑戰(zhàn)在于固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率和界面穩(wěn)定性問題；新型電池體系的研究，如鋰硫電池、鋰空氣電池等，這些電池體系具有極高的理論能量密度，但目前尚處于基礎(chǔ)研究階段，商業(yè)化應(yīng)用尚不現(xiàn)實(shí)。發(fā)展趨勢(shì)方面，未來高能量密度鋰離子電池材料的研究將更加注重材料的安全性、循環(huán)壽命、成本效益等方面的性能，同時(shí)將更加注重多功能材料的設(shè)計(jì)，例如將鋰離子電池材料與儲(chǔ)能、傳感器等功能相結(jié)合。2.提高鋰離子電池的安全性是當(dāng)前鋰離子電池研究的重要方向，主要方法包括：選用安全性更高的正負(fù)極材料，例如使用磷酸鐵鋰作為正極材料，使用鈦酸鋰作為負(fù)極材料；優(yōu)化電解液配方，例如使用高電壓電解液添加劑，降低電解液的氧化還原電位，提高電池的熱穩(wěn)定性；開發(fā)新型電池