2025年大學(xué)《能源化學(xué)》專業(yè)題庫——超級電容器的電化學(xué)儲能機(jī)理考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分）1.與傳統(tǒng)電容器相比，超級電容器的顯著特點(diǎn)之一是具有極高的能量密度，這主要得益于其采用了哪種儲能機(jī)制？A.電極材料表面的法拉第氧化還原反應(yīng)B.電極/電解質(zhì)界面處離子的物理吸附C.電解質(zhì)內(nèi)部的離子電導(dǎo)D.電極材料的壓電效應(yīng)2.以下哪種材料通常被認(rèn)為是雙電層電容器（EDLC）中最理想的電極材料？A.過渡金屬氧化物（如RuO?）B.具有高比表面積和良好導(dǎo)電性的碳材料（如活性炭、石墨烯）C.導(dǎo)電聚合物（如聚苯胺）D.酒石酸鐵3.贗電容器（Pseudocapacitor）的比電容遠(yuǎn)高于雙電層電容器，其主要原因是？A.贗電容器使用了比雙電層電容器更高的電壓B.贗電容器主要通過電極材料的體積變化來存儲電荷C.贗電容器利用了電極材料表面發(fā)生的快速、可逆的法拉第氧化還原反應(yīng)D.贗電容器的電極材料具有更小的離子半徑4.在超級電容器的儲能過程中，電解質(zhì)的作用主要是？A.提供電極材料B.為電荷的快速傳輸提供離子導(dǎo)電通路C.增加電極的表面積D.發(fā)生法拉第氧化還原反應(yīng)5.混合超級電容器結(jié)合了EDLC和贗電容器的優(yōu)點(diǎn)，其性能通常優(yōu)于單純的EDLC或贗電容器，主要是因為？A.混合結(jié)構(gòu)顯著提高了電極材料的利用率B.同時利用了物理吸附和法拉第反應(yīng)兩種儲能機(jī)制C.電解質(zhì)的電導(dǎo)率得到了大幅提升D.器件的結(jié)構(gòu)更加緊湊6.在超級電容器的應(yīng)用中，倍率性能指的是？A.器件在短時間內(nèi)能提供的最大功率B.器件在多次充放電循環(huán)后的電容保持率C.器件在單位質(zhì)量或單位體積下所能存儲的能量D.器件所能承受的最大電壓7.對于雙電層電容器而言，要提高其能量密度和功率密度，通常需要？A.使用具有更高電化學(xué)窗口的電解質(zhì)B.使用比表面積更小但導(dǎo)電性更好的電極材料C.選用離子遷移數(shù)接近1的電解質(zhì)D.增加電極材料的厚度以減小電阻8.導(dǎo)致超級電容器循環(huán)壽命降低的主要原因是？A.電解液的揮發(fā)B.電極材料的活性物質(zhì)脫落或結(jié)構(gòu)破壞C.庫侖效率持續(xù)下降至極低值D.電壓窗口不斷縮小9.超級電容器通常被認(rèn)為是一種綠色能源存儲裝置，其主要優(yōu)勢在于？A.制造過程完全無污染B.可以完全替代化石燃料C.具有極高的能量密度，可長期穩(wěn)定工作D.廢棄后易于回收處理，對環(huán)境友好10.固態(tài)超級電容器是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一，其相較于傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)超級電容器的主要優(yōu)勢可能包括？A.更高的安全性（不易燃、不易爆）B.更高的離子電導(dǎo)率C.更低的成本D.更高的循環(huán)壽命（理論上）二、填空題（每空1分，共15分）1.超級電容器根據(jù)儲能機(jī)理主要分為______電容器和______電容器兩大類。2.雙電層電容器的儲能過程主要是電解質(zhì)離子在電極/電解質(zhì)界面處的______過程。3.贗電容器的儲能過程涉及電極材料表面或近表面的______反應(yīng)。4.影響超級電容器比電容的關(guān)鍵因素包括電極材料的______、______以及電解質(zhì)的______。5.超級電容器的功率密度通常遠(yuǎn)高于電池，但能量密度相對較低，這體現(xiàn)了它們在______和______方面的性能差異。6.為了提高超級電容器的倍率性能，需要降低器件的______和優(yōu)化電極材料的______。7.在超級電容器器件中，隔膜的作用是______電解質(zhì)，同時允許離子通過。8.超級電容器的庫侖效率通常很高，接近______，表明其充放電過程能量損失較小。9.評價超級電容器儲能性能的兩個核心參數(shù)是______和______。10.超級電容器在混合動力汽車、軌道交通等領(lǐng)域的應(yīng)用，主要利用了其______高、______快的優(yōu)勢。三、名詞解釋（每題3分，共12分）1.雙電層電容器（EDLC）2.贗電容（Pseudocapacitance）3.比電容（SpecificCapacitance）4.倍率性能（RateCapability）四、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述影響超級電容器能量密度的因素及其內(nèi)在原因。2.簡述影響超級電容器功率密度的因素及其內(nèi)在原因。3.比較雙電層電容器和贗電容器在儲能機(jī)理、材料、性能特點(diǎn)方面的主要區(qū)別。4.簡述電極材料在超級電容器中的作用，并列舉至少兩種常用的電極材料及其主要特性。五、論述題（10分）結(jié)合超級電容器的儲能機(jī)理，論述提高其能量密度和功率密度的主要途徑及其面臨的挑戰(zhàn)。試卷答案一、選擇題1.B2.B3.C4.B5.B6.A7.A8.B9.D10.A二、填空題1.雙電層；贗電容2.物理吸附3.法拉第氧化還原4.比表面積；孔結(jié)構(gòu)；電導(dǎo)率5.功率；能量6.電阻；離子擴(kuò)散7.隔離；離子傳輸8.100%9.比電容；能量密度10.能量；功率三、名詞解釋1.雙電層電容器（EDLC）：基于電極/電解質(zhì)界面處離子（或電子）的物理吸附形成雙電層來存儲電荷的電容器。2.贗電容（Pseudocapacitance）：指電極材料表面或近表面發(fā)生快速、可逆的法拉第氧化還原反應(yīng)來存儲電荷的現(xiàn)象，其儲能機(jī)制與雙電層電容的物理吸附不同。3.比電容（SpecificCapacitance）：單位質(zhì)量（m）或單位體積（V）的超級電容器所能存儲的電能，是衡量器件儲能能力的關(guān)鍵參數(shù)。4.倍率性能（RateCapability）：指超級電容器在改變電流密度（充放電速率）時，其輸出電壓或電容值保持穩(wěn)定的能力，或指在特定高電流密度下所能達(dá)到的電容或能量輸出水平。四、簡答題1.解析思路：分析影響能量密度的兩個主要因素：質(zhì)量/體積和電壓窗口。能量=電容×電壓2/2。要提高能量密度，可以從增加單位質(zhì)量/體積的電容（即提高比電容）和拓寬電化學(xué)工作電壓窗口兩方面入手。同時要考慮材料的穩(wěn)定性和電解質(zhì)的兼容性。*答案要點(diǎn)：影響因素主要包括電極材料的比電容和電解質(zhì)的電化學(xué)窗口。提高能量密度的主要途徑是：1）選用比表面積更大、電化學(xué)活性更高的電極材料以增加比電容；2）選用電化學(xué)窗口更寬的電解質(zhì)以允許更高的工作電壓。同時，電極材料的化學(xué)穩(wěn)定性、電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率和安全性也是需要考慮的限制因素。2.解析思路：分析影響功率密度的關(guān)鍵因素。功率=能量/時間，在高功率下，時間很短，因此功率密度與電阻密切相關(guān)。降低器件內(nèi)阻（電極電阻、電解質(zhì)電阻、內(nèi)阻）是提高功率密度的核心。此外，電極材料的離子擴(kuò)散速率也影響快速充放電能力。*答案要點(diǎn)：影響因素主要包括器件的總內(nèi)阻（電極電阻、電解質(zhì)電阻、接觸電阻等）和電極材料的離子傳輸/擴(kuò)散速率。提高功率密度的主要途徑是：1）選用電導(dǎo)率高的電極材料和電解質(zhì)；2）減小電極厚度或增加電極孔隙率以降低電阻；3）選用離子擴(kuò)散速率快的電極材料，確保在高電流密度下仍能有效儲能。3.解析思路：對比EDLC和贗電容器的核心區(qū)別：儲能機(jī)理（物理吸附vs法拉第反應(yīng)）、主要電極材料（碳材料vs過渡金屬氧化物/導(dǎo)電聚合物等）、比電容大小、倍率性能、能量密度、循環(huán)壽命等。*答案要點(diǎn)：主要區(qū)別在于儲能機(jī)理：EDLC通過物理吸附電解質(zhì)離子在雙電層界面存儲電荷，贗電容通過電極材料表面/近表面的法拉第氧化還原反應(yīng)存儲電荷。EDLC主要電極材料為高比表面積碳，贗電容主要電極材料為過渡金屬氧化物、硫化物或?qū)щ娋酆衔?。通常贗電容比電容遠(yuǎn)高于EDLC，但倍率性能和循環(huán)壽命可能不如EDLC優(yōu)異。EDLC能量密度相對較低，贗電容能量密度相對較高。4.解析思路：闡述電極材料在超級電容器中的作用（提供活性位、決定電容、影響動力學(xué)、決定穩(wěn)定性）。列舉并說明兩種常用電極材料的類型和關(guān)鍵特性（比表面積、導(dǎo)電性、電化學(xué)窗口、穩(wěn)定性、成本等）。*答案要點(diǎn)：電極材料是超級電容器的核心，其作用是提供電荷存儲的活性位點(diǎn)，直接決定器件的比電容、工作電壓、倍率性能和循環(huán)壽命。電極材料還需要具備良好的導(dǎo)電性以支持快速離子傳輸，以及化學(xué)和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。常用電極材料包括：1）碳材料（如活性炭、石墨烯、碳納米管），具有極高的比表面積，成本低，但比電容相對較低；2）過渡金屬氧化物/硫化物（如RuO?、MnO?、NiO、MoS?），通常具有更高的比電容和能量密度，但成本較高或穩(wěn)定性/循環(huán)壽命有待提高。五、論述題解析思路：結(jié)合儲能機(jī)理，分別闡述提高能量密度和功率密度的主要技術(shù)途徑（材料、結(jié)構(gòu)、器件設(shè)計等），并分析每種途徑可能面臨的挑戰(zhàn)（如性能間的權(quán)衡、材料成本、制備難度、穩(wěn)定性問題等）。需要體現(xiàn)是一個有深度思考的論述。*答案要點(diǎn)：提高超級電容器的能量密度主要可以通過增加電極材料的比電容和拓寬電解質(zhì)的電化學(xué)窗口。途徑包括：1）開發(fā)新型高比表面積、高電化學(xué)活性材料（如雜原子摻雜碳、金屬氧化物納米結(jié)構(gòu)）；2）利用納米復(fù)合、多級孔道結(jié)構(gòu)設(shè)計來提升材料利用率。面臨的挑戰(zhàn)是高比表面積材料往往導(dǎo)電性不佳，限制了功率密度；高活性材料（如RuO?）成本高；材料在高壓或循環(huán)過程中的穩(wěn)定性問題。提高功率密度主要可以通過降低器件內(nèi)阻