2025年大學(xué)《能源化學(xué)》專業(yè)題庫——電動(dòng)車充電設(shè)備的化學(xué)性能研究考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項(xiàng)的字母填在括號內(nèi)）1.在鋰離子電池的恒流充電過程中，負(fù)極材料發(fā)生的主要化學(xué)變化是（）。A.氧化反應(yīng)B.還原反應(yīng)C.離子嵌入D.離子脫出2.電極極化現(xiàn)象的根本原因是（）。A.電極表面化學(xué)反應(yīng)速率有限B.電極與電解液之間存在接觸電阻C.電解液離子濃度不均勻D.電池內(nèi)阻過大3.鋰離子電池電解液中，溶解的鋰鹽主要起到的作用是（）。A.提供電子B.增加電池能量密度C.降低電池內(nèi)阻D.提供電解質(zhì)離子4.SEI（SolidElectrolyteInterphase）膜主要形成于（）。A.正極材料表面B.負(fù)極材料表面C.隔膜表面D.集流體表面5.在電池充電過程中，導(dǎo)致電池溫度升高的主要化學(xué)因素之一是（）。A.電極材料與電解液發(fā)生劇烈反應(yīng)B.電池內(nèi)部電阻耗散焦耳熱C.電解液分解產(chǎn)生氣體D.BMS工作消耗能量6.下列哪種材料通常用作鋰離子電池的負(fù)極活性物質(zhì)？（）A.磷酸鐵鋰（LiFePO4）B.三元材料（如NCM）C.碳材料（如石墨）D.二氧化錳（LiMn2O4）7.提高鋰離子電池充電效率的關(guān)鍵因素之一是（）。A.降低電極反應(yīng)過電勢B.提高電解液離子電導(dǎo)率C.增加電池電極面積D.使用高倍率充電8.電池循環(huán)壽命衰減通常與以下哪個(gè)因素關(guān)系最密切？（）A.充電電流大小B.電極材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性C.充電截止電壓設(shè)置D.電解液的粘度9.在電動(dòng)車充電過程中，為了減緩電池老化，通常建議（）。A.盡量使用恒流充電B.避免電池長期處于高SOC或低SOC狀態(tài)C.盡量使用恒壓充電D.選擇盡可能高的充電功率10.固態(tài)電解質(zhì)電池相比傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)電池，其主要化學(xué)優(yōu)勢可能在于（）。A.更高的離子電導(dǎo)率B.更好的化學(xué)穩(wěn)定性C.更低的成本D.更高的安全性二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上）1.法拉第定律指出，通過電極的______與電極上發(fā)生的______的量成正比。2.電極極化分為______極化和______極化，它們都會(huì)導(dǎo)致電池實(shí)際工作電壓偏離平衡電極電勢。3.鋰離子電池常用的液體電解質(zhì)溶劑通常是有機(jī)碳酸酯類，如______和______。4.充電過程中，電池內(nèi)阻的變化會(huì)影響______電壓和電池的______效率。5.鋰枝晶的形成通常發(fā)生在______較高或______不均勻的充電條件下。6.電解液的分解產(chǎn)物可能參與副反應(yīng)，消耗活性鋰離子，并可能形成______，影響電池性能。7.電池管理系統(tǒng)（BMS）通過監(jiān)測電壓、電流、溫度等參數(shù)，可以估算電池的______和______。8.快速充電對電池的______性能和______穩(wěn)定性提出了更高的化學(xué)要求。9.為了提高電池的充電安全性，需要研究并抑制充電過程中的______反應(yīng)。10.新型電極材料的開發(fā)是提升充電設(shè)備化學(xué)性能的關(guān)鍵，例如，高鎳正極材料可能帶來更高的______，但也可能面臨更嚴(yán)峻的______問題。三、簡答題（每題5分，共15分。請簡要回答下列問題）1.簡述電化學(xué)極化現(xiàn)象對充電過程電壓的影響。2.簡述SEI膜在鋰離子電池充電過程中的作用及其形成原因。3.簡述充電電流密度對鋰離子電池正負(fù)極可能產(chǎn)生的影響。四、計(jì)算題（6分。請列出計(jì)算步驟并給出結(jié)果）假設(shè)一個(gè)鋰離子電池在恒流充電時(shí)，充電電流為2.0A，充電過程中測得電池電壓從3.0V（截止電壓）上升至4.2V（截止電壓）。已知電池總?cè)萘繛?000mAh。請估算該電池在3.0V至4.2V電壓區(qū)間內(nèi)，理論上轉(zhuǎn)移了多少摩爾的鋰離子？（鋰離子電荷數(shù)為+1）五、論述題（共19分。請結(jié)合所學(xué)知識，深入分析并闡述下列問題）1.分析恒流充電和恒壓充電兩種模式下，鋰離子電池內(nèi)部發(fā)生的化學(xué)過程及其對電池容量、內(nèi)阻、溫度和壽命可能產(chǎn)生的影響。（8分）2.闡述提高電動(dòng)車充電設(shè)備化學(xué)性能（特別是快充性能和安全性）面臨的化學(xué)挑戰(zhàn)，并列舉至少三種可能的化學(xué)或材料解決方案。（11分）試卷答案一、選擇題1.C2.A3.D4.B5.B6.C7.A8.B9.B10.B二、填空題1.電流，化學(xué)量2.濃度，動(dòng)力學(xué)3.己二醇碳酸酯，碳酸二甲酯4.開路，能量5.電流密度，電壓6.隔膜，副反應(yīng)7.狀態(tài)（SOC），健康（SOH）8.倍率（Rate），循環(huán)壽命9.熱失控（ThermalRunaway）10.容量，熱穩(wěn)定性（或循環(huán)壽命）三、簡答題1.解析思路：極化是指電極實(shí)際電勢偏離平衡電勢的現(xiàn)象。充電時(shí)，由于電極反應(yīng)速率跟不上電勢變化，需要更高的外部電壓才能驅(qū)動(dòng)鋰離子嵌入負(fù)極或脫出正極。這個(gè)額外的電壓差就是極化電壓。濃度極化是由于電極表面反應(yīng)物或產(chǎn)物濃度與本體溶液濃度不同導(dǎo)致，動(dòng)力學(xué)極化是由于電極表面反應(yīng)速率有限導(dǎo)致。兩者疊加，使得充電電壓高于理論平衡電壓。2.解析思路：SEI膜是在鋰金屬負(fù)極表面，由電解液成分分解并與鋰反應(yīng)生成的固態(tài)膜。其作用是包裹在負(fù)極顆粒表面，形成物理和化學(xué)屏障，阻止電解液進(jìn)一步分解，同時(shí)允許鋰離子通過，從而保護(hù)負(fù)極，提高電池循環(huán)壽命和安全性。形成原因主要是電解液溶劑（如碳酸酯）和鋰鹽在負(fù)極較低電位下發(fā)生分解，生成的碎片與鋰反應(yīng)形成無機(jī)鹽和有機(jī)物混合膜。3.解析思路：充電電流密度影響電極表面反應(yīng)速率和傳質(zhì)過程。高電流密度下，負(fù)極容易發(fā)生鋰離子濃度梯度，導(dǎo)致鋰枝晶生長；正極則可能因反應(yīng)不充分或副反應(yīng)加劇，影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和容量保持。同時(shí)，高電流密度導(dǎo)致電池內(nèi)部阻抗壓降增大，產(chǎn)生更多熱量，加速副反應(yīng)，影響電池?zé)岱€(wěn)定性和循環(huán)壽命。四、計(jì)算題計(jì)算步驟：1.計(jì)算電池總?cè)萘繉?yīng)的摩爾數(shù)：Q=2000mAh=2.0Ah=2.0C。1Faraday(F)=1C/mol(電荷量/摩爾)。鋰離子電荷數(shù)為+1。因此，摩爾數(shù)n=Q/F=2.0C/1C/mol=2.0mol。2.在3.0V至4.2V區(qū)間內(nèi)，理論上轉(zhuǎn)移的鋰離子摩爾數(shù)等于電池總?cè)萘繉?yīng)的摩爾數(shù)，因?yàn)轭}目未提及其他化學(xué)反應(yīng)。結(jié)果：理論上轉(zhuǎn)移了2.0mol的鋰離子。五、論述題1.解析思路：*恒流充電：電流恒定，鋰離子在正負(fù)極的嵌入/脫出速率基本由電流控制。初期主要在正極發(fā)生反應(yīng)，電壓線性上升。隨著SOC接近100%，負(fù)極反應(yīng)逐漸成為限制因素，電壓上升變緩。恒流充電相對溫和，對電池內(nèi)阻影響較小，但充電后期效率較低（因電壓持續(xù)上升）。*恒壓充電：電壓恒定，充電電流隨SOC增加而減小。初期電流較大，主要在正極反應(yīng)，電壓快速上升至截止電壓。當(dāng)電壓達(dá)到截止值后，電流逐漸減小，主要在負(fù)極發(fā)生反應(yīng)。恒壓充電后期電流很小，效率較高，但高電壓可能對電解液和電極材料穩(wěn)定性造成更大壓力，加速副反應(yīng)和老化。*對容量影響：恒流下，若控制不當(dāng)（如過充），可能導(dǎo)致容量損失。恒壓下，電壓上限限制了最大可充入量，若電壓平臺不夠平坦，也可能影響容量利用率。*對內(nèi)阻影響：充電過程都會(huì)導(dǎo)致內(nèi)阻變化，恒流下變化相對平緩，恒壓下末期電流減小可能使內(nèi)阻測量值偏低。*對溫度影響：兩種方式下，充電都會(huì)因電化學(xué)反應(yīng)和內(nèi)阻耗散產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致溫度升高。恒流充電溫度上升相對均勻，恒壓充電末期電流減小，發(fā)熱減少。*對壽命影響：恒流充電通常對壽命更友好。恒壓充電若電壓控制不當(dāng)或時(shí)間過長，可能因高電壓或過充加速電池老化。2.解析思路：*化學(xué)挑戰(zhàn)：*高電壓穩(wěn)定性：恒壓快充時(shí)，高電壓容易導(dǎo)致電解液分解，產(chǎn)生氣體，增加內(nèi)阻，甚至引發(fā)安全風(fēng)險(xiǎn)。*SEI膜穩(wěn)定性與均勻性：快充可能導(dǎo)致SEI膜不均勻、過厚或化學(xué)成分不佳，影響離子傳輸和循環(huán)壽命。*鋰枝晶風(fēng)險(xiǎn)：高電流密度下，負(fù)極鋰離子濃度梯度和電位分布不均，易引發(fā)鋰枝晶，存在穿刺隔膜、短路的風(fēng)險(xiǎn)。*熱管理：快充產(chǎn)生大量熱量，若散熱不及時(shí)，易導(dǎo)致電池溫度過高，引發(fā)熱失控。*副反應(yīng)加速：高溫、高電壓、高電流密度都加速電解液分解、電極材料副反應(yīng)，縮短壽命。*容量衰減：快充可能加劇材料結(jié)構(gòu)變化和活性物質(zhì)損失。*解決方案：*開發(fā)高電壓穩(wěn)定電解液：研究在更高電壓下仍穩(wěn)定的溶劑、鋰鹽和添加劑，抑制副反應(yīng)。*設(shè)計(jì)優(yōu)化負(fù)極材料：如使用人造SEI膜前驅(qū)體，或開發(fā)不易形成枝晶、SEI膜穩(wěn)定的負(fù)極材料（如硅基負(fù)極改性）。*改進(jìn)電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：如采用厚殼電池、優(yōu)化電極片厚度和結(jié)構(gòu)，增加反應(yīng)面積，改善離子傳輸路徑，降低局部電流密度。*引入固態(tài)電