2025年大學(xué)《能源化學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——新型材料在鋰電池中的應(yīng)用研究考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在題后的括號(hào)內(nèi)）1.相較于傳統(tǒng)石墨負(fù)極，硅基負(fù)極材料的主要優(yōu)勢(shì)在于（）。A.理論容量更高B.導(dǎo)電性更好C.循環(huán)穩(wěn)定性更優(yōu)異D.成本更低廉2.在鋰離子電池中，能夠有效抑制鋰枝晶生長(zhǎng)、提高電池安全性的關(guān)鍵因素之一是（）。A.提高正極材料本征電壓B.使用高離子電導(dǎo)率的電解液C.降低負(fù)極材料體積膨脹率D.增加電池的倍率性能3.磷酸鐵鋰（LiFePO4）正極材料屬于（）結(jié)構(gòu)。A.層狀氧化物B.尖晶石型C.聚陰離子型D.碳酸鹽型4.為了提高鋰離子電池的倍率性能，通常會(huì)對(duì)電極材料進(jìn)行哪種處理？（）A.增加材料的比表面積B.減小材料的顆粒尺寸C.提高材料的電子導(dǎo)電性D.以上都是5.固態(tài)電解質(zhì)相比液態(tài)電解質(zhì)的主要優(yōu)勢(shì)包括（）。A.離子電導(dǎo)率高B.允許使用鋰金屬負(fù)極C.安全性高，不易燃D.成本低廉6.導(dǎo)致鋰離子電池硅基負(fù)極材料首次庫(kù)侖效率較低的主要原因可能是（）。A.硅的體積膨脹較大B.硅與電解液發(fā)生副反應(yīng)C.硅顆粒在循環(huán)過(guò)程中破碎D.以上都是7.在正極材料中，鎳（Ni）含量的提高通常有利于（）。A.提高電池的電壓平臺(tái)B.增加電池的循環(huán)壽命C.提升電池的能量密度D.降低電池的生產(chǎn)成本8.隔膜在鋰離子電池中的作用主要是（）。A.提供電子通路B.阻止鋰離子通過(guò)C.防止正負(fù)極直接接觸造成短路D.儲(chǔ)存電解液9.采用聚合物基固態(tài)電解質(zhì)時(shí)，常需要關(guān)注（）問題。A.離子遷移數(shù)B.界面阻抗C.機(jī)械強(qiáng)度D.以上都是10.鋰電池能量密度指的是（）。A.電池在單位時(shí)間內(nèi)能釋放的能量B.電池在單位質(zhì)量或單位體積內(nèi)能儲(chǔ)存的能量C.電池充放電的速率D.電池的輸出電壓二、簡(jiǎn)答題（每小題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述鋰離子電池中，正極材料的放電過(guò)程（以LiCoO2為例）。2.簡(jiǎn)述提高鋰離子電池負(fù)極材料循環(huán)壽命的常用策略。3.簡(jiǎn)述固態(tài)電解質(zhì)相較于液態(tài)電解質(zhì)在安全性方面的優(yōu)勢(shì)。4.簡(jiǎn)述摻雜或表面包覆處理對(duì)鋰離子電池正極材料性能可能產(chǎn)生的影響。三、論述題（每小題10分，共30分）1.論述硅基材料作為鋰離子電池負(fù)極材料的巨大潛力與面臨的主要挑戰(zhàn)，并提出至少兩種應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)的策略。2.以高鎳層狀氧化物正極材料為例，論述其優(yōu)缺點(diǎn)以及在實(shí)際應(yīng)用中可能遇到的問題。3.探討鋰硫電池（Li-S電池）中新型正極材料或電解液研究的主要方向及其意義。四、材料設(shè)計(jì)/方案探討題（15分）當(dāng)前，開發(fā)高能量密度、長(zhǎng)壽命且安全的鋰離子電池是重要的研究方向。請(qǐng)選擇鋰離子電池的其中一個(gè)組成部分（正極、負(fù)極、電解質(zhì)或隔膜中任選其一），結(jié)合當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，闡述該部分新型材料的設(shè)計(jì)思路、目標(biāo)性能以及預(yù)期優(yōu)勢(shì)。試卷答案一、選擇題（每小題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在題后的括號(hào)內(nèi)）1.A(硅的理論容量約為372mAh/g，遠(yuǎn)高于石墨的372mAh/g，是主要優(yōu)勢(shì)。)2.C(負(fù)極體積膨脹是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞和容量衰減的重要原因，抑制體積膨脹有助于提高循環(huán)壽命，安全性與體積膨脹密切相關(guān)。)3.C(LiFePO4具有橄欖石結(jié)構(gòu)的聚陰離子型氧化物。)4.D(增加比表面積、減小顆粒尺寸、提高電子導(dǎo)電性都能縮短鋰離子擴(kuò)散路徑，從而提高倍率性能。)5.B(固態(tài)電解質(zhì)離子電導(dǎo)率仍在提升中，但其固有優(yōu)勢(shì)在于化學(xué)穩(wěn)定性好，不易燃，允許使用鋰金屬等高活性材料。)6.D(硅首次庫(kù)侖效率低主要是因?yàn)楣柙谇朵囘^(guò)程中發(fā)生巨大的體積變化導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，同時(shí)硅與電解液發(fā)生反應(yīng)。)7.C(提高鎳含量通常意味著更高的放電電壓平臺(tái)和更高的理論容量，從而提升能量密度。)8.C(隔膜的核心功能是物理隔離正負(fù)極，防止內(nèi)部短路。)9.D(聚合物基固態(tài)電解質(zhì)需要解決離子遷移效率、與電極的界面相容性以及自身的機(jī)械強(qiáng)度等問題。)10.B(能量密度定義為單位質(zhì)量或單位體積電池所能儲(chǔ)存的總電量，是衡量?jī)?chǔ)能密度的關(guān)鍵指標(biāo)。)二、簡(jiǎn)答題（每小題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述鋰離子電池中，正極材料的放電過(guò)程（以LiCoO2為例）。答：LiCoO2正極材料在放電過(guò)程中，鋰離子（Li+）從層狀結(jié)構(gòu)的晶格中脫出，同時(shí)電子通過(guò)外電路流向負(fù)極。脫出的鋰離子進(jìn)入電解液，并通過(guò)隔膜遷移到負(fù)極。在正極表面，脫鋰導(dǎo)致Co^2+/Li^+發(fā)生價(jià)態(tài)變化（通常為Co^3+），氧的價(jià)態(tài)也可能發(fā)生變化，同時(shí)層狀結(jié)構(gòu)可能部分坍塌，形成新的LiCoO2相或鈷氧化物。整個(gè)過(guò)程可以簡(jiǎn)化表示為：LiCoO2→Li1-xCoO2+xLi++xe-。2.簡(jiǎn)述提高鋰離子電池負(fù)極材料循環(huán)壽命的常用策略。答：提高負(fù)極材料循環(huán)壽命的策略主要包括：①優(yōu)化材料結(jié)構(gòu)，如采用納米結(jié)構(gòu)（納米顆粒、納米線、納米管）以減小體積膨脹引起的應(yīng)力集中；②進(jìn)行表面改性，如表面包覆（碳材料、導(dǎo)電聚合物、金屬氧化物），以緩沖體積變化、維持導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)、阻止副反應(yīng)；③選擇合適的電解液添加劑，以穩(wěn)定SEI膜，減少其不穩(wěn)定造成的持續(xù)消耗。3.簡(jiǎn)述固態(tài)電解質(zhì)相較于液態(tài)電解質(zhì)在安全性方面的優(yōu)勢(shì)。答：固態(tài)電解質(zhì)相比液態(tài)電解質(zhì)，在安全性方面具有顯著優(yōu)勢(shì)：①化學(xué)穩(wěn)定性高，不易與活性物質(zhì)或集流體發(fā)生反應(yīng)，不易燃燒或爆炸；②不易泄漏；③能夠承受更高的工作溫度；④理論上可以完全阻止鋰枝晶的形成，因?yàn)槠潆x子電導(dǎo)率足夠高時(shí)，電子難以通過(guò)。4.簡(jiǎn)述摻雜或表面包覆處理對(duì)鋰離子電池正極材料性能可能產(chǎn)生的影響。答：摻雜處理可以通過(guò)引入雜質(zhì)元素改變材料的晶格結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)或離子遷移路徑，從而可能提高材料的電子導(dǎo)電性、離子導(dǎo)電性或熱穩(wěn)定性，并可能調(diào)控其充放電電壓平臺(tái)。表面包覆則通過(guò)在材料表面覆蓋一層薄層物質(zhì)，可以有效緩沖充放電過(guò)程中的體積變化，阻止電解液直接接觸活性物質(zhì)，抑制副反應(yīng)，提高材料的循環(huán)壽命和庫(kù)侖效率，有時(shí)也能改善導(dǎo)電性或降低表面能。三、論述題（每小題10分，共30分）1.論述硅基材料作為鋰離子電池負(fù)極材料的巨大潛力與面臨的主要挑戰(zhàn)，并提出至少兩種應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)的策略。答：潛力：硅基材料具有極高的理論容量（約3720mAh/g，遠(yuǎn)高于石墨的372mAh/g），能夠顯著提高鋰離子電池的能量密度，滿足未來(lái)對(duì)高續(xù)航里程的需求。其資源豐富、價(jià)格相對(duì)低廉也是重要優(yōu)勢(shì)。挑戰(zhàn)：主要面臨體積膨脹（嵌鋰/脫鋰過(guò)程中可達(dá)300-400%）、循環(huán)穩(wěn)定性差（結(jié)構(gòu)粉化導(dǎo)致容量衰減快）、首次庫(kù)侖效率低（與電解液發(fā)生副反應(yīng)）、電子/離子導(dǎo)電性相對(duì)較差等問題。應(yīng)對(duì)策略：①構(gòu)建多級(jí)孔道或納米結(jié)構(gòu)（如納米顆粒、納米線、納米管、中空結(jié)構(gòu)等）：減小單顆粒的體積變化率，提供緩沖空間，縮短鋰離子擴(kuò)散路徑，維持結(jié)構(gòu)完整性。②表面包覆：利用碳材料（如石墨烯、碳納米管、無(wú)定形碳）、導(dǎo)電聚合物或金屬氧化物等對(duì)硅顆粒進(jìn)行包覆，形成保護(hù)層，以緩解體積膨脹應(yīng)力，阻止硅與電解液的直接接觸，提高電子導(dǎo)電性，穩(wěn)定SEI膜。2.以高鎳層狀氧化物正極材料為例，論述其優(yōu)缺點(diǎn)以及在實(shí)際應(yīng)用中可能遇到的問題。答：優(yōu)點(diǎn)：高鎳（如NCM811或更高鎳含量）層狀氧化物正極材料具有很高的理論放電容量（>250mAh/g）和較高的電壓平臺(tái)（~3.9-4.2Vvs.Li/Li+），能夠提供較高的能量密度，且能量效率（放電容量/理論容量）較高。缺點(diǎn)：主要缺點(diǎn)包括：①熱穩(wěn)定性較差，尤其是在高電壓和高溫條件下，容易發(fā)生結(jié)構(gòu)相變（如向富鋰相轉(zhuǎn)變），導(dǎo)致容量衰減和電壓衰減；②對(duì)鋰離子嵌入/脫出過(guò)程中的陽(yáng)離子混排較為敏感，可能影響循環(huán)壽命；③電子導(dǎo)電性相對(duì)較低，需要通過(guò)摻雜或表面改性來(lái)提升。實(shí)際應(yīng)用中可能遇到的問題：①嚴(yán)重的熱失控風(fēng)險(xiǎn)，一旦發(fā)生安全問題后果嚴(yán)重；②與鋰金屬負(fù)極不兼容，容易形成鋰枝晶，導(dǎo)致電池短路；③循環(huán)過(guò)程中可能出現(xiàn)不可逆的結(jié)構(gòu)變化和相分離；④成本較高，尤其是當(dāng)使用高價(jià)值的鎳元素時(shí)。3.探討鋰硫電池（Li-S電池）中新型正極材料或電解液研究的主要方向及其意義。答：鋰硫電池具有極高的理論能量密度（~2600mAh/g），但其發(fā)展面臨關(guān)鍵挑戰(zhàn)，如穿梭效應(yīng)、多硫化物溶解、鋰枝晶生長(zhǎng)和較差的循環(huán)穩(wěn)定性。因此，新型正極材料和電解液的研究是提升Li-S電池性能的核心方向。新型正極材料研究主要方向：①硫載體制備與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：開發(fā)高比表面積、高孔隙率、良好導(dǎo)電性的載體（如碳材料、多孔金屬氧化物/硫化物、導(dǎo)電聚合物），以物理/化學(xué)吸附多硫化物，限制其溶解和穿梭，并提供電子/離子傳輸通道。②固態(tài)或準(zhǔn)固態(tài)正極：將硫固定在固態(tài)或凝膠基質(zhì)中，形成“硫化物-導(dǎo)體-硫化物”或“硫化物-聚合物-硫化物”結(jié)構(gòu)，限制多硫化物的溶解和遷移。③新型正極材料體系：探索除硫之外的其他高容量正極材料，如硫族化合物（硒、碲）、金屬硫化物、有機(jī)硫化合物等。新型電解液研究主要方向：①固態(tài)電解液：使用全固態(tài)或半固態(tài)電解質(zhì)（玻璃陶瓷基、聚合物基、凝膠態(tài)），能夠有效阻止多硫化物的溶解和穿梭，提高安全性，并可能允許使用鋰金屬負(fù)極。②高性能液態(tài)電解液：開發(fā)新型溶劑、高遷移數(shù)電解質(zhì)鹽、功能添加劑（如陰離子捕獲劑、鋰金屬成膜添加劑），以抑制多硫化物溶解，穩(wěn)定SEI膜，降低界面阻抗。意義：上述研究方向的進(jìn)展對(duì)于克服Li-S電池的關(guān)鍵瓶頸至關(guān)重要。開發(fā)出高效的新型正極材料可以有效利用硫的高容量潛力，并抑制其負(fù)面影響。開發(fā)出性能優(yōu)異的電解液可以解決多硫化物穿梭和鋰枝晶生長(zhǎng)問題，從而顯著提升Li-S電池的能量密度、循環(huán)壽命、安全性和倍率性能，使其在下一代儲(chǔ)能領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。四、材料設(shè)計(jì)/方案探討題（15分）當(dāng)前，開發(fā)高能量密度、長(zhǎng)壽命且安全的鋰離子電池是重要的研究方向。請(qǐng)選擇鋰離子電池的其中一個(gè)組成部分（正極、負(fù)極、電解質(zhì)或隔膜中任選其一），結(jié)合當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，闡述該部分新型材料的設(shè)計(jì)思路、目標(biāo)性能以及預(yù)期優(yōu)勢(shì)。（以下提供一個(gè)示例答案框架，具體內(nèi)容可根據(jù)選擇部分和思路展開）選擇部分：高鎳層狀氧化物正極材料設(shè)計(jì)思路：1.結(jié)構(gòu)調(diào)控：通過(guò)精確控制鎳含量（如NCMA,NCMC）和鋁含量（如NCMA-LiAlO2），優(yōu)化層狀/尖晶石混合相比例，抑制富鋰相的形成，提高熱穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。2.表面工程：采用納米化技術(shù)（如納米顆粒、納米片），增加電極/電解液接觸面積。進(jìn)行表面包覆，如使用導(dǎo)電聚合物（如聚吡咯）、碳材料（石墨烯、碳納米管）或氧化物（Al2O3,ZrO2）進(jìn)行包覆，以緩沖電壓變化和體積變化帶來(lái)的應(yīng)力，提高電子導(dǎo)電性和離子導(dǎo)電性，抑制電解液分解。3.摻雜改性：引入適量過(guò)渡金屬元素（如Mg,Mn,Ti）或堿金屬元素（如Al）進(jìn)行摻雜，以穩(wěn)定晶格結(jié)構(gòu)，降低晶格能，抑制陽(yáng)離子混排，提高熱穩(wěn)定性和循環(huán)壽命。目標(biāo)性能：1.高放電容量（>250mAh