2025年大學(xué)《能源化學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——電動(dòng)汽車動(dòng)力電池設(shè)計(jì)優(yōu)化考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡(jiǎn)答題（每題8分，共40分）1.簡(jiǎn)述鋰離子電池正極材料層狀氧化物（如LiCoO2）的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并說(shuō)明其放電過(guò)程中發(fā)生的變化。2.影響鋰離子電池倍率性能的主要因素有哪些？請(qǐng)分別解釋其影響機(jī)制。3.闡述電池電極材料理論容量、實(shí)際容量和可逆容量的區(qū)別，并說(shuō)明影響可逆容量的關(guān)鍵因素。4.電動(dòng)汽車對(duì)動(dòng)力電池的安全性能有哪些核心要求？簡(jiǎn)述電池?zé)崾Э氐幕具^(guò)程和主要誘因。5.比較液態(tài)電解質(zhì)和固態(tài)電解質(zhì)在電池性能（如能量密度、安全性、循環(huán)壽命）方面的優(yōu)缺點(diǎn)。二、論述題（每題15分，共45分）6.在設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池時(shí)，能量密度和功率密度之間通常存在權(quán)衡關(guān)系。請(qǐng)論述這種權(quán)衡關(guān)系的具體體現(xiàn)，并說(shuō)明在實(shí)際設(shè)計(jì)中如何根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景（如乘用車、商用車）進(jìn)行優(yōu)化選擇。7.綜述影響鋰離子電池循環(huán)壽命的主要機(jī)制，并針對(duì)其中一個(gè)主要機(jī)制，提出至少三種不同的材料或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化策略。8.闡述電池制造工藝（如電極制備的涂覆-輥壓過(guò)程）對(duì)電池最終性能（如容量、一致性、循環(huán)壽命）的影響，并分析工藝控制的關(guān)鍵點(diǎn)。三、分析計(jì)算題（共15分）9.假設(shè)某電動(dòng)汽車動(dòng)力電池包總?cè)萘繛?00kWh，由單體電池組成，單體電池電壓為3.65V（2.5V至4.2V）。若要求電池包支持的最大放電電流為500A，且放電過(guò)程在2.5V至3.2V之間完成。請(qǐng)計(jì)算：(1)該電池包包含多少個(gè)單體電池？（假設(shè)所有單體電池電壓同步下降）(2)在上述最大放電電流下，電池包的放電時(shí)間是多少？(3)若該電池包的能量效率（定義：放電能量/充電能量）為90%，則充滿該電池包需要多少能量輸入？---試卷答案一、簡(jiǎn)答題1.答案：層狀氧化物（如LiCoO2）具有巖鹽型結(jié)構(gòu)，但其氧離子層和鋰/鈷離子層交替堆疊，形成(111)方向的層狀結(jié)構(gòu)。放電過(guò)程中，鋰離子（Li+）從正極材料晶格中脫出，進(jìn)入電解液，同時(shí)電子通過(guò)外電路流向負(fù)極；同時(shí)，正極材料中的鈷離子（Co3+）部分氧化（Co2+→Co3+），并伴隨著氧的釋放或氧陰離子的遷移，導(dǎo)致材料層間距增大，晶格發(fā)生膨脹。解析思路：考察對(duì)正極材料基本結(jié)構(gòu)（層狀）和放電原理（Li+脫出、Co氧化、結(jié)構(gòu)變化）的理解。2.答案：主要影響因素包括：*電極材料比表面積：比表面積越大，電極/電解液接觸面積越大，有利于電荷傳輸，但可能導(dǎo)致副反應(yīng)增多，降低倍率性能。*離子擴(kuò)散速率：負(fù)極材料（如石墨）的鋰離子擴(kuò)散速率是限制倍率性能的關(guān)鍵因素，擴(kuò)散路徑長(zhǎng)度、擴(kuò)散激活能等都影響其速率。*電解液離子電導(dǎo)率：電解液本身的離子電導(dǎo)率決定了離子在電解液中的傳輸能力。*SEI膜形成：在高倍率下，SEI膜的形成動(dòng)力學(xué)可能跟不上鋰離子和電子的遷移速率，影響離子傳輸，甚至消耗活性鋰。*電極結(jié)構(gòu)：電極的孔隙率、顆粒尺寸、取向等結(jié)構(gòu)因素也會(huì)影響電解液的浸潤(rùn)和離子的傳輸路徑。解析思路：考察對(duì)影響倍率性能各環(huán)節(jié)（材料、電解液、界面、結(jié)構(gòu)）及其作用機(jī)制的掌握。3.答案：理論容量是指單位質(zhì)量或單位摩爾數(shù)的電極材料，在完全電化學(xué)反應(yīng)時(shí)所能釋放或吸收的電量（基于法拉第定律）；實(shí)際容量是理論容量與材料可逆反應(yīng)程度、副反應(yīng)等因素相關(guān)的實(shí)際可利用容量；可逆容量是指經(jīng)過(guò)多次充放電循環(huán)后，電池實(shí)際能夠保持和可逆循環(huán)的容量，它受到材料穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)保持性、界面副反應(yīng)等因素的影響。影響可逆容量的關(guān)鍵因素包括：活性物質(zhì)的穩(wěn)定性（化學(xué)、結(jié)構(gòu)）、電解液與電極材料的相容性、SEI膜的穩(wěn)定性和生長(zhǎng)特性、電極結(jié)構(gòu)在循環(huán)中的保持能力等。解析思路：考察對(duì)容量相關(guān)概念（理論、實(shí)際、可逆）的區(qū)分，以及對(duì)影響可逆容量關(guān)鍵因素的歸納。4.答案：核心要求包括高能量密度、高安全性（不易發(fā)生熱失控）、長(zhǎng)循環(huán)壽命、良好的環(huán)境適應(yīng)性等。電池?zé)崾Э氐幕具^(guò)程通常包括：觸發(fā)因素（過(guò)充、過(guò)放、高溫、短路、濫用等）導(dǎo)致電池內(nèi)部產(chǎn)生局部高溫；高溫引發(fā)電解液分解，產(chǎn)生可燃性氣體（如氫氣）；可燃?xì)怏w聚集達(dá)到一定濃度并遇到點(diǎn)火源（高溫）發(fā)生燃燒或爆炸；燃燒或爆炸產(chǎn)生的熱量進(jìn)一步加劇電池溫度升高，導(dǎo)致更多電池單元參與反應(yīng)，形成連鎖反應(yīng)，最終電池系統(tǒng)完全失效。主要誘因包括：內(nèi)部短路、外部短路、嚴(yán)重過(guò)充、電池老化失效（內(nèi)部電阻增大）、外部高溫環(huán)境、撞擊或針刺等物理?yè)p傷。解析思路：考察對(duì)電池安全核心要求的理解，以及對(duì)熱失控過(guò)程和主要誘因的掌握。5.答案：優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)對(duì)比如下：*能量密度：固態(tài)電解質(zhì)通常具有較高的離子電導(dǎo)率和較小的體積，可能實(shí)現(xiàn)比液態(tài)電解質(zhì)更高的能量密度。但現(xiàn)有液態(tài)電解質(zhì)能量密度仍較高，固態(tài)電解質(zhì)在室溫離子電導(dǎo)率等方面仍有提升空間。*安全性：固態(tài)電解質(zhì)通常離子電導(dǎo)率較低（需加熱或摻雜提高），不易燃，不易發(fā)生內(nèi)部短路和熱失控，安全性遠(yuǎn)高于液態(tài)電解質(zhì)。*循環(huán)壽命：固態(tài)電解質(zhì)與活性物質(zhì)界面穩(wěn)定性可能更高，不易形成鋰枝晶和SEI膜副產(chǎn)物，理論上可能具有更長(zhǎng)的循環(huán)壽命。但界面接觸電阻、界面副反應(yīng)等問(wèn)題仍是挑戰(zhàn)。*成本：現(xiàn)有固態(tài)電解質(zhì)材料（如硫化物、氧化物）制備工藝復(fù)雜，成本較高。液態(tài)電解質(zhì)制備工藝成熟，成本相對(duì)較低。*加工性能：固態(tài)電解質(zhì)的機(jī)械強(qiáng)度和柔性可能不如液態(tài)電解質(zhì)，給電池封裝和制造帶來(lái)挑戰(zhàn)。解析思路：考察對(duì)液態(tài)和固態(tài)電解質(zhì)在各項(xiàng)性能（能量密度、安全性、壽命、成本、加工性）上優(yōu)缺點(diǎn)的比較分析。二、論述題6.答案：能量密度和功率密度之間的權(quán)衡主要體現(xiàn)在電池內(nèi)部電阻（主要是歐姆電阻和極化電阻）與充放電電流的關(guān)系上。高能量密度通常意味著使用高電壓正極材料或高容量負(fù)極材料，但可能伴隨較高的極化電阻；高功率密度則要求電池具有低內(nèi)阻，能夠承受大電流充放電，這往往需要優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)（如減小顆粒尺寸、增加孔隙率）以降低歐姆電阻和縮短離子擴(kuò)散路徑，但這可能在一定程度上犧牲部分比表面積相關(guān)的容量或增加體積膨脹應(yīng)力，從而影響能量密度或循環(huán)壽命。權(quán)衡體現(xiàn)在：追求極致能量密度可能犧牲快充能力（低功率）；追求極致功率密度（大倍率）可能導(dǎo)致容量衰減加快、內(nèi)阻增加（能量密度可能下降）。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，需根據(jù)車輛類型（如乘用車強(qiáng)調(diào)快充和長(zhǎng)續(xù)航，商用車可能更看重總能量和載重）和駕駛工況（頻繁加減速對(duì)功率要求高），選擇合適的材料體系、電極結(jié)構(gòu)和電池管理系統(tǒng)，在能量密度、功率密度、成本、安全、壽命之間找到最佳平衡點(diǎn)。解析思路：考察對(duì)能量密度與功率密度相互制約關(guān)系（源于內(nèi)阻）的理解，以及對(duì)根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行權(quán)衡和優(yōu)化的思考能力。7.答案：影響鋰離子電池循環(huán)壽命的主要機(jī)制包括：*活性物質(zhì)損失：充放電過(guò)程中，活性物質(zhì)發(fā)生不可逆的相變、溶解或氧化還原反應(yīng)，導(dǎo)致可逆嵌入/脫出鋰離子量減少。*鋰枝晶生長(zhǎng)：在高倍率或長(zhǎng)期循環(huán)下，鋰離子在負(fù)極表面不均勻沉積形成鋰枝晶，刺穿隔膜導(dǎo)致內(nèi)部短路，或破壞電極結(jié)構(gòu)，加速容量衰減。*電極結(jié)構(gòu)粉化與破碎：充放電過(guò)程中的體積膨脹和收縮導(dǎo)致電極顆粒間結(jié)合力減弱、顆粒粉化甚至脫落，降低電接觸和活性物質(zhì)利用。*SEI膜不穩(wěn)定與生長(zhǎng)：不斷生長(zhǎng)、增厚的SEI膜覆蓋在負(fù)極表面，增加電荷轉(zhuǎn)移電阻，并消耗活性鋰。*正負(fù)極界面副反應(yīng)：電解液與電極材料在界面處發(fā)生副反應(yīng)，形成絕緣層或改變界面性質(zhì)。針對(duì)鋰枝晶生長(zhǎng)的優(yōu)化策略：*材料設(shè)計(jì)：選擇具有良好體積膨脹耐受性、低表面能的負(fù)極材料（如硅基負(fù)極、合金負(fù)極、硅碳負(fù)極，并關(guān)注其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性）；開發(fā)固態(tài)電解質(zhì)替代液態(tài)電解質(zhì)。*結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)，如減小顆粒尺寸、采用多孔導(dǎo)電劑、優(yōu)化粘結(jié)劑體系，提高電極的機(jī)械強(qiáng)度和離子傳輸通道，抑制枝晶生長(zhǎng)。*電化學(xué)設(shè)計(jì)：采用預(yù)鋰化技術(shù)補(bǔ)償循環(huán)損失；控制充電電壓窗口，避免過(guò)度脫鋰；研究能夠抑制枝晶生長(zhǎng)的電解液添加劑。針對(duì)電極結(jié)構(gòu)粉化的優(yōu)化策略：*材料設(shè)計(jì)：選擇韌性好的活性物質(zhì)和導(dǎo)電劑；摻雜或表面改性，提高材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。*結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：采用柔性集流體；優(yōu)化電極配方，提高顆粒間的結(jié)合力；引入應(yīng)力緩沖層。針對(duì)SEI膜的優(yōu)化策略：*電解液設(shè)計(jì)：開發(fā)選擇性好、穩(wěn)定性好、鋰離子電導(dǎo)率高的新型電解液，包括固態(tài)電解質(zhì)、功能性液體電解質(zhì)。*材料設(shè)計(jì)：負(fù)極材料表面進(jìn)行改性，引導(dǎo)形成穩(wěn)定、薄而離子透過(guò)性好的SEI膜。解析思路：考察對(duì)電池循環(huán)壽命主要衰減機(jī)制的歸納，并能針對(duì)某一機(jī)制提出具體的設(shè)計(jì)優(yōu)化方案。8.答案：電池制造工藝對(duì)最終性能影響顯著：*電極制備（涂覆-輥壓）：涂覆過(guò)程直接影響電極的厚度、比表面積、孔隙率、活性物質(zhì)負(fù)載量及其分布均勻性。輥壓過(guò)程則決定電極的壓實(shí)密度、機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。高壓實(shí)密度可以提高能量密度和體積利用率，但也可能增大內(nèi)阻、限制鋰離子擴(kuò)散和電解液浸潤(rùn)；不均勻的壓實(shí)力或?qū)щ娋W(wǎng)絡(luò)會(huì)導(dǎo)致性能不一致和內(nèi)部短路風(fēng)險(xiǎn)。涂覆后的材料顆粒分布、取向等也會(huì)影響后續(xù)的輥壓成型和電化學(xué)性能。*輥壓/疊片/卷繞：影響電池的厚度、結(jié)構(gòu)形態(tài)（軟包、硬殼、疊片）、電極間的電接觸、電解液分布和浸潤(rùn)程度。卷繞工藝對(duì)電池的卷曲半徑、內(nèi)部應(yīng)力有嚴(yán)格要求，直接影響電池的循環(huán)壽命和安全性。疊片結(jié)構(gòu)通常具有較好的平面性和應(yīng)力分布，但工藝相對(duì)復(fù)雜。*化成/分選：化成過(guò)程是電池成型的關(guān)鍵步驟，通過(guò)初始充電激活電極材料，形成穩(wěn)定的SEI膜，并初步建立電化學(xué)電位?；晒に噮?shù)（溫度、電流密度、電壓平臺(tái)）直接影響電極的初始性能、SEI膜的穩(wěn)定性以及電池的初始容量和內(nèi)阻。分選過(guò)程確保電池包內(nèi)單體電池性能（容量、內(nèi)阻等）的一致性，對(duì)于電池包的可靠運(yùn)行至關(guān)重要。工藝控制的關(guān)鍵點(diǎn)包括：精確控制各步驟的溫度、壓力、時(shí)間、電流/電壓等參數(shù)；確保材料混合的均勻性；保證電極成型的平整度和壓實(shí)均勻性；優(yōu)化電解液注入和浸潤(rùn)過(guò)程；嚴(yán)格控制化成過(guò)程和分選精度，保證電池性能和安全性。解析思路：考察對(duì)關(guān)鍵制造工序（特別是電極制備、成型、化成）如何影響電池性能（容量、內(nèi)阻、壽命、一致性、安全性）的理解，以及識(shí)別工藝控制關(guān)鍵點(diǎn)的能力。三、分析計(jì)算題9.答案：(1)電池包總?cè)萘?單體電池容量×單體電池?cái)?shù)量。單體電池電壓范圍是2.5V至4.2V，放電平臺(tái)電壓范圍是2.5V至3.2V。為簡(jiǎn)化計(jì)算，常取平均電壓或有效放電電壓進(jìn)行估算。這里用放電平臺(tái)電壓范圍的中點(diǎn)(2.5+3.2)/2=2.85V作為估算的單體平均放電電壓。則單體電池容量=100kWh/(單體電池?cái)?shù)量)=總電壓范圍/平均放電電壓。更準(zhǔn)確的理解是，總?cè)萘渴窃?.2V下測(cè)得的，若單體在3.2V下放電，則數(shù)量=100kWh/(單體電壓*單體容量)。這里假設(shè)所有單體同步放電到3.2V，則單體容量C=(4.2-2.5)/F=1.7/FF/mol?？?cè)萘?N*C*(4.2-2.5)=N*(1.7/F)*1.7。N=100*F/(1.7*1.7)=100F/2.89≈34.56。取整，假設(shè)包含35個(gè)單體電池。(嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，電壓同步下降的假設(shè)不成立，但題目要求計(jì)算，需基于某種假設(shè))。若按總?cè)萘吭?.2V下計(jì)算，N=100/(3.2*(1.7/F))=100F/5.44≈18.37。取整為19個(gè)。更合理的理解可能是總電壓3.65V下測(cè)得容量100kWh，此時(shí)N=100/(3.65*1.7/F)=100F/6.205≈16.08。取整為16個(gè)。（此處對(duì)題意理解有歧義，按最直接的容量計(jì)算公式，N=100/(單體電壓*單體容量)=100/(3.65*1.7/F)=100F/6.205=16.08，取16）假設(shè)包含16個(gè)單體電池。(2)電池包總放電容量=總電壓范圍/平均放電電壓?？偡烹娙萘?(4.2-2.5)V/1V/C=1.7C(這里假設(shè)單體平均容量為1C，即1.7Ah)。電池包總電荷量Q=16*1.7Ah=27.2Ah。放電時(shí)間t=總電荷量/放電電流=27.2Ah/500A=0.0544小時(shí)=3.264分鐘。(3)充電能量輸入=放電能量輸出/能量效率=100kWh/0.90=111.11kWh。解析思路：(1)計(jì)算單體電池?cái)?shù)量：需要用到電池包總?cè)萘亢蛦误w電池的平均電壓或電壓范圍。這里對(duì)題