2025年大學(xué)《能源化學(xué)》專業(yè)題庫——能源轉(zhuǎn)化與能源儲存的化學(xué)原理考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。下列每小題給出的四個(gè)選項(xiàng)中，只有一項(xiàng)是符合題目要求的。請將正確選項(xiàng)的字母填寫在答題紙上對應(yīng)題號處。）1.對于一個(gè)可逆電池，當(dāng)電池反應(yīng)處于平衡狀態(tài)時(shí)，其電動勢E等于：A.零B.正無窮大C.負(fù)無窮大D.任意非零值2.在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，電池Zn|Zn2?||Cu2?|Cu的電動勢E?(Cu2?/Cu=0.34V,Zn2?/Zn=-0.76V)為：A.1.10VB.0.34VC.-0.76VD.1.50V3.提高可逆電池通過其電池反應(yīng)所能做的電功，通常可以通過以下哪種方法實(shí)現(xiàn)？A.降低電池反應(yīng)的吉布斯自由能變ΔGB.降低電池的溫度TC.增加電池反應(yīng)的熵變ΔSD.降低電池的內(nèi)阻4.對于一個(gè)電化學(xué)半電池，其電極電勢的大小主要取決于：A.電池的體積B.電極材料的物理狀態(tài)（固、液、氣）C.電極材料的種類以及溶液中相關(guān)離子的活度（或濃度）D.外加電壓的大小5.在原電池中，電子流動的方向是：A.從正極到負(fù)極B.從負(fù)極到正極C.從內(nèi)電路到外電路D.由電池的電動勢決定6.能夠發(fā)生自發(fā)氧化還原反應(yīng)，并構(gòu)成原電池的條件是：A.反應(yīng)的焓變ΔH<0B.反應(yīng)的吉布斯自由能變ΔG>0C.存在導(dǎo)電機(jī)電偶，且兩電極電勢差不為零D.體系熵變ΔS<07.對于一個(gè)能斯特方程nFE?=E-E?=RTln(Q)，當(dāng)反應(yīng)商Q=1時(shí)，電池的電動勢E與標(biāo)準(zhǔn)電動勢E?的關(guān)系是：A.E=E?B.E>E?C.E<E?D.E=08.燃料電池與普通電池的主要區(qū)別之一是：A.需要外部電源驅(qū)動B.產(chǎn)物通常是污染較重的物質(zhì)C.電極反應(yīng)物由外部連續(xù)供應(yīng)，而非儲存在電池內(nèi)部D.電動勢通常較低9.鋰離子電池在充放電過程中，鋰離子(Li?)在電極材料和電解質(zhì)之間遷移的主要載體通常是：A.電子B.陽離子C.陰離子D.鋰原子10.下列哪種儲能方式主要利用相變過程來存儲能量？A.電化學(xué)儲能（如電池）B.機(jī)械儲能（如飛輪、重力壩）C.熱化學(xué)儲能（如儲熱材料）D.相變儲能（如相變材料儲能）二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填寫在答題紙上對應(yīng)題號處。）1.電化學(xué)電池中，發(fā)生氧化反應(yīng)的電極稱為________極，發(fā)生還原反應(yīng)的電極稱為________極。2.標(biāo)準(zhǔn)氫電極(SHE)的電極電勢被定義為________。3.根據(jù)能斯特方程，當(dāng)電池反應(yīng)的系數(shù)n增大時(shí)，溫度T對電池電動勢E的影響變________(填“大”或“小”)。4.燃料電池中，將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的場所是________。5.影響電化學(xué)反應(yīng)速率的主要因素包括反應(yīng)物濃度、溫度、電極材料性質(zhì)以及________等。6.在一個(gè)理想的可逆電池中，通過電池的電流趨近于零時(shí)，電池兩極間的電勢差稱為________。7.氫燃料電池的產(chǎn)物通常是________和水，屬于環(huán)境友好型能源裝置。8.鋰離子電池中，正極材料通常具有能夠嵌入或脫出鋰離子的層狀結(jié)構(gòu)或尖晶石結(jié)構(gòu)，例如________(寫一種常見正極材料名稱)。9.能量轉(zhuǎn)換效率是評價(jià)能源轉(zhuǎn)換或儲存裝置性能的重要指標(biāo)，定義為________與________之比。10.除了鋰電池，目前商業(yè)上應(yīng)用較多的可充電電池還有________、________等(寫兩種)。三、簡答題（每小題5分，共20分。請將答案填寫在答題紙上對應(yīng)題號處。）1.簡述電化學(xué)極化現(xiàn)象及其對可逆電池工作的影響。2.與熱電轉(zhuǎn)換相比，電化學(xué)儲能（如電池）在能量轉(zhuǎn)換效率方面有哪些優(yōu)勢和劣勢？3.解釋什么是過電位，并簡述其在電池工作過程中的意義。4.比較氫能和化石燃料作為能源的優(yōu)缺點(diǎn)。四、計(jì)算題（每小題10分，共30分。請寫出必要的計(jì)算步驟，并將答案填寫在答題紙上對應(yīng)題號處。）1.已知某電池在25°C時(shí)，其標(biāo)準(zhǔn)電動勢E?=1.10V，電池反應(yīng)為Zn+Cu2?=Zn2?+Cu。當(dāng)Cu2?的濃度為0.01mol/L，Zn2?的濃度為1mol/L時(shí)，計(jì)算該電池的電動勢E。(已知：R=8.314J/(mol·K)，F(xiàn)=96485C/mol，T=298K)2.一個(gè)鉛酸蓄電池的放電反應(yīng)可簡化表示為：Pb(s)+PbO?(s)+2H?SO?(aq)=2PbSO?(s)+2H?O(l)。已知該反應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下釋放96.48kJ的熱量。如果該電池的總?cè)萘繛?Ah(安時(shí))，計(jì)算該電池在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下放電時(shí)能做的最大電功是多少焦耳？3.考慮一個(gè)簡單的電化學(xué)半電池：Pt,H?(g,1atm)|H?(a=0.1)。在25°C下，已知標(biāo)準(zhǔn)氫電極電勢E?(H?/H?)=0V。若該半電池中H?的活度a(H?)由于某種反應(yīng)消耗變?yōu)?.01，計(jì)算此時(shí)該半電池的電極電勢E。(假設(shè)氫氣壓力保持為1atm)五、論述題（10分。請將答案填寫在答題紙上對應(yīng)題號處。）結(jié)合你所學(xué)知識，論述提高鋰離子電池能量密度（單位質(zhì)量或單位體積儲存的能量）的幾種可能途徑，并簡述其原理和面臨的挑戰(zhàn)。試卷答案一、選擇題1.A2.D3.A4.C5.B6.C7.A8.C9.B10.D二、填空題1.負(fù)；正2.零3.大4.電極反應(yīng)區(qū)域（或電極本身）5.電極表面積和接觸狀態(tài)（或催化劑）6.電動勢7.氫氣8.磷酸鐵鋰(LiFePO?)(或其他合理答案，如鈷酸鋰LiCoO?、三元材料LiNiMnCoO?)9.輸出的電能；輸入或儲存的總能量10.鉛酸電池；鎳鎘電池(Ni-Cd)(或其他合理答案，如鎳氫電池Ni-MH)三、簡答題1.電化學(xué)極化是指可逆電池在實(shí)際工作（有電流通過）時(shí)，其電極電勢與平衡電勢之間存在差異的現(xiàn)象。正向極化（過電勢）使正極電勢比平衡電勢更正，反向極化（過電勢）使負(fù)極電勢比平衡電勢更負(fù)。極化會導(dǎo)致電池效率降低，并產(chǎn)生額外熱量。2.優(yōu)勢：電化學(xué)儲能能量轉(zhuǎn)換效率高（可達(dá)90%以上），響應(yīng)速度快，功率密度高，可多次充放電循環(huán)壽命長。劣勢：部分電池（如鋰離子電池）成本較高，存在安全和環(huán)境影響（如重金屬、電解液泄漏），能量密度受限于材料科學(xué)限制，部分技術(shù)（如燃料電池）系統(tǒng)復(fù)雜度較高。3.過電位是指在可逆電極上，實(shí)際發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)電勢與平衡電勢之間的差值。其產(chǎn)生主要源于電極反應(yīng)動力學(xué)阻力（活化過電位）和濃差極化（濃差過電位）。過電位的存在使得電池在實(shí)際工作時(shí)需要更高的外加電壓才能達(dá)到同樣的電流，從而降低了電池的效率。4.氫能優(yōu)點(diǎn)：來源廣泛（可用水、化石燃料制取），能量密度高，燃燒產(chǎn)物為水，環(huán)境友好。缺點(diǎn)：制氫過程若依賴化石燃料則產(chǎn)生碳排放，氫氣存儲和運(yùn)輸成本高、安全性要求高，目前大規(guī)模制氫和儲運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施不完善?；剂蟽?yōu)點(diǎn)：技術(shù)成熟，開采和利用成本相對較低，能量密度高，現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施完善。缺點(diǎn)：燃燒產(chǎn)生大量溫室氣體和污染物（CO?、SO?、NOx等），不可再生，資源有限。四、計(jì)算題1.解：根據(jù)能斯特方程：E=E?-(RT/F)*ln(Q)其中Q=[產(chǎn)物]/[反應(yīng)物]=(a[Zn2?])/(a[Cu2?])在25°C(T=298K)時(shí)，RT/F=0.0257VE=1.10V-0.0257V*ln[(1mol/L)/(0.01mol/L)]E=1.10V-0.0257V*ln(100)E=1.10V-0.0257V*4.605E=1.10V-0.118VE≈0.982V答：該電池的電動勢E約為0.982V。2.解：最大電功W=-ΔG=ΔH(因?yàn)槭呛銐哼^程且放熱反應(yīng))W=96.48kJ=96480J電池容量Q=2Ah=2A*3600s=7200C電功W=nFE=Q*(F/n)=Q*E(當(dāng)E為電動勢時(shí))因此，W=Q*(ΔG/Qt)=Q*ΔV(這里ΔV是電動勢，但更準(zhǔn)確是W=Q*E，Q是總電荷量)實(shí)際上，W=nFE=Q*E，若Q是總電荷量，E是電動勢。但這里W=ΔH=96480J，是總能量。如果理解為W=Q*E，其中Q=7200C,E=電動勢。但題目給出的是ΔH。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下做的最大電功應(yīng)為W=nFE=Q*E=96480J(基于ΔH的絕對值)。所以直接用ΔH作為最大電功。答：該電池在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下放電時(shí)能做的最大電功是96480焦耳。3.解：根據(jù)能斯特方程：E=E?-(RT/F)*ln(a(H?))在25°C(T=298K)時(shí)，RT/F=0.0257VE=0V-0.0257V*ln(0.01)E=-0.0257V*ln(10?2)E=-0.0257V*(-2.303*2)E=0.0257V*2.303E≈0.059V答：此時(shí)該半電池的電極電勢E約為0.059V。五、論述題鋰離子電池能量密度提升途徑：1.提高正負(fù)極材料的能量密度：通過材料創(chuàng)新，選用具有更高理論容量（單位質(zhì)量或單位體積能儲存的鋰量）的正極材料（如高鎳正極、磷酸錳鐵鋰等）和負(fù)極材料（如硅基負(fù)極材料）。原理：增加單位質(zhì)量或體積內(nèi)可參與充放電的鋰原子數(shù)量。挑戰(zhàn)：材料成本、安全性、循環(huán)壽命、倍率性能等問題。2.降低電池內(nèi)阻：選用導(dǎo)電性更好的電極材料、電解液和隔膜，優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)（如減小顆粒尺寸、增加電極比表面積、優(yōu)化孔隙率）。原理：降低歐姆電阻和極化電阻，使得在相同電壓下，電池能儲存更多能量（W=QV，Q=It，I減小意味著V可降，或在相同V下效率更高）。挑戰(zhàn)：可能影響循環(huán)壽命，工藝復(fù)雜度增加。3.提高電壓平臺：開發(fā)工作電壓更高的新型正極材料體系，突破傳統(tǒng)鋰離子電池4V左右的電壓上限。原理：在相同容量下，電池電壓越高，儲存的總能量（W=QV）越大。挑戰(zhàn)