電化學(xué)在儲能技術(shù)中的應(yīng)用試題及答案一、單項選擇題（每題2分，共20分）1.鋰離子電池中，常用的負極材料是（）。A.鈷酸鋰（LiCoO?）B.石墨（C）C.磷酸鐵鋰（LiFePO?）D.錳酸鋰（LiMn?O?）2.鉛酸電池放電時，正極反應(yīng)的產(chǎn)物是（）。A.PbO?B.PbSO?C.H?OD.H?SO?3.全釩液流電池的電解質(zhì)中，釩離子的價態(tài)變化主要發(fā)生在（）。A.正極：V3??V??，負極：V2??V3?B.正極：V???V??，負極：V2??V3?C.正極：V3??V??，負極：V2??V??D.正極：V2??V3?，負極：V???V??4.以下電化學(xué)儲能技術(shù)中，能量密度最高的是（）。A.鉛酸電池B.全釩液流電池C.鋰離子電池D.鈉硫電池5.法拉第定律中，電極上析出物質(zhì)的質(zhì)量與（）成正比。A.電流強度B.通電時間C.電流與時間的乘積D.電極面積6.鋰離子電池的“SEI膜”主要形成于（）。A.首次充電過程中負極表面B.首次放電過程中正極表面C.循環(huán)后期電解液分解D.過充時正極材料相變7.鈉硫電池的工作溫度通常為（）。A.室溫（25℃）B.100200℃C.300350℃D.500℃以上8.超級電容器的儲能機制主要是（）。A.法拉第贗電容B.雙電層電容C.離子嵌入/脫嵌D.金屬氧化還原反應(yīng)9.以下哪項不是液流電池的優(yōu)點？（）A.功率與容量獨立設(shè)計B.循環(huán)壽命長C.能量密度高D.電解液可循環(huán)利用10.鋰離子電池的“倍率性能”主要取決于（）。A.正極材料的離子擴散速率B.電解液的電導(dǎo)率C.負極材料的電子導(dǎo)電性D.以上均是二、多項選擇題（每題3分，共15分。每題至少有2個正確選項，錯選、漏選均不得分）1.以下屬于二次電池（可充電電池）的有（）。A.鋅錳干電池B.鋰離子電池C.鉛酸電池D.鈉硫電池2.影響鋰離子電池循環(huán)壽命的因素包括（）。A.電極材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性B.電解液的分解速率C.充放電倍率D.環(huán)境溫度3.全釩液流電池的關(guān)鍵組件包括（）。A.離子交換膜B.正/負極電解液儲罐C.雙極板D.隔膜4.鈉硫電池的特點包括（）。A.高能量密度（約300Wh/kg）B.需高溫運行C.適合大規(guī)模電網(wǎng)儲能D.負極活性物質(zhì)為液態(tài)鈉5.超級電容器與鋰離子電池的主要區(qū)別在于（）。A.儲能機制（雙電層/法拉第反應(yīng)vs離子嵌入）B.能量密度（超級電容器更高）C.功率密度（超級電容器更高）D.循環(huán)壽命（超級電容器更長）三、填空題（每空1分，共20分）1.鋰離子電池的基本結(jié)構(gòu)包括正極、負極、（）、電解液和集流體。2.鉛酸電池的標(biāo)稱電壓為（）V，其電解液為（）溶液。3.全釩液流電池中，正極電解液的主要成分是（），負極電解液的主要成分是（）。4.法拉第定律的數(shù)學(xué)表達式為（），其中F為法拉第常數(shù)，約（）C/mol。5.鋰離子電池的比容量（mAh/g）計算公式為（），其中n為每摩爾材料轉(zhuǎn)移的電子數(shù)，M為材料摩爾質(zhì)量。6.鈉硫電池的正極活性物質(zhì)是（），負極活性物質(zhì)是（），電解質(zhì)為（）。7.超級電容器可分為（）和（）兩類，前者基于雙電層效應(yīng)，后者基于表面氧化還原反應(yīng)。8.電化學(xué)儲能系統(tǒng)的關(guān)鍵性能指標(biāo)包括（）、（）、循環(huán)壽命、倍率性能和效率。9.鋰離子電池的“熱失控”是指（），可能導(dǎo)致電池起火或爆炸。四、簡答題（每題6分，共30分）1.簡述鋰離子電池的工作原理（充放電過程中離子和電子的遷移方向）。2.比較鉛酸電池與全釩液流電池的優(yōu)缺點（從能量密度、循環(huán)壽命、成本、應(yīng)用場景等方面）。3.解釋“SEI膜”對鋰離子電池性能的影響（形成機制、作用及可能的負面效應(yīng)）。4.說明全釩液流電池中離子交換膜的作用，并列舉其關(guān)鍵性能要求。5.分析鈉硫電池需在高溫下運行的原因（從電解質(zhì)特性、電極材料活性等角度）。五、計算題（共15分）1.（5分）某鈷酸鋰（LiCoO?）正極材料的理論比容量為274mAh/g（已知Co的摩爾質(zhì)量為58.93g/mol，Li的摩爾質(zhì)量為6.94g/mol，O的摩爾質(zhì)量為16g/mol）。假設(shè)每摩爾LiCoO?釋放0.5molLi?參與反應(yīng)，計算其實際比容量（保留兩位小數(shù)）。2.（5分）某鋰離子電池單體的標(biāo)稱容量為3.2Ah，標(biāo)稱電壓為3.7V，質(zhì)量為45g。計算其能量密度（Wh/kg）和比能量（Wh/kg）（注：能量密度與比能量在此題中為同一概念）。3.（5分）采用法拉第定律計算：以10A電流對鉛酸電池充電2小時，理論上正極可生成多少克PbO?（Pb的摩爾質(zhì)量為207.2g/mol，O的摩爾質(zhì)量為16g/mol，法拉第常數(shù)F=96485C/mol）。六、綜合分析題（共20分）1.（10分）某新能源汽車公司計劃開發(fā)一款續(xù)航里程500km的純電動汽車，需選擇動力電池技術(shù)。請從能量密度、循環(huán)壽命、成本、安全性等角度分析，為何鋰離子電池（如三元材料體系）是當(dāng)前主流選擇，而全釩液流電池或鉛酸電池不適用。2.（10分）某電網(wǎng)公司需建設(shè)一套100MW/400MWh的大規(guī)模儲能系統(tǒng)，用于調(diào)峰和可再生能源消納。結(jié)合電化學(xué)儲能技術(shù)特點，分析全釩液流電池與鈉硫電池的適用性（需對比功率與容量擴展性、循環(huán)壽命、環(huán)境適應(yīng)性等）。參考答案與解析一、單項選擇題1.B（鋰離子電池負極常用石墨，正極常用LiCoO?、LiFePO?等）2.B（鉛酸電池放電時，正負極均生成PbSO?：PbO?+Pb+2H?SO?→2PbSO?+2H?O）3.B（全釩液流電池正極反應(yīng)：VO2?+H?O?VO??+2H?+e?，對應(yīng)V???V??；負極反應(yīng)：V3?+e??V2?）4.C（鋰離子電池能量密度約150300Wh/kg，鈉硫電池約200300Wh/kg，鉛酸約3050Wh/kg，液流電池約2050Wh/kg）5.C（法拉第定律：m=(I·t·M)/(n·F)，即與電流×?xí)r間成正比）6.A（SEI膜在首次充電時，負極表面電解液還原分解形成，保護負極）7.C（鈉硫電池需300350℃使Na和S呈液態(tài)，βAl?O?電解質(zhì)導(dǎo)電）8.B（超級電容器主要依靠電極/電解液界面的雙電層儲能，贗電容為輔助）9.C（液流電池能量密度低，優(yōu)勢是功率與容量獨立、壽命長）10.D（倍率性能受正極離子擴散、電解液電導(dǎo)率、負極電子導(dǎo)電共同影響）二、多項選擇題1.BCD（鋅錳干電池為一次電池）2.ABCD（材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差會導(dǎo)致容量衰減；電解液分解消耗活性物質(zhì)；高倍率和高溫會加速副反應(yīng)）3.ABC（液流電池關(guān)鍵組件：離子交換膜、電解液儲罐、雙極板；隔膜一般用于固態(tài)電池）4.ABD（鈉硫電池能量密度約200300Wh/kg，需高溫運行，負極是液態(tài)Na，正極是液態(tài)S，適合電網(wǎng)儲能但成本高）5.ACD（超級電容器能量密度低于鋰電池，但功率密度和循環(huán)壽命更高）三、填空題1.隔膜2.2；硫酸（H?SO?）3.V??/V??溶液；V2?/V3?溶液4.m=(I·t·M)/(n·F)；964855.(n×26800)/M（26800mAh/mol=(1mol×96485C/mol)/(3.6C/mAh)）6.硫（S）；鈉（Na）；β氧化鋁陶瓷（βAl?O?）7.雙電層電容器；贗電容器8.能量密度；功率密度（或比容量、比能量等）9.電池內(nèi)部熱量積累導(dǎo)致溫度失控上升，引發(fā)材料分解和連鎖放熱反應(yīng)四、簡答題1.鋰離子電池工作原理：充電時，Li?從正極（如LiCoO?）脫嵌，經(jīng)電解液遷移到負極（石墨）嵌入，電子從正極經(jīng)外電路流向負極；放電時，Li?從負極脫嵌，經(jīng)電解液回到正極嵌入，電子從負極經(jīng)外電路流向正極做功。整個過程Li?在正負極間“搖椅式”移動，電子通過外電路形成電流。2.鉛酸電池與全釩液流電池對比：能量密度：鉛酸約3050Wh/kg，液流約2050Wh/kg（鉛酸略高）；循環(huán)壽命：鉛酸約300500次，液流可達10000次以上（液流優(yōu)勢顯著）；成本：鉛酸成本低（約0.51元/Wh），液流因釩資源和膜材料成本高（約12元/Wh）；應(yīng)用場景：鉛酸用于汽車啟動、低速電動車；液流用于大規(guī)模電網(wǎng)儲能（功率與容量獨立設(shè)計）。3.SEI膜的影響：形成機制：首次充電時，負極表面電解液（如碳酸酯）在低電位下還原分解，生成含Li?CO?、LiF等的固體電解質(zhì)界面膜（SEI）；作用：隔絕負極與電解液，防止持續(xù)還原反應(yīng)，提高循環(huán)穩(wěn)定性；允許Li?通過，阻礙電子傳遞；負面效應(yīng)：SEI膜增厚會增加內(nèi)阻，消耗Li?和電解液，導(dǎo)致容量衰減；過厚的膜可能脫落，引發(fā)短路。4.離子交換膜的作用與要求：作用：分隔正負極電解液，防止釩離子交叉污染；允許H?或SO?2?通過，維持電荷平衡；關(guān)鍵要求：高離子選擇性（阻擋釩離子滲透）、高電導(dǎo)率、化學(xué)穩(wěn)定性（耐強酸和釩離子氧化）、機械強度高（抗溶脹）。5.鈉硫電池高溫運行原因：電解質(zhì)特性：βAl?O?陶瓷電解質(zhì)需高溫（>300℃）才能有效傳導(dǎo)Na?（室溫下電導(dǎo)率極低）；電極活性：鈉（熔點98℃）和硫（熔點115℃）需熔融呈液態(tài)，降低電極反應(yīng)的界面阻抗；反應(yīng)動力學(xué)：高溫加速Na?在電解質(zhì)中的遷移和電極表面的電化學(xué)反應(yīng)，提高功率密度。五、計算題1.LiCoO?實際比容量計算：理論比容量對應(yīng)每摩爾LiCoO?釋放1molLi?（274mAh/g）。實際釋放0.5molLi?，則實際比容量=274mAh/g×0.5=137.00mAh/g。2.能量密度計算：能量=容量×電壓=3.2Ah×3.7V=11.84Wh；能量密度=11.84Wh/0.045kg≈263.11Wh/kg。3.PbO?生成質(zhì)量計算：鉛酸電池充電時，正極反應(yīng)：PbSO?+2H?O→PbO?+4H?+SO?2?+2e?（n=2）；電荷量Q=I·t=10A×2×3600s=72000C；物質(zhì)的量n(PbO?)=Q/(n·F)=72000C/(2×96485C/mol)≈0.373mol；PbO?摩爾質(zhì)量=207.2+2×16=239.2g/mol；質(zhì)量m=0.373mol×239.2g/mol≈89.2g。六、綜合分析題1.電動汽車動力電池選擇分析：能量密度：鋰離子電池（三元材料約200300Wh/kg）遠高于鉛酸（3050Wh/kg）和液流電池（2050Wh/kg），能滿足500km續(xù)航需求；循環(huán)壽命：鋰離子電池（約10003000次）優(yōu)于鉛酸（300500次），液流電池雖壽命長但能量密度低，無法滿足車載空間限制；成本：鋰離子電池成本（約0.81.5元/Wh）低于液流電池（12元/Wh），且規(guī)?；a(chǎn)后成本持續(xù)下降；安全性：三元材料需通過BMS（電池管理系統(tǒng)）控制熱失控，但鉛酸電池低溫性能差、液流電池系統(tǒng)復(fù)雜（需泵和儲罐），均不適合車載。2.電網(wǎng)大規(guī)模儲能系統(tǒng)技術(shù)選擇：功率