2025年大学《能源化学》专业题库- 锂硫电池循环寿命的研究

2025年大学《能源化学》专业题库——锂硫电池循环寿命的研究考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分。请将正确选项的字母填在括号内）1.锂硫电池中，硫正极材料在循环过程中主要存在的形态是？A.Li₂SB.Li₂S₂和Li₂SC.S₈D.Li₂O₂2.导致锂硫电池循环寿命衰减的“穿梭效应”主要是指？A.锂离子在正负极之间迁移受阻B.多硫化物在电解液中溶解并穿梭到负极表面沉积C.负极锂金属枝晶生长刺穿隔膜D.正极材料体积膨胀导致结构破坏3.下列哪种电解液添加剂被认为主要通过在正极表面形成钝化层来抑制穿梭效应？A.酚类化合物B.硝酸盐（如LiNO₃）C.腈类溶剂（如DMC,EMC）D.含氮杂环化合物4.锂硫电池在循环过程中，正极体积变化较大，这主要是由哪种现象引起的？A.锂金属在负极的沉积与溶解B.硫从S₈聚集体分解为小分子多硫化物C.硫和多硫化物的嵌入/脱嵌过程D.正极材料与电解液发生化学反应生成固态副产物5.使用锂金属负极的锂硫电池，其循环寿命通常比使用石墨负极的锂离子电池更短，关键原因之一是？A.锂金属的比容量较低B.锂金属容易形成锂枝晶，导致电池内部短路C.锂金属的资源储量有限D.锂金属的电位较低，容易发生副反应6.在锂硫电池的循环伏安曲线中，通常观察到两个主要的还原峰，它们分别对应于？A.锂离子嵌入和锂离子脱出B.S₈的还原和Li₂S的生成C.多硫化物的氧化和还原D.电解液分解和锂金属沉积7.为了提高锂硫电池的循环寿命，研究人员开发了多种硫载体制备方法，其核心目标通常是？A.提高硫的利用率B.增加硫的比表面积C.限制硫颗粒的尺寸并提高其与导电剂的接触D.降低硫的CAS（截止电压）8.电化学阻抗谱（EIS）技术可以用来研究锂硫电池的哪些特性？A.循环寿命B.倍率性能C.内阻变化和电荷转移电阻D.热稳定性9.固态锂硫电池相比于液态锂硫电池，其主要优势可能在于？A.具有更高的理论比容量B.可以使用更厚的正极，提高能量密度C.完全消除了穿梭效应和锂枝晶风险D.电解质离子电导率更高10.下列哪种材料或结构被认为可以有效抑制锂硫电池中的锂枝晶生长？A.导电网络良好的正极材料B.具有多孔结构的锂金属负极C.含有功能分子的固态电解质D.聚合物改性的多孔隔膜二、简答题（每小题5分，共25分）1.简述锂硫电池循环寿命衰减的“体积膨胀”机制及其对电池性能的影响。2.解释什么是“多硫化物穿梭效应”，并简述其如何导致锂硫电池的容量衰减和库仑效率下降。3.比较锂硫电池使用液态电解液和固态电解质时，在抑制多硫化物穿梭方面各自面临的主要挑战。4.简述至少三种常用的提高锂硫电池循环寿命的方法及其基本原理。5.为什么说锂金属负极在锂硫电池中的应用是一个重要的挑战？请列举至少两点。三、论述题（每小题10分，共30分）1.详细论述锂硫电池中硫酸化反应的发生机制，并分析其对正极材料结构、电化学性能以及循环寿命的具体影响。2.假设你是一名科研人员，正在研究如何通过材料设计来提升锂硫电池的循环寿命。请针对正极材料、负极材料和电解液添加剂三个方面，分别提出你的设计思路和理论依据。3.结合当前锂硫电池研究的热点，论述实现高能量密度和高循环寿命之间的矛盾，并探讨可能的解决方案或平衡策略。---试卷答案一、选择题1.B*解析：锂硫电池放电时，S₈分子失去电子形成可溶性的Li₂S₄和Li₂S，Li₂S₄进一步转化为Li₂S。在充电过程中，Li₂S失电子重新形成Li₂S₂和S₈。因此，在循环过程中，电池内部主要存在Li₂S₂和Li₂S这两种多硫化物形态。2.B*解析：穿梭效应是指溶解在电解液中的多硫化物阴离子（如Li₂Sₓ）迁移穿过隔膜，到达负极（锂金属）表面，并在负极表面沉积或参与副反应，导致电池性能下降和寿命缩短。3.A*解析：酚类化合物（如对苯二酚）等添加剂可以在正极表面与多硫化物或电解液反应，生成一层稳定的钝化膜，阻止多硫化物进一步溶解和穿梭到负极。4.C*解析：锂硫电池循环时，硫正极材料经历S₈→Li₂Sₓ→S₈的转化过程，以及锂离子嵌入/脱嵌，导致正极材料结构发生显著变化，产生较大的体积膨胀。5.B*解析：锂金属在嵌锂过程中容易形成不均匀的锂枝晶，这些枝晶可能刺穿隔膜，导致正负极短路，从而严重缩短电池的循环寿命。6.C*解析：锂硫电池的CV曲线通常显示两个主要的还原峰，分别对应于S₈的还原过程（形成Li₂Sₓ）和Li₂Sₓ的进一步还原过程（形成Li₂S）。7.C*解析：限制硫颗粒尺寸可以减小颗粒内部应力，提高其结构稳定性；增大比表面积有利于硫与导电剂的接触，提高电子和离子传输效率，从而改善循环寿命。8.C*解析：EIS技术可以通过分析阻抗谱图中的特征半圆和斜线，来研究电池的欧姆电阻、电荷转移电阻、SEI膜阻抗等，这些都与电池的循环稳定性密切相关。9.C*解析：固态电解质与锂金属直接接触，理论上可以完全阻止液态电解液中的多硫化物溶解和穿梭，从而消除这一主要的衰减机制，并规避锂枝晶生长风险。10.D*解析：含有功能分子的固态电解质或经过特殊设计的多孔隔膜，可以在锂金属表面形成一层稳定的钝化层或提供缓冲空间，抑制锂枝晶的生长。二、简答题1.答：体积膨胀机制是指锂硫电池正极材料在充放电过程中，由于锂离子的嵌入和脱嵌，以及硫单质、多硫化物之间的转化，导致其体积发生显著变化。这种不可逆的体积变化会引发正极材料颗粒破裂、粉化，破坏电极结构的完整性，降低电子和离子传输路径的连续性，增加电接触电阻，最终导致电池容量快速衰减和循环性能恶化。2.答：多硫化物穿梭效应是指溶解在电解液中的锂多硫化物（如Li₂Sₓ）在电场作用下，穿过隔膜，从正极迁移到负极。在负极表面，这些多硫化物可能直接沉积在锂金属表面，覆盖活性物质，阻碍锂离子进一步嵌入；或者参与副反应（如与电解液反应生成Li₂S），消耗活性锂，降低库仑效率；还可能引发锂枝晶生长。这些因素共同导致了电池容量衰减、库仑效率降低和循环寿命缩短。3.答：液态锂硫电池面临的挑战：多硫化物容易溶解在有机溶剂中，并穿梭到锂金属负极表面，引发副反应、降低库仑效率和形成SEI膜，且难以阻止。锂金属负极表面容易形成不稳定的SEI膜，且易产生锂枝晶，导致短路。固态锂硫电池面临的挑战：固态电解质的离子电导率通常远低于液态电解质，导致倍率性能差；固态电解质与锂金属之间的界面接触电阻较大，且界面稳定性问题（如锂金属腐蚀、界面反应生成绝缘层）需要解决；如何有效固定正极材料、防止多硫化物迁移仍是关键难题。4.答：（1）开发高结构稳定性的硫正极材料：如硫纳米颗粒、硫纳米纤维、硫/碳复合物、多孔碳载体负载硫等，以缓解体积膨胀问题。（2）有效的多硫化物捕获体系：在电解液中添加锂盐（如LiNO₃）、锂有机盐（如LiTFSI）、功能分子或设计特殊结构的隔膜来吸附或束缚多硫化物。（3）锂金属负极改性：使用锂金属表面处理剂（形成SEI膜）、合金化、或设计三维多孔锂金属负极来抑制枝晶生长和提高稳定性。5.答：（1）锂金属枝晶生长：锂金属在嵌锂过程中容易形成不均匀的锂枝晶，这些枝晶可能刺穿隔膜，导致正负极短路，引发热失控，严重限制电池的安全性和循环寿命。（2）与电解液的副反应：锂金属表面形成的固态电解质界面膜（SEI）在锂硫电池的复杂化学环境（多硫化物存在）下不稳定，容易被多硫化物穿透或自身分解，需要更稳定、更致密的SEI膜来保护锂金属。三、论述题1.答：锂硫电池中的硫酸化反应主要是指在充电过程中，溶解在电解液中的多硫化物（特别是Li₂Sₓ）与电解液中的锂盐阳离子（主要是Li⁺）或溶剂分子发生反应，生成Li₂SO₄等硫酸盐类副产物。其主要发生机制包括：多硫化物在正极表面失去电子后，与溶解的Li⁺结合；或者多硫化物溶解在电解液中，与电解液分解产生的H⁺或OH⁻反应生成Li₂S，再与Li⁺反应生成Li₂SO₄；或者多硫化物直接与电解液溶剂（如EC）氧化产生的硫酸根离子反应。硫酸化反应对电池性能的影响是多方面的：首先，生成的硫酸盐是绝缘物质，覆盖在正极活性物质表面，阻碍了后续的硫转化反应和锂离子传输，导致容量衰减；其次，硫酸盐的形成过程会消耗部分活性锂离子，降低电池的库仑效率；此外，硫酸盐的积累也可能导致正极材料结构破坏和粉化；最后，硫酸化反应本身以及生成的硫酸盐可能参与副反应，进一步恶化电池性能。因此，抑制硫酸化反应是提升锂硫电池循环寿命的重要途径之一。2.答：针对正极材料：开发具有高本征电化学稳定性的硫正极材料，如硫同素异形体（如Li₇S₈）、掺杂硫、硫化物正极材料等；设计具有高比表面积和有序多孔结构的载体材料（如碳材料、金属有机框架MOFs），以提供充足的缓冲空间和传输通道，容纳硫的体积变化，并促进电子/离子传输；构建核壳结构或复合材料，将硫核与高导电性的壳层（如碳）结合，提高电子导电性和结构稳定性。针对负极材料：采用三维（3D）多孔锂金属负极结构（如金属骨架、多孔陶瓷），提供缓冲空间，缓解锂枝晶生长，并降低锂离子在金属锂中的扩散阻抗；研究锂金属表面改性技术，通过电化学或化学方法在锂金属表面形成均匀、稳定、离子导电的SEI膜，抑制枝晶生长和副反应；探索锂合金化负极材料，如Li-Sn合金、Li-Zn合金等，以提高锂资源利用率和安全性。针对电解液添加剂：筛选能够有效捕获溶解多硫化物的添加剂，如具有路易斯酸碱性质的分子、能够与多硫化物形成络合物或沉淀的物质；开发能够抑制或修复SEI膜的添加剂，维持锂金属表面的稳定；研究能够降低界面阻抗、促进锂离子传输的电解液添加剂或电解液体系（如固态电解液掺杂剂）。3.答：锂硫电池实现高能量密度（源于硫的高理论容量）和高循环寿命（源于锂金属负极的低负极电位和资源）之间存在固有的矛盾。高能量密度通常要求使用更大比例的硫正极，这会加剧硫的体积膨胀问题；同时，为了提高倍率性能和循环寿命，需要限制多硫化物的溶解和穿梭，但这可能会牺牲一部分理论容量。矛盾的核心在于：高能量密度依赖于尽可能多的硫参与反应，而长寿命则要求硫尽可能稳定地存在并可逆地循环，同时锂金属负极需要高度稳定。解决或平衡这一矛盾的可能策略包括：（1）开发先进的材料设计，如超稳定硫正极/载体复合材料、能够协同抑制体积膨胀和穿梭效应的多功能材料；（