2025年锰电极制备工艺与技术考核试卷及答案

2025年锰电极制备工艺与技术考核试卷及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.锰电极在锂离子电池中作为正极材料时，其核心储能机制是（）。A.双电层电容B.锂离子嵌入/脱出C.金属溶解沉积D.质子交换2.原料预处理中，对碳酸锰进行球磨处理的主要目的是（）。A.提高表面活性B.去除有机杂质C.调整pH值D.增加晶体缺陷3.高温固相法制备LiMn₂O₄时，煅烧温度通常控制在（）。A.300-400℃B.500-600℃C.700-850℃D.900-1000℃4.水热法制备纳米级MnO₂时，若需调控形貌为纳米线，关键工艺参数是（）。A.反应时间B.矿化剂浓度C.搅拌速度D.冷却速率5.X射线衍射（XRD）测试锰电极材料时，主要用于分析（）。A.表面元素价态B.晶体结构完整性C.比表面积D.颗粒分散性6.为抑制锰酸锂在高温循环中的Jahn-Teller效应，常用的掺杂元素是（）。A.Na⁺B.Mg²⁺C.Fe³⁺D.Zn⁴⁺7.电极片制备时，若采用水系粘结剂（如CMC），需严格控制的工艺参数是（）。A.真空干燥温度B.浆料搅拌时间C.涂覆厚度D.辊压压力8.超级电容器用MnO₂电极的比电容主要取决于（）。A.晶体结构的开放性B.材料密度C.颗粒尺寸均匀性D.煅烧气氛9.锰电极循环后容量衰减的主要原因不包括（）。A.电解液分解B.Mn²⁺溶解C.集流体腐蚀D.活性物质脱落10.微波辅助合成法制备锰基材料的优势是（）。A.降低能耗B.提高结晶度C.增大颗粒尺寸D.简化后处理二、填空题（每题2分，共20分）1.锰电极原料预处理中，磁选法主要用于去除______杂质。2.高温固相法制备LiMn₂O₄的关键步骤包括混料、______和高温煅烧。3.水热法常用的矿化剂为NaOH或______，作用是调节溶液pH并促进前驱体溶解。4.表征锰电极材料孔隙结构的常用方法是______（缩写）。5.掺杂Al³⁺可通过______机制增强LiMn₂O₄的晶格稳定性。6.电极浆料制备时，导电剂（如SuperP）的添加量通常为活性物质质量的______%。7.循环伏安（CV）测试中，氧化峰与还原峰的电位差反映电极的______。8.LiMn₂O₄的理论比容量为______mAh/g（保留两位小数，Li:7，Mn:55，O:16）。9.为抑制Mn溶解，电解液中常添加______（如LiBOB）作为成膜添加剂。10.三维多孔锰电极的制备方法包括模板法和______。三、简答题（每题8分，共40分）1.简述高温固相法制备LiMn₂O₄的工艺流程，并说明预烧步骤的作用。2.水热法相比固相法在控制锰基材料形貌（如纳米片、纳米球）上的优势有哪些？3.分析Mg²⁺掺杂对LiMn₂O₄循环稳定性的影响机理（需结合晶体结构和电化学行为）。4.如何通过SEM和XRD测试结果关联锰电极材料的电化学性能？请举例说明。5.列举锰电极在循环过程中容量衰减的三个主要原因，并提出对应的解决策略。四、计算题（每题10分，共20分）1.制备5g纯度为99%的LiMn₂O₄（分子式量180），需Li₂CO₃（纯度98%，分子式量74）和MnO₂（纯度99%，分子式量87）各多少克？（反应式：Li₂CO₃+4MnO₂→2LiMn₂O₄+CO₂↑）2.某锰酸锂电极首次放电容量为115mAh/g，库伦效率为88%，计算其首次充电容量（以1g活性物质计）。答案一、单项选择题1.B2.A3.C4.B5.B6.B7.A8.A9.C10.A二、填空题1.铁磁性2.预烧3.KOH4.BET5.离子半径匹配增强晶格6.5-107.极化程度8.148.169.锂盐添加剂10.电沉积法三、简答题1.工艺流程：原料（Li₂CO₃、MnO₂）球磨混合→预烧（300-500℃，2-4h）→高温煅烧（700-850℃，6-12h）→冷却粉碎→过筛。预烧作用：分解Li₂CO₃释放CO₂，减少高温煅烧时气体溢出导致的材料团聚；促进原料初步反应，形成部分Li-Mn-O前驱体，提高后续煅烧效率。2.优势：①水热法在液相中进行，可通过调节温度、pH、矿化剂浓度精确控制晶体生长方向，实现纳米片（高长径比）或纳米球（各向同性生长）的定向合成；②反应温度低（120-200℃），避免固相法高温导致的颗粒烧结，形貌更均匀；③可引入表面活性剂（如CTAB）修饰晶面，调控表面能，进一步控制形貌（如纳米线需高浓度OH⁻抑制横向生长）。3.Mg²⁺（半径0.072nm）与Mn³⁺（半径0.065nm）接近，可部分取代Mn³⁺位点，减少Mn³⁺比例，抑制Jahn-Teller畸变（Mn³⁺易引发八面体变形）；同时，Mg²⁺无变价特性，掺杂后晶格中Mn⁴⁺比例增加，结构更稳定；电化学上，Mg²⁺掺杂可降低电极极化，减少循环过程中结构破坏，提升循环保持率（如未掺杂LiMn₂O₄循环50次容量保持率约80%，Mg掺杂后可达90%以上）。4.SEM观察材料形貌：若SEM显示颗粒为纳米级且分散均匀（如100nm球形颗粒），则比表面积大，电解液接触充分，倍率性能好；若颗粒团聚（如微米级块体），则离子扩散路径长，倍率性能差。XRD分析晶型：高衍射峰强度、窄半峰宽表明结晶度高（如LiMn₂O₄的(111)峰尖锐），结构稳定，循环性能优；若峰强低、宽化（如出现杂相峰），则晶体缺陷多，循环中易发生结构坍塌，容量衰减快。5.主要原因及策略：①Mn溶解：电解液中HF腐蚀导致Mn²⁺溶出，可通过表面包覆（如Al₂O₃）阻隔HF与活性物质接触；②Jahn-Teller效应：Mn³⁺引发晶格畸变，采用Mg²⁺/Al³⁺掺杂减少Mn³⁺比例；③电解液分解：高温下碳酸酯溶剂分解提供气体，使用高温稳定电解液（如添加氟代碳酸乙烯酯FEC）。四、计算题1.反应式Li₂CO₃+4MnO₂→2LiMn₂O₄+CO₂↑，制备5g纯度99%的LiMn₂O₄，实际LiMn₂O₄质量=5×99%=4.95g，物质的量=4.95/180=0.0275mol。根据反应式，需Li₂CO₃物质的量=0.0275/2=0.01375mol，质量=0.01375×74=1.0175g（纯度98%时需1.0175/0.98≈1.038g）；需MnO₂物质的量=0.0275×2=0.055mol（因