西安理工大学《储能材料与工程》2025-2026学年期末试卷(A卷)

西安理工大学《储能材料与工程》2025-2026学年期末试卷(A卷)适用专业：储能科学与工程、新能源材料与器件、材料科学与工程（本科三年级）考试时间：120分钟满分：100分考试形式：闭卷注意事项：1.答题前，考生务必将自己的姓名、学号、班级填写在答题纸指定位置；2.所有答案必须写在答题纸上，写在试卷上无效；3.考试结束后，将试卷和答题纸一并交回。一、名词解释（共5小题，每小题3分，共15分）1.质量储能密度2.固体电解质界面（SEI）膜3.相变焓4.法拉第效率5.倍率性能二、单项选择题（共10小题，每小题1分，共10分）1.下列储能类型中，属于电化学储能范畴的是（）A.抽水蓄能B.压缩空气储能C.锂离子电池储能D.显热储热2.商用石墨类负极材料的锂离子嵌入理论比容量约为（）A.372mAh/gB.274mAh/gC.170mAh/gD.1675mAh/g3.下列储热材料中，仅依靠物质温度变化实现热量存储与释放的是（）A.石蜡B.三水醋酸钠C.高温氧化铝陶瓷D.聚乙二醇4.全钒液流电池正极活性物质的氧化还原电对是（）A.V²⁺/V³⁺B.V³⁺/V⁴⁺C.VO²⁺/VO₂⁺D.V⁴⁺/V⁵⁺5.下列储氢方式中，体积储氢密度最高的是（）A.70MPa高压气态储氢B.-253℃低温液态储氢C.镁基金属氢化物储氢D.活性炭物理吸附储氢6.商用锂离子电池电解液中最常用的锂盐是（）A.LiClB.LiPF₆C.Li₂SO₄D.LiNO₃7.下列负极材料中，属于转换型储锂机制的是（）A.天然石墨B.硬碳C.纳米硅D.四氧化三铁（Fe₃O₄）8.铅酸蓄电池的正极活性物质是（）A.金属PbB.PbO₂C.PbSO₄D.H₂SO₄9.下列测试方法中，可直接表征储能材料倍率性能的是（）A.循环伏安法B.恒流充放电测试C.电化学阻抗谱D.X射线衍射分析10.下列关于钠离子电池特点的描述，错误的是（）A.钠地壳储量远高于锂，原材料成本更低B.能量密度普遍高于商用磷酸铁锂电池C.可采用铝箔作为负极集流体，进一步降低成本D.低温放电性能优于部分磷酸铁锂电池三、多项选择题（共5小题，每小题3分，共15分，多选、少选、错选均不得分）1.下列属于电化学储能系统核心性能指标的有（）A.能量密度B.功率密度C.循环寿命D.能量转换效率E.自放电率2.优质相变储热材料需满足的基本要求有（）A.相变焓大，储热密度高B.相变温度与应用场景匹配C.过冷度小，相变速率可控D.导热系数高，储放热响应快E.化学稳定性好，循环寿命长3.全钒液流电池相对于锂离子电池的优势包括（）A.功率与容量独立设计，适配长时储能场景B.活性物质仅发生价态变化，循环寿命可达万次以上C.能量密度更高，适合移动储能场景D.电解液为水基体系，无燃爆风险，安全性高E.响应速度快，可实现毫秒级功率调节4.下列储氢技术中，属于化学储氢范畴的有（）A.镧镍系金属氢化物储氢B.硼氢化钠配位氢化物储氢C.碳纳米管吸附储氢D.液氨分解储氢E.地下盐穴储氢5.下列表征技术中，可用于分析储能材料晶体结构与物相组成的有（）A.X射线衍射（XRD）B.扫描电子显微镜（SEM）C.透射电子显微镜（TEM）D.拉曼光谱（Raman）E.差示扫描量热法（DSC）四、判断题（共10小题，每小题1分，共10分，正确打“√”，错误打“×”）1.锂离子电池依靠锂离子在正负极之间的可逆嵌脱实现能量存储与转换，被称为“摇椅式电池”。（）2.磷酸铁锂（LiFePO₄）正极材料的理论比容量约为274mAh/g。（）3.相同质量下，显热储热的储热密度通常高于固液相变储热。（）4.全钒液流电池的电解液既是活性物质的载体，也是离子导电的介质。（）5.镁基储氢合金的质量储氢密度显著高于稀土系储氢合金。（）6.由于钠离子半径大于锂离子，因此钠离子电池的倍率性能一定弱于锂离子电池。（）7.固体电解质界面（SEI）膜仅在锂离子电池负极表面形成，正极表面不会产生类似的界面层。（）8.铅酸电池的单体额定电压约为2.0V，高于磷酸铁锂电池的单体额定电压。（）9.储热材料的导热系数越高，其储放热过程的速率越快。（）10.循环伏安法可用于测定储能材料的氧化还原电位，也可用于分析电极反应的动力学特性。（）五、简答题（共5小题，每小题6分，共30分）1.简述锂离子电池的基本组成及各核心部件的主要作用。2.对比分析磷酸铁锂与三元镍钴锰（NCM）正极材料的优缺点及主要应用场景。3.简述固液相变储热的基本工作原理，并列举3种典型相变储热材料及对应的应用场景。4.简述全钒液流电池的工作原理及相对于锂离子电池的核心技术优势。5.简述金属氢化物储氢的基本原理，并列出3项核心性能评价指标。六、计算题（共1小题，共8分）已知某电网侧储能用磷酸铁锂软包电池，正极采用LiFePO₄活性物质，实际可用比容量为150mAh/g；负极采用人造石墨，实际可用比容量为330mAh/g；电池正负极容量比（N/P比，即负极容量与正极容量的比值）设计为1.2:1，以保证电池循环寿命。已知该电池正极活性物质总质量为200g，电解液质量为150g，正负极集流体、隔膜等辅材总质量为120g，软包铝塑膜外壳质量为50g，单体额定工作电压为3.2V。请计算：（1）该电池的额定容量（以正极容量为限制容量）；（2分）（2）该电池所需的负极活性物质最小质量（结果保留1位小数）；（3分）（3）该电池的质量能量密度（单位：Wh/kg，结果保留1位小数）。（3分）七、综合分析题（共1小题，共12分）某省级电网公司拟建设100MW/400MWh（4小时时长）的电网侧长时储能电站，现有磷酸铁锂电池、全钒液流电池、钠离子电池三种技术路线可供选型。请结合三类储能技术的材料特性、性能指标、成本、安全性、寿命等因素，分别分析三种技术路线的优缺点，并给出你的选型建议及依据。参考答案及评分标准一、名词解释（共5小题，每小题3分，共15分）1.质量储能密度：指单位质量的储能材料或储能系统能够存储的能量（1.5分），常用单位为Wh/kg或kWh/kg，是衡量储能系统能量存储能力的核心指标（1.5分）。2.固体电解质界面（SEI）膜：指锂离子电池首次充放电过程中，负极材料与电解液发生反应，在负极表面形成的一层只允许锂离子通过、不允许电子通过的钝化膜（2分），其稳定性直接影响电池的循环寿命、倍率性能和安全性（1分）。3.相变焓：又称相变潜热，指单位质量或物质的量的物质在等温等压下发生相变时吸收或释放的热量（2分），是衡量相变储热材料储热能力的核心参数（1分）。4.法拉第效率：指电化学反应中，实际参与反应的物质的量与理论上按法拉第定律计算应参与反应的物质的量的比值（2分），是衡量电化学储能系统能量转换效率的重要指标，反映了副反应的程度（1分）。5.倍率性能：指储能材料或电池在不同充放电电流密度下的容量保持能力（2分），是衡量储能系统功率特性的核心指标，倍率越高，说明大电流充放电能力越强（1分）。二、单项选择题（共10小题，每小题1分，共10分）1.C2.A3.C4.C5.C6.B7.D8.B9.B10.B三、多项选择题（共5小题，每小题3分，共15分）1.ABCDE2.ABCDE3.ABDE4.ABD5.ACD四、判断题（共10小题，每小题1分，共10分）1.√2.×3.×4.√5.√6.×7.×8.×9.√10.√五、简答题（共5小题，每小题6分，共30分）1.参考答案：锂离子电池主要由正极、负极、电解质、隔膜、集流体、外壳六大核心部分组成（1分），各部件作用如下：（1）正极：提供脱嵌锂源，决定电池的工作电压和容量核心特性，是电池容量的主要限制极（1分）；（2）负极：接收和储存锂离子，与正极匹配形成电池的电压差（1分）；（3）电解质：作为离子传输的介质，为锂离子在正负极之间的迁移提供通道（1分）；（4）隔膜：分隔正负极防止短路，同时允许锂离子自由通过（1分）；（5）集流体收集反应电流、外壳提供机械与安全防护，答出任意1项即可得1分（1分）。评分标准：核心组成1分，4个核心部件各1分，集流体/外壳1分，意思相近即可得分。2.参考答案：（1）磷酸铁锂正极：优点为安全性高、循环寿命长（可达数千至万次）、原材料成本低（不含钴等贵金属）、环境友好（1.5分）；缺点为能量密度低（理论比容量170mAh/g，工作电压3.2V）、低温性能差（-20℃容量保持率不足60%）、倍率性能一般（1分）；主要应用于电网侧储能电站、中低端电动汽车、备用电源等对安全性和成本要求高的领域（0.5分）。（2）三元NCM正极：优点为能量密度高（理论比容量可达270mAh/g以上，工作电压3.7V以上）、低温性能好、倍率性能优异（1.5分）；缺点为安全性较差（高温易分解产气）、循环寿命较短（通常为1000-3000次）、成本较高（含钴、镍等贵金属）（1分）；主要应用于高端电动汽车、消费电子、便携式储能等对能量密度要求高的领域（0.5分）。评分标准：磷酸铁锂优缺点2分、场景0.5分，三元优缺点2分、场景0.5分，意思相近即可得分。3.参考答案：（1）工作原理：固液相变储热属于潜热储热的一种，利用物质在固态与液态之间的相变过程，在温度基本保持恒定的条件下吸收或释放大量相变潜热，实现热量的存储与释放（2分）。环境温度高于相变温度时材料熔化吸热，低于相变温度时材料凝固放热。（2）典型材料及场景（答出任意3种即可，每种1分）：①石蜡：中低温有机相变材料，化学稳定性好，常用于建筑采暖、电子设备热管理；②三水醋酸钠：低温水合盐相变材料，相变焓大，常用于家用储热、太阳能热水系统储热；③高温熔融盐：高温相变材料，相变温度可达数百至一千摄氏度，常用于太阳能热发电、工业余热回收；④聚乙二醇：相变温度可调，无过冷，常用于智能建筑温控、医用冷链运输。评分标准：原理2分，材料及场景共4分，意思相近即可得分。4.参考答案：（1）工作原理：全钒液流电池以不同价态的钒离子硫酸溶液为正负极活性物质，正极含VO²⁺/VO₂⁺电对，负极含V²⁺/V³⁺电对，中间通过质子交换膜分隔（1分）。充电时正极VO²⁺被氧化为VO₂⁺，负极V³⁺被还原为V²⁺，电解液通过泵循环输送至电堆参与反应；放电时过程相反，钒离子价态变化实现化学能与电能的转换（2分）。（2）核心优势（答出任意3点即可，每点1分）：①功率与容量独立设计，适配长时储能场景；②循环寿命长，可达10000次以上；③安全性高，水基电解液无燃爆风险；④电解液可回收利用，全生命周期成本低；⑤响应速度快，可适配电网调频需求。评分标准：工作原理3分，核心优势3分，意思相近即可得分。5.参考答案：（1）工作原理：金属氢化物储氢属于化学储氢，利用金属或合金与氢气发生可逆化学反应，将氢以原子态存储在金属晶格间隙位置形成金属氢化物实现储氢（2分），加热或降低氢压时氢化物分解释放氢气，反应通式为M+x/2H₂⇌MHₓ+Q（1分）。（2）核心评价指标（答出任意3项即可，每点1分）：①质量储氢密度，单位质量材料存储的氢气质量，常用wt%表示；②体积储氢密度，单位体积材料存储的氢气质量，常用kg/m³表示；③吸放氢温度，决定应用场景适配性；④吸放氢动力学性能，反映储放氢速率；⑤循环寿命，反映材料长期使用稳定性；⑥成本，决定规模化应用可行性。评分标准：工作原理3分，性能指标3分，意思相近即可得分。六、计算题（共8分）参考答案：（1）额定容量计算：正极总容量=正极活性物质质量×正极实际比容量=200g×150mAh/g=30000mAh=30Ah（2分）因正极是容量限制极，故电池额定容量为30Ah。（2）负极最小质量计算：负极所需最小容量=正极容量×N/P比=30Ah×1.2=36Ah=36000mAh（1.5分）负极最小质量=负极所需容量/负极实际比容量=36000mAh÷330mAh/g≈109.1g（1.5分）（3）质量能量密度计算：电池总能量=额定容量×额定工作电压=30Ah×3.2V=96Wh（1分）电池总质量=200g+109.1g+150g+120g+50g=629.1g=0.6291kg（1分）质量能量密度=总能量/总质量=96Wh÷0.6291kg≈152.6Wh/kg（1分）评分标准：每小问按步骤给分，公式正确结果错误得一半分，结果正确无公式得一半分，单位错误累计扣不超过1分。七、综合分析题（共12分）参考答案：针对4小时长时电网储能场景，三类技术路线的优缺点及选型建议如下：1.磷酸铁锂电池路线（3分）优点：技术成熟度最高，产业链完善，当前初始投资成本较低；能量密度较高（150-200Wh/kg），电站占地面积较小；倍率性能较好，可同时适配调频与调峰需求（1.5分）。缺点：循环寿命相对较短（通常为6000-10000次），长时储能场景下全生命周期成本偏高；存在热失控安全隐患，电站消防要求高；锂资源价格波动大，长期成本稳定性不足（1.5分）。2.全钒液流电池路线（3分）优点：功率与容量解耦，适配长时储能场景，容量越大单位容量