“鋰離子電池材料及應(yīng)用”的課程思政

鄧魁榮 劉爭(zhēng) 范東華

摘要“鋰離子電池材料及應(yīng)用”作為新能源材料與器件專業(yè)的核心課程之一，在“鋰離子電池材料及應(yīng)用”課程教學(xué)過程中將課程思政與專業(yè)知識(shí)有機(jī)融合，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生正確的價(jià)值觀、人生觀、世界觀具有重要的意義。本文以課程中的固態(tài)電解質(zhì)這一專業(yè)知識(shí)點(diǎn)為例，通過將固態(tài)電解質(zhì)研究現(xiàn)狀和兩位科學(xué)家在該領(lǐng)域研究的故事有機(jī)結(jié)合在一起講解，向?qū)W生傳達(dá)愛國(guó)、社會(huì)責(zé)任感、追求卓越、突破自我、堅(jiān)定信念、堅(jiān)持不懈、敢于創(chuàng)新、積極探索的科學(xué)精神。

關(guān)鍵詞 鋰離子電池 固體電解質(zhì) 課程思政

中圖分類號(hào)：G424文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.19.029

Curriculum-based Ideological and Political Education in"Lithium ion Battery Materials and Applications"

——Taking "solid electrolytes" as an example

DENG Kuirong， LIU Zheng， FAN Donghua

（Wuyi University， School of Applied Chemistry and Materials， Jiangmen， Guangdong 529020）

Abstract"Lithium ion battery materials and applications" is one of the core courses of the major of new energy materials and devices. In this course， the integration of ideological and political education with professional knowledge inthe teachingprocessis of greatsignificanceforcultivatingstudents’correctvalues，outlookonlifeandworldoutlook. This paper takes "solid electrolytes" as an example to illustrate the integration of ideological and political education with professional knowledge by combining the progress of solid electrolytes and the story of two scientists in this field to convey to the students scientific spirits of patriotism， social responsibility， the pursuit of excellence， breakthrough self， firm faith， perseverance， dare to innovation and actively exploring.

KeywordsLithium ion battery； solid electrolytes； ideological and political education

1緒論

把課程思政融入課堂教學(xué)是對(duì)學(xué)生開展思想政治教育的有效途徑之一。立足本專業(yè)的優(yōu)勢(shì)，找準(zhǔn)專業(yè)知識(shí)與課程思政的結(jié)合點(diǎn)，發(fā)掘?qū)I(yè)課程相關(guān)的思政資源，對(duì)于促進(jìn)課程思政的教育理念融入課程教學(xué)具有非常重要的意義。避免專業(yè)知識(shí)教育與思想政治教育相互隔絕的孤島效應(yīng)，推動(dòng)專業(yè)知識(shí)教育與思想政治教育有機(jī)融合、相得益彰，是課堂思政工作的重要任務(wù)之一。作為新能源材料與器件專業(yè)的核心課程，“鋰離子電池材料及應(yīng)用”與本專業(yè)的其他課程有密切聯(lián)系，因此，將該課程與思想政治教育相結(jié)合，不僅可以向?qū)W生傳達(dá)愛國(guó)、社會(huì)責(zé)任感、追求卓越、突破自我、堅(jiān)定信念、堅(jiān)持不懈、敢于創(chuàng)新、積極探索的科學(xué)精神，還可以培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)認(rèn)同感，學(xué)好專業(yè)知識(shí)，將自己的專業(yè)發(fā)展與國(guó)家社會(huì)的發(fā)展緊密結(jié)合在一起。本文以固態(tài)電解質(zhì)這一部分內(nèi)容為例，論述如何在課程教學(xué)中將思政教育與專業(yè)知識(shí)有機(jī)融合。

2課程講解及課程思政

2.1理論教學(xué)與課程思政

2.1.1背景知識(shí)

鋰離子電池具有能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、自放電小和無記憶效應(yīng)等優(yōu)勢(shì)，已廣泛應(yīng)用于智能移動(dòng)設(shè)備、新能源汽車和電網(wǎng)儲(chǔ)能等領(lǐng)域。隨著電動(dòng)汽車和智能移動(dòng)設(shè)備的快速發(fā)展，對(duì)鋰離子電池的能量密度和安全性要求越來越高，目前鋰離子電池的能量密度和安全性能還有待提高。由鋰離子電池造成的安全事故層出不窮，如三星note7手機(jī)爆炸、特斯拉汽車自燃、蔚來汽車自燃等。這些鋰離子電池的安全問題使科學(xué)家們更加關(guān)注鋰離子電池的安全性能，開發(fā)高安全性的鋰離子電池。電解質(zhì)是鋰離子電池的重要組分，它的作用是在正極和負(fù)極之間傳導(dǎo)鋰離子，它對(duì)電池倍率性能、循環(huán)壽命、安全性等有重要影響。理想的電解質(zhì)要具備高離子電導(dǎo)率、高鋰離子遷移數(shù)、寬電化學(xué)窗口、高機(jī)械強(qiáng)度、高安全性等特性。傳統(tǒng)的鋰離子電池使用的是液體電解質(zhì)，它通常由碳酸酯類溶劑與鋰鹽組成。而這些碳酸酯類溶劑具有易燃、易爆、易泄露等缺點(diǎn)。在鋰離子電池的熱失控過程中，液體電解質(zhì)參與了熱失控的大部分反應(yīng)，并且液體電解質(zhì)的燃燒最終導(dǎo)致了熱失控的發(fā)生，因此液體電解質(zhì)的使用帶來了很大的安全隱患。鋰枝晶的生長(zhǎng)也是液體電解質(zhì)的安全隱患之一。為了從根本上提高鋰離子電池的安全性能，可用不會(huì)燃燒爆炸、安全性高、穩(wěn)定性好、能夠抑制鋰枝晶的固態(tài)電解質(zhì)來替換液態(tài)電解質(zhì)。固態(tài)電解質(zhì)能抑制鋰枝晶的生長(zhǎng)，可與鋰金屬負(fù)極搭配使用。金屬鋰的理論比容量（3860 mAh g-1）是石墨負(fù)極的比容量的十倍，使用金屬鋰作為負(fù)極能夠大大提高電池的能量密度。將固態(tài)電解質(zhì)與鋰金屬負(fù)極和高比容量正極匹配能夠組成能量密度更高和安全性更好的全固態(tài)鋰電池。使用固態(tài)電解質(zhì)組裝全固態(tài)鋰電池能夠從根本上解決鋰離子電池的安全性問題，從而推動(dòng)鋰離子電池在電動(dòng)汽車、智能設(shè)備、國(guó)防武器等領(lǐng)域的應(yīng)用，加快這些領(lǐng)域的發(fā)展。固態(tài)電解質(zhì)的是從20世紀(jì)70年代開始的，研究歷史已經(jīng)有幾十年了，但是固態(tài)電解質(zhì)和全固態(tài)鋰電池還存在一些問題，直到現(xiàn)在還沒有能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。

引入課程思政：開發(fā)高性能固態(tài)電解質(zhì)以及全固態(tài)鋰電池是現(xiàn)在的研究熱點(diǎn)，全世界很多的科學(xué)家都在為這個(gè)領(lǐng)域奉獻(xiàn)自己的力量。鋰電池之父Goodenough在這個(gè)領(lǐng)域開啟了新的征途。Goodenough作為鋰電池之父，他30歲成為物理學(xué)博士，54歲開始研究鋰電池，58歲開發(fā)出安全可用的高電壓鈷酸鋰正極材料，75歲又開發(fā)出穩(wěn)定低成本的磷酸鐵鋰正極材料，他的研究使鋰離子電池能量密度更高、安全性更高、使用壽命更長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，同時(shí)也促進(jìn)了電子設(shè)備便攜化進(jìn)程。因?yàn)樵阡囯x子電池研發(fā)領(lǐng)域的杰出貢獻(xiàn)，Goodenough在2019年獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。盡管他現(xiàn)在已經(jīng)99歲，盡管他已經(jīng)獲得了巨大的成就，他仍然奮戰(zhàn)在科研一線，他現(xiàn)在的研究重點(diǎn)是固態(tài)電解質(zhì)以及固態(tài)鋰電池。Goodenough曾說過：“我的時(shí)間都是借來的，因此，我們必須珍惜每一天。我們永遠(yuǎn)不知道明天會(huì)發(fā)生什么”。雖然人過90，但他對(duì)科研的熱愛絲毫不減，每天都兢兢業(yè)業(yè)，每天都去辦公室工作，和大家一起討論實(shí)驗(yàn)進(jìn)展。他親自指導(dǎo)學(xué)生，哪怕學(xué)生問的問題很淺，他也會(huì)鼓勵(lì)學(xué)生多思考多問問題，看到學(xué)生有收獲，他就會(huì)很開心。Goodenough在固體電解質(zhì)領(lǐng)域已經(jīng)取得很多的研究成果，最近他在聚氧化乙烯基復(fù)合電解質(zhì)中引入Mg（CIO4）2作為添加劑來增加其離子導(dǎo)電性，并協(xié)助在Li/聚合物界面構(gòu)建傳導(dǎo)鋰離子的SEI膜，該電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率達(dá)到了2.15×10-4S cm-1，并且能夠有效抑制鋰枝晶，用該固態(tài)電解質(zhì)組裝的全固態(tài)LiFePO4/Li和NCM811/Li電池具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。

Goodenough之所以能夠取得杰出成就，為社會(huì)做出重大貢獻(xiàn)，與他身上的精神有很大關(guān)系：（1）持之以恒，勤勤懇懇，幾十年如一日地奮斗在科研一線，年過九旬仍然奮斗在科研一線，機(jī)會(huì)是留給有準(zhǔn)備的人，只有堅(jiān)持才能獲得成功；（2）有社會(huì)責(zé)任感，奉獻(xiàn)精神，Goodenough研究的最終目的是為了解決能源危機(jī)，造福人類社會(huì)，社會(huì)責(zé)任感和奉獻(xiàn)精神是他潛心研究的源源不斷的動(dòng)力來源。（3）追求卓越，突破自我，雖然Goodenough已經(jīng)取得了很大成就，但是他不自滿，不斷開發(fā)新的材料，年過九旬仍然想在固態(tài)鋰電池領(lǐng)域貢獻(xiàn)自己的力量。

通過介紹這一偉大科學(xué)家的成功事例，將課堂教學(xué)與課程思政緊密結(jié)合在一起，當(dāng)代大學(xué)生應(yīng)該學(xué)習(xí)偉大科學(xué)家的科學(xué)精神，腳踏實(shí)地、埋頭苦干，持之以恒，刻苦學(xué)習(xí)專業(yè)理論知識(shí)，用知識(shí)和實(shí)踐不斷武裝自己，堅(jiān)定目標(biāo)，以崇高的歷史責(zé)任感和使命感堅(jiān)定自己的理想和信念，勇于創(chuàng)新、與時(shí)俱進(jìn)，為實(shí)現(xiàn)中華民族的偉大復(fù)興努力奮斗。

2.1.2固態(tài)電解質(zhì)的發(fā)展現(xiàn)狀

固態(tài)電解質(zhì)可以分為聚合物電解質(zhì)和無機(jī)陶瓷電解質(zhì)兩大類。固態(tài)聚合物電解質(zhì)通常是由小分子鋰鹽溶解于聚合物基體，形成一個(gè)固溶體，鋰離子主要依靠鏈段運(yùn)動(dòng)進(jìn)行傳導(dǎo)。研究最多的是基于聚氧化乙烯（PEO）的聚合物電解質(zhì)。固態(tài)聚合物電解質(zhì)中不含有任何有機(jī)溶劑，避免了易揮發(fā)、易燃、易爆的問題，并且能夠抑制鋰枝晶，從而提高電池的安全性和循環(huán)穩(wěn)定性。聚合物電解質(zhì)的柔韌性好，界面阻抗比無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)小，形狀和尺寸的可塑性強(qiáng)，可用于制備各種形狀的電池和柔性電池。然而，單純由聚合物和鋰鹽組成的全固態(tài)聚合物電解質(zhì)室溫離子電導(dǎo)率較低（10-7-10-5S cm-1），難以達(dá)到實(shí)際應(yīng)用要求（> 10-4S cm-1）。

無機(jī)陶瓷電解質(zhì)主要分為無機(jī)氧化物電解質(zhì)和無機(jī)硫化物電解質(zhì)兩大類。氧化物電解質(zhì)擁有較高的離子電導(dǎo)率和較寬的電化學(xué)窗口。Goodenough等報(bào)道的Li7-xLa3Zr2-xTaxO12（LLZTO）的室溫離子電導(dǎo)率最高達(dá)到了1.0×10-3Scm-1。李泓等制備了相對(duì)密度高達(dá)99.6%的片狀Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12（LLZTO），其室溫離子電導(dǎo)率達(dá)到了1.6×10-3Scm-1。部分硫化物電解質(zhì)如Li10MP2S12、70Li2S-30P2S5和Li9.54Si1.74P1.44S11.7Cl0.3的室溫離子電導(dǎo)率達(dá)到了10-2Scm-1級(jí)別。但是這些電解質(zhì)的化學(xué)穩(wěn)定性普遍較差，對(duì)水、氧敏感，對(duì)金屬鋰不穩(wěn)定。無機(jī)陶瓷電解質(zhì)質(zhì)脆且硬，難以與電極材料達(dá)到良好的界面接觸，由此產(chǎn)生巨大的界面阻抗，不利于鋰離子在界面處的傳輸。

引入課程思政：固態(tài)電解質(zhì)面臨的最大挑戰(zhàn)是其離子電導(dǎo)率較低，導(dǎo)致電池性能較差。當(dāng)前固態(tài)電解質(zhì)的研究主要關(guān)注點(diǎn)是提高離子電導(dǎo)率和界面穩(wěn)定性。中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過程研究所的崔光磊研究員以“愛國(guó)、創(chuàng)新、求實(shí)、奉獻(xiàn)、協(xié)同、育人”的新時(shí)代科學(xué)家精神為指引，積極響應(yīng)國(guó)家深海裝備的戰(zhàn)略需求，發(fā)揮黨員的先鋒模范作用，深耕固態(tài)電解質(zhì)關(guān)鍵技術(shù)。在長(zhǎng)達(dá)11年科研攻關(guān)過程中，他先后首創(chuàng)了“剛?cè)岵?jì)”聚合物復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)，原位固態(tài)化界面融合技術(shù)，低溫熔鹽原位固化技術(shù)等技術(shù)，有效提高了固態(tài)電解質(zhì)的性能，開發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高能量密度、高安全性、高耐深海壓、長(zhǎng)循環(huán)壽命的固態(tài)鋰電池及深海特種電源系統(tǒng)。崔光磊帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)努力攻關(guān)，現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出能量密度達(dá)到526Wh/kg的固態(tài)鋰金屬電池。自2015年至今，崔光磊團(tuán)隊(duì)累計(jì)為各類深?？瓶加脩籼峁┝?8批次固態(tài)鋰電池電源系統(tǒng)，該全海深電源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了零故障應(yīng)用，為我國(guó)深海的事業(yè)發(fā)展提供了安全、可靠的特種電源保障。

崔光磊積極響應(yīng)國(guó)家深海裝備的重大戰(zhàn)略需求，將國(guó)家需求與自己的科學(xué)研究緊密結(jié)合，堅(jiān)定信念、堅(jiān)持不懈、敢于創(chuàng)新、積極探索、全身心地投入科研事業(yè)，深耕固態(tài)電池關(guān)鍵技術(shù)、聚焦深海特種電源系統(tǒng)，最終取得了巨大成就，有力地推動(dòng)了我國(guó)深海事業(yè)、新能源領(lǐng)域的發(fā)展，對(duì)于我國(guó)在這些領(lǐng)域保持領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，在電動(dòng)車領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)彎道超車具有重要意義。作為新時(shí)代的大學(xué)生要學(xué)習(xí)科學(xué)家這種愛國(guó)、將國(guó)家發(fā)展與自身發(fā)展緊密結(jié)合在一起，堅(jiān)定信念、堅(jiān)持不懈、敢于創(chuàng)新、積極探索的科學(xué)精神，養(yǎng)成追求卓越的高尚品格，掌握好專業(yè)知識(shí)，激發(fā)自己的潛力，爭(zhēng)取早日為國(guó)家和社會(huì)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

3結(jié)論

本文以“鋰離子電池材料及應(yīng)用”課程中的固態(tài)電解質(zhì)這一知識(shí)點(diǎn)為例對(duì)該課程中的課程思政進(jìn)行案例分析。在介紹固態(tài)電解質(zhì)的研究背景知識(shí)過程中融入Goodenough在該領(lǐng)域的研究歷程，向?qū)W生傳達(dá)堅(jiān)持不懈、社會(huì)責(zé)任感、奉獻(xiàn)精神、追求卓越，突破自我的精神。在固態(tài)電解質(zhì)的研究現(xiàn)狀部分融入崔光磊研究員在該領(lǐng)域的貢獻(xiàn)，培養(yǎng)學(xué)生愛國(guó)、將國(guó)家發(fā)展與自身發(fā)展緊密結(jié)合在一起，堅(jiān)定信念、堅(jiān)持不懈、敢于創(chuàng)新、積極探索的精神，掌握好專業(yè)知識(shí)，激發(fā)自己的潛力，爭(zhēng)取早日為國(guó)家和社會(huì)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

基金項(xiàng)目：廣東省高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目（GDJX2019006，GDJX2018003）、五邑大學(xué)教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程項(xiàng)目（JX2019056）、五邑大學(xué)高層次人才科研啟動(dòng)項(xiàng)目（2019AL017）

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