“一流學(xué)科”建設(shè)中元素化學(xué)課堂教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計
——以堿金屬元素為例談元素結(jié)構(gòu)與性質(zhì)及其在鋰離子電池中的應(yīng)用

魏明燈，魏巧華

福州大學(xué)化學(xué)學(xué)院，福建省新型電化學(xué)儲能材料重點實驗室，福州 350108

無機化學(xué)是學(xué)生進(jìn)入大學(xué)后的第一門專業(yè)課，需要面臨教與學(xué)方式的根本轉(zhuǎn)變。由于學(xué)生在中學(xué)階段大都已經(jīng)接觸到課程的知識點，對教學(xué)內(nèi)容認(rèn)識不足，產(chǎn)生輕視思想，而社會對化學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)的重要性缺乏正確認(rèn)識，尤其是輿論對化學(xué)畢業(yè)生就業(yè)前景的誤導(dǎo)，致使不少學(xué)生剛?cè)雽W(xué)就想著轉(zhuǎn)專業(yè)，難以專心于課堂聽講。如何滿足全體學(xué)生的知識需求和激發(fā)他們的聽課興趣，成為課堂教學(xué)的關(guān)鍵。實際上，無機化學(xué)課程中的大多數(shù)知識點，在下一學(xué)年的物理化學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)等課程中又會在更深的層次上重復(fù)出現(xiàn)。因此，設(shè)計好課堂教學(xué)內(nèi)容，避免不必要的重復(fù)，是十分重要的。同時，元素化學(xué)的課堂授課內(nèi)容、授課效果將直接影響學(xué)生的未來出路。尤其是，我校的化學(xué)學(xué)科正在實施“一流學(xué)科”建設(shè)，旨在培養(yǎng)出基礎(chǔ)知識扎實、創(chuàng)新思維和實踐能力突出的高素質(zhì)基礎(chǔ)學(xué)科人才，而無機化學(xué)課程的教學(xué)質(zhì)量不僅影響學(xué)科建設(shè)的成效，而且影響學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新意識，還會左右學(xué)生報考研究生專業(yè)方向。

本文以“堿金屬的結(jié)構(gòu)與性能及其在鋰離子電池中的應(yīng)用”為例，介紹筆者面向化學(xué)專業(yè)理科基地班一年級學(xué)生開展元素化學(xué)課堂所運用到的教學(xué)原則、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法以及教學(xué)效果。

1 授課對象及課程概況

化學(xué)專業(yè)理科基地班的人才培養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)出基礎(chǔ)理論扎實、知識結(jié)構(gòu)合理、富有創(chuàng)新意識和實踐能力，能將化學(xué)基礎(chǔ)理論知識與科研實踐和生產(chǎn)實際相結(jié)合，能進(jìn)行化學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)研究的創(chuàng)新型人才[1]。

作為化學(xué)專業(yè)理科基地班核心課之一的無機化學(xué)，開設(shè)在一年級上下兩個學(xué)期。無機化學(xué)I (48學(xué)時)，主要講授原子結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵與分子結(jié)構(gòu)、化學(xué)熱力學(xué)、化學(xué)反應(yīng)速率、化學(xué)平衡、溶液和氧化還原反應(yīng)等；無機化學(xué)II (64學(xué)時)，主要講授配位化學(xué)和元素化學(xué)，其中元素化學(xué)授課學(xué)時為32學(xué)時。實際上，化學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計對“一流學(xué)科”建設(shè)中化學(xué)專業(yè)理科基地班學(xué)生的創(chuàng)新意識培養(yǎng)方面具有舉足輕重的作用。因此，元素化學(xué)課堂教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該遵循以下原則[2]：一是“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”，利用分子結(jié)構(gòu)解釋單質(zhì)和化合物的物理與化學(xué)性質(zhì)；二是“性質(zhì)決定應(yīng)用”，講授與元素化學(xué)相關(guān)最新基礎(chǔ)科學(xué)研究和應(yīng)用方面的進(jìn)展，吸引學(xué)生的課堂注意力；三是“課堂知識與實踐結(jié)合”，聽課討論和安排學(xué)生進(jìn)入實驗室，開展電極材料制備和電池組裝，培養(yǎng)科研興趣和創(chuàng)新意識。同時，采用課堂講授與科研實踐相結(jié)合方式，使學(xué)生對元素性質(zhì)及其應(yīng)用有著更深層的認(rèn)識，也體現(xiàn)出元素化學(xué)對社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要性。以下具體說明“堿金屬的結(jié)構(gòu)與性能及其在鋰離子電池中的應(yīng)用”(2學(xué)時)的教學(xué)內(nèi)容組織與實施方式。

2 課堂教學(xué)的內(nèi)容組織與實施方式

2.1 課堂教學(xué)引導(dǎo)

教學(xué)過程從我們每個人日常生活中高度依賴的手機開始，引導(dǎo)學(xué)生對手機不斷輕量化過程的認(rèn)識，并指出手機輕量化的最大貢獻(xiàn)是手機電源——鋰離子電池的更新?lián)Q代。同時，展示實驗室鋰離子電池樣品和播放彩色動畫課件展示其工作原理，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識鋰離子在能量存儲過程中扮演的角色和電化學(xué)反應(yīng)過程，并詳細(xì)地說明鋰離子電池的構(gòu)成成分及其作用。進(jìn)一步，結(jié)合中學(xué)化學(xué)課程中所涉及的原電池方面的知識，介紹電化學(xué)發(fā)展歷史[3]以及未來鋰離子電池的發(fā)展方向[4]和我國新能源發(fā)展戰(zhàn)略，從而切入本課程的教學(xué)內(nèi)容。

2.1.1 堿金屬元素的結(jié)構(gòu)與性能

堿金屬在元素周期表中位于IA，包括鋰、鈉、鉀、銣、銫、鈁六種金屬元素，其最外層電子排布為ns1，與堿土金屬元素構(gòu)成周期表s區(qū)。堿金屬元素的原子很容易失去一個電子而呈+1氧化態(tài)，具有很強的活潑性，在自然界中難以以單質(zhì)的形式存在。同時，堿金屬元素具有很大的第二電離能，不會表現(xiàn)出其他氧化態(tài)。實際上，堿金屬的性質(zhì)都是由其結(jié)構(gòu)決定的。

堿金屬原子只有一個價電子且原子半徑較大，金屬鍵弱，導(dǎo)致其熔沸點低。堿金屬是活潑的金屬元素，能夠直接或者間接與電負(fù)性較高的非金屬元素如鹵素、硫、氧、磷、氮和氫等形成相應(yīng)的化合物。其中，除了鋰的某些化合物具有較為明顯的共價性質(zhì)外，其他的堿金屬化合物則具有離子鍵的性質(zhì)。堿金屬的化學(xué)活潑程度還可以從它們與H2O作用中可以看出，其中鈉與H2O反應(yīng)猛烈，K、Rb和Cs遇H2O就發(fā)生燃燒，Li與H2O反應(yīng)則比較緩慢。實際上，這些性質(zhì)對其實際應(yīng)用有著重大的影響，也就是“性質(zhì)決定應(yīng)用”。

2.1.2 堿金屬氧化物和氫氧化物的結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)

堿金屬與氧所形成的氧化物，包括氧化物M2O、過氧化物M2O2、超氧化物MO2和臭氧化物。氧化物的熱穩(wěn)定性從Li到Cs逐漸降低，除Li2O外，其余堿金屬氧化物需要在缺氧的環(huán)境中嚴(yán)格控制條件才能獲得。堿金屬都能夠生成含[O―O]2?離子的過氧化物，可被看成過氧化氫(H―O―O―H)的鹽，但純凈堿金屬過氧化物一般很難通過直接氧化堿金屬而得到。K、Rb、Cs在過量的氧氣中燃燒均可產(chǎn)生超氧化物，而制備NaO2須在450 °C溫度和15 MPa應(yīng)力下通過Na與氧氣反應(yīng)獲得。Na、K、Rb、Cs的臭氧化物可以利用它們相應(yīng)的固態(tài)氫氧化物與臭氧反應(yīng)獲得，但是與H2O劇烈反應(yīng)，生產(chǎn)氫氧化物，如式(1)所示：

堿金屬的氫氧化物是易溶于水的白色固態(tài)物，其堿性強弱可以由金屬陽離子的離子勢φ值的大小來確定，φ為離子的電荷數(shù)Z與離子半徑r之比，如式(2)所示：

由于堿金屬氫氧化物的φ值均小于0.22，發(fā)生堿式解離(M―O―H → M++ OH?)，容易呈堿性[5]，這也是其結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)。

2.2 組織學(xué)生討論堿金屬及其應(yīng)用

2.2.1 鋰離子電池的基礎(chǔ)知識

隨著新能源汽車普及和風(fēng)光儲能電站建設(shè)，作為儲能器件的鋰離子電池在我國能源體系中發(fā)揮著越來越重要的作用。授課教師利用課件介紹鋰離子電池的工作原理、發(fā)展過程以及2019年三位諾貝爾化學(xué)獎獲得者對鋰電池的貢獻(xiàn)。尤其是，結(jié)合中學(xué)化學(xué)課本涉及到的原電池等方面的知識，講解鋰離子電池的工作原理和電化學(xué)反應(yīng)過程(如圖1和式(3)–式(5)所示)以及它們之間的差異。

圖1 鋰離子電池工作原理示意圖[4]

充電時，受到外電場的驅(qū)動，電池內(nèi)部形成Li+的濃度梯度，Li+從LiCoO2的晶格中脫出，進(jìn)入電解液后擴(kuò)散到負(fù)極，到達(dá)負(fù)極的Li+嵌入到石墨的層間中，嵌入的Li+越多，充電容量就越高，而電子沿著外電路從正極側(cè)向負(fù)極移動。放電時，嵌在石墨層間的Li+脫出，進(jìn)入電解液后擴(kuò)散到LiCoO2正極并嵌入晶格中，電子沿著外電路從負(fù)極側(cè)向正極移動。由于Li+在正負(fù)極之間來回運動，鋰離子電池又被稱為“搖椅電池”。在鋰離子電池中，正極和負(fù)極材料是關(guān)鍵組成成分，它們的比容量決定了器件的能量密度和功率密度，而電極材料的理論比容量可以根據(jù)式(6)計算[6]：

式(6)中，n為每摩爾電極材料在氧化或還原反應(yīng)中轉(zhuǎn)移電子的量，F(xiàn)為法拉第常數(shù)(F= 96485 C·mol?1)，nF為轉(zhuǎn)移總電荷量，M是電極材料的摩爾質(zhì)量(g·mol?1)。

很顯然，鋰離子電池的電極材料選擇是非常重要的，因其本身固有特性決定了器件的性能，也就是“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”。另一方面，堿金屬元素也是鋰離子電池中電解液的重要組成成分如六氟化磷鋰、四氟硼酸鋰、高氯酸鋰等。電解液被稱為鋰電池的“血液”，在正負(fù)極之間起到傳導(dǎo)電子的作用，其性質(zhì)顯著地影響器件的能量密度和實際應(yīng)用。

2018年我國鋰離子電池的全球市場份額就突破了60%，占據(jù)世界第一。隨著我國新能源汽車銷量增長和儲能電站建設(shè)的擴(kuò)大，對鋰離子電池的需求保持旺盛勢頭，導(dǎo)致鋰價格的飛漲。由于我國鋰資源短缺，尋找替代堿金屬鋰是十分緊迫的。近年來，鈉離子和鉀離子電池的研究進(jìn)展十分迅速，也取得了一系列成果[7,8]。雖然它們的工作原理與鋰離子電池相似，但是，較大離子半徑的鈉/鉀離子在電極材料中脫嵌困難，而原子質(zhì)量大也導(dǎo)致理論容量低，從而影響器件的能量密度，這實際上反映出“性質(zhì)決定應(yīng)用”。在此，安排學(xué)生查閱相關(guān)文獻(xiàn)，了解國內(nèi)外有關(guān)鋰離子電池研究與產(chǎn)業(yè)的最新進(jìn)展，為下一步進(jìn)入實驗室實習(xí)作必要的準(zhǔn)備。

2.2.2 鋰離子電池的實驗與討論

在課堂介紹鋰離子電池基礎(chǔ)知識的基礎(chǔ)上，通過演示和拆解鋰電池樣品，讓學(xué)生近距離地了解元素化學(xué)與鋰離子電池組成及其性能的關(guān)系，并引導(dǎo)學(xué)生圍繞著元素化學(xué)“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”和“性質(zhì)決定應(yīng)用”而展開師生之間和同學(xué)之間的討論，加深對元素性質(zhì)的理解。在此，教師可以順勢引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注鋰離子電池領(lǐng)域的科技前沿問題。特別需要強調(diào)的是，盡管我國在鋰離子電池產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)了從跟蹤到引領(lǐng)，但是并沒有擁有鋰電池關(guān)鍵材料的核心專利和原創(chuàng)技術(shù)。在此，教師借此機會介紹本學(xué)院在鋰離子電池領(lǐng)域的研究進(jìn)展以及國內(nèi)大型鋰電池企業(yè)及其產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展?fàn)顩r[9,10]。同時，安排學(xué)生課余時間進(jìn)入實驗室，開展電極材料的制備、電池組裝和電化學(xué)性能測試，充分理解元素化學(xué)的重要性，實現(xiàn)課堂知識與實際應(yīng)用的銜接。最后，教師應(yīng)該指出鋰離子電池的能量密度是目前制約新能源汽車發(fā)展的瓶頸和研制新型高性能電極材料的重要性，激發(fā)學(xué)生報考研究生和從事新能源相關(guān)領(lǐng)域研究的熱情，期望他們掌握元素化學(xué)的基礎(chǔ)知識，擺脫無機化學(xué)教材中的理論束縛，潛心于探索和挑戰(zhàn)，獲得顛覆性的重大原創(chuàng)性成果。

2.2.3 教學(xué)效果

據(jù)統(tǒng)計，第一學(xué)年內(nèi)超過一半學(xué)生利用周末時間分批進(jìn)入實驗室，并在研究生和教師的指導(dǎo)下開展電極材料制備、電池組裝和性能測試，詳細(xì)了解鋰電池的研制過程。同時，他們帶著課堂上學(xué)到的元素化學(xué)基礎(chǔ)知識，與研究生和教師討論元素性質(zhì)與其電化學(xué)性能的關(guān)系。第二學(xué)年2組6個聽課學(xué)生申請了SRTP本科生科研訓(xùn)練項目，第三學(xué)年又有1組3名學(xué)生申請，他們懷著對科研的興趣和對化學(xué)的熱愛，利用課余時間開展為期一年有關(guān)鋰電池材料與器件方面的研究，并完成結(jié)題。第四學(xué)年5名學(xué)生進(jìn)入實驗室完成有關(guān)鋰電池研究方面的畢業(yè)實習(xí)和畢業(yè)論文，并參與學(xué)術(shù)論文發(fā)表。另一方面，筆者多年來一直在講授元素化學(xué)時融入電化學(xué)知識，也間接地激發(fā)學(xué)生報考電化學(xué)專業(yè)研究生的熱情，報考廈門大學(xué)能源化學(xué)專業(yè)和本校新能源材料專業(yè)的人數(shù)均超過10名，并且部分畢業(yè)生成功地應(yīng)聘國內(nèi)大型鋰電池企業(yè)如寧德時代、廈門鎢業(yè)等公司的相關(guān)崗位，使他們有機會利用所掌握的元素化學(xué)基礎(chǔ)知識在學(xué)習(xí)和工作中發(fā)揮作用。

3 結(jié)語

元素化學(xué)作為無機化學(xué)的一個重要組成部分，在無機化學(xué)課程教學(xué)中必須加以重視。在課堂教學(xué)過程中，首先從中學(xué)教材中已學(xué)過的原子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)、原電池等入手，以便學(xué)生容易理解結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的構(gòu)效關(guān)系；其次，授課教師介紹相關(guān)元素的發(fā)展歷程和科學(xué)研究最新進(jìn)展，讓學(xué)生能夠深刻理解和掌握元素和化合物性質(zhì)及其應(yīng)用；最后，教師應(yīng)因勢利導(dǎo)，從國家發(fā)展戰(zhàn)略高度說明我國鋰電池領(lǐng)域發(fā)展現(xiàn)狀和面臨的挑戰(zhàn)，并強調(diào)重大原創(chuàng)性成果的重要性，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注國家和地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展的戰(zhàn)略需求，激發(fā)他們探索科學(xué)的熱情，啟發(fā)他們的創(chuàng)新意識和投身化學(xué)領(lǐng)域研究的決心。這樣將有助于發(fā)揮化學(xué)基礎(chǔ)課程無機化學(xué)教學(xué)對化學(xué)類創(chuàng)新人才培養(yǎng)的作用，實現(xiàn)化學(xué)“一流學(xué)科”建設(shè)目標(biāo)，提高我國基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域的原始創(chuàng)新能力。