孫宏陽 邱振平 曾慶光 張業(yè)龍

（五邑大學(xué)應(yīng)用物理與材料學(xué)院 廣東·江門 529020）

“新能源材料與器件”專業(yè)是教育部為促進(jìn)新能源、新材料、新能源存儲(chǔ)器件等國家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展而批準(zhǔn)成立的重要專業(yè)之一?！靶履茉床牧吓c器件導(dǎo)論”是新能源材料與器件專業(yè)的一門基礎(chǔ)性綜合課程，與專業(yè)知識(shí)體系的其他課程聯(lián)系密切，具有很強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性。因此，將該課程與弘揚(yáng)科學(xué)精神和思想政治教育相結(jié)合，不僅可以提升學(xué)生對(duì)科學(xué)家精神的價(jià)值認(rèn)同，讓學(xué)生自覺養(yǎng)成科學(xué)思維，同時(shí)可以激發(fā)同學(xué)的能源危機(jī)意識(shí)并增強(qiáng)其創(chuàng)新意識(shí)和使命責(zé)任感，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生熱愛本專業(yè)，學(xué)好專業(yè)知識(shí)，回報(bào)社會(huì)的愛國主義精神。本文以鉀離子電池這一部分內(nèi)容為例，論述如何在“新能源材料與器件導(dǎo)論”課程教學(xué)中將科學(xué)精神與思政教育有機(jī)統(tǒng)一。

1 課程安排及課程思政

1.1 理論教學(xué)與課程思政

鉀離子電池理論部分主要分為研究背景、組成原理兩部分，現(xiàn)分別從上述部分進(jìn)行案例講解并挖掘思政元素。

（1）研究背景。隨著工業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷深入，傳統(tǒng)化石能源在使用過程導(dǎo)致的環(huán)境問題和能源短缺問題日益突出。為滿足可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，人們迫切需要發(fā)展綠色可再生能源（太陽能、風(fēng)能、潮汐能等），但可再生能源往往并不穩(wěn)定，受外界環(huán)境影響較大，比如太陽能受日照時(shí)間及強(qiáng)度的影響，風(fēng)能與潮汐能受季節(jié)影響較大。為了將這些間歇性波動(dòng)的能源收集起來，就需要將其轉(zhuǎn)化為更穩(wěn)定的電能進(jìn)行存儲(chǔ)，這就對(duì)電化學(xué)儲(chǔ)能器件提出了更高的要求。在諸多儲(chǔ)能器件中，鋰離子電池由于其重量輕、能量密度高、缺乏記憶效應(yīng)和環(huán)境友好性，在過去幾十年里一直在便攜式電子設(shè)備、電動(dòng)汽車和智能電網(wǎng)領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。然而，由于鋰礦資源的稀缺性和分布不均勻性，導(dǎo)致成本難以下降，儲(chǔ)能市場迫切需要開發(fā)新一代低成本儲(chǔ)能裝置。鉀（K）與鋰（Li）處在同一主族，具有相似的物理化學(xué)性質(zhì)，故鋰離子電池的理論基礎(chǔ)可以很好的移植到鉀離子電池體系中。并且鉀的還原電勢（-2.93 V）相較于鈉（-2.71 V）更接近于鋰（-3.04 V），這意味著鉀離子電池具有較高的能量密度。除此之外，鉀礦資源還具有儲(chǔ)量多、成本低（碳酸鉀價(jià)格僅為7000 元/噸）、分布廣等優(yōu)勢。故探索鉀離子電池這一極具應(yīng)用潛力的方向，對(duì)于今后電池行業(yè)的發(fā)展具有十分重要的意義。

引入課程思政：鉀離子電池原料具有成本低廉及來源廣泛的優(yōu)點(diǎn)，本應(yīng)引起科研人員的重視，然而，在過去近百年的時(shí)間內(nèi)，人們一直認(rèn)為金屬鉀不能與石墨等碳材料組成電池，直到美國俄勒岡州立大學(xué)David 教授對(duì)此提出質(zhì)疑。在一次采訪中，他指出：“這個(gè)假設(shè)是錯(cuò)誤的，遺憾的是沒有人對(duì)此提出異議。鉀與鋰的物化性質(zhì)相近，基于現(xiàn)有的鋰離子電池體系，組裝鉀離子電池在理論上是可行的”。為此，David 教授及他的團(tuán)隊(duì)在經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)探索，嘗試了多種實(shí)驗(yàn)條件，最終成功組裝出可循環(huán)的鉀離子電池。此后，鉀離子電池開始引起研究人員的廣泛關(guān)注。鉀離子電池的成功制備，為大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域提供了新的方向，體現(xiàn)了科學(xué)家求真務(wù)實(shí)的科學(xué)精神。國家強(qiáng)大靠科技，科技強(qiáng)盛靠人才?？茖W(xué)事業(yè)的未來屬于新時(shí)代的年輕人，當(dāng)代大學(xué)生應(yīng)當(dāng)養(yǎng)成獨(dú)立思考的理性思維方式，學(xué)習(xí)科學(xué)家不盲從權(quán)威，理性質(zhì)疑，嚴(yán)謹(jǐn)論證的科研態(tài)度，為中國科技的發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

（2）組成原理。鉀離子電池主要由正負(fù)極、隔膜、電解液四部分組成。其工作機(jī)制與鋰離子電池類似，以普魯士藍(lán)為正極，石墨為負(fù)極組裝而成的全電池為例，其充放電原理可以表示為：

正極反應(yīng)：KFe[Fe(CN)6] K1-xFe[Fe(CN)6]+xK++xe-

負(fù)極反應(yīng)：8C+xK+KC8

電池總反應(yīng)：KFe[Fe(CN)6]+8C K1-xFe[Fe(CN)6]+KC8

鉀離子電池在充電時(shí)，K+從正極材料（普魯士藍(lán)）脫出，進(jìn)入電解液，在電場作用下嵌入負(fù)極材料（石墨）中，為了達(dá)到電荷平衡，電子同時(shí)通過外電路遷移至負(fù)極；放電時(shí)，K+從負(fù)極材料（石墨）脫出，隨后在濃差作用下，嵌入正極（普魯士藍(lán)）材料中，同時(shí)電子通過外電路移動(dòng)到正極，如此往復(fù)循環(huán)。

引入課程思政：鉀離子電池基本原理并不復(fù)雜，而基于原理探索合適的正負(fù)極材料才是材料科學(xué)家的主要工作。以正極為例，鉀離子較大的半徑?jīng)Q定了正極材料應(yīng)當(dāng)是具有大的晶體間隙、穩(wěn)定化學(xué)性質(zhì)以及能量密度高的含鉀材料。為此，材料科學(xué)家花費(fèi)了大量時(shí)間探索并改進(jìn)正極材料。普魯士藍(lán)最早是用于油畫的藍(lán)色染料，后來人們又發(fā)現(xiàn)普魯士藍(lán)可以用來治療鉈中毒。隨后，科學(xué)家對(duì)普魯士藍(lán)進(jìn)行深入研究后發(fā)現(xiàn)其具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，晶格中的過渡金屬與亞鐵氰根排列成的剛性開放框架具有較大的間隙。德國的Eftekhari 教授在查閱資料時(shí)發(fā)現(xiàn)普魯士藍(lán)的晶體結(jié)構(gòu)非常符合鉀離子電池正極的要求，他首先嘗試將普魯士藍(lán)用作鉀離子正極材料，所得電池具有良好的電化學(xué)穩(wěn)定性。此后，研究者在對(duì)普魯士藍(lán)進(jìn)一步研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)增加普魯士藍(lán)中K+的含量可以有效提高全電池能量密度，還有研究者發(fā)現(xiàn)在普魯士藍(lán)框架中采用不同的過渡金屬可以獲得豐富的結(jié)構(gòu)體系，從而獲得更高的比容量及良好的倍率性能。以此可向同學(xué)說明，現(xiàn)代科技的進(jìn)步離不開科研工作者的辛勤奮斗，科學(xué)體系的建立及完善需要廣大科研人員的共同努力，是水滴石穿，量變到質(zhì)變的過程。創(chuàng)新是科學(xué)家精神的重要組成，但創(chuàng)新并非一定是劃時(shí)代的重大突破，賦予現(xiàn)有事物以新的應(yīng)用是一種創(chuàng)新，對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)也是一種創(chuàng)新。大學(xué)生是未來祖國科技的重要新生力量，肩負(fù)著祖國科技富強(qiáng)的重要使命，在此背景下，努力學(xué)習(xí)文化知識(shí)，掌握專業(yè)技能，培養(yǎng)堅(jiān)持不懈的鉆研精神，是當(dāng)代大學(xué)生成為創(chuàng)新型人才的關(guān)鍵。

1.2 實(shí)踐教學(xué)與課程思政

鉀離子電池組裝實(shí)踐。單純的理論學(xué)習(xí)往往枯燥乏味，難以引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，組織學(xué)生以小組為單位查閱合成鉀離子正極材料相關(guān)資料并進(jìn)行鉀離子全電池組裝實(shí)踐。

引入課程思政：“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”。實(shí)踐教學(xué)可以幫助學(xué)生在學(xué)習(xí)理論的過程中更加深刻地理解消化理論知識(shí)，同時(shí)培養(yǎng)其分析問題和解決問題的能力。雖然鉀離子全電池的組裝可以簡單描述為在惰性氣氛條件下，將正極殼、正極、隔膜電、解液、負(fù)極、墊片、負(fù)極殼依次組裝并在壓力機(jī)下壓制成型。然而實(shí)際操作手法會(huì)極大影響成品電池的電化學(xué)性能。為此，美國阿貢實(shí)驗(yàn)室Brandon 教授經(jīng)過反復(fù)對(duì)比測試，提出了2032 型紐扣全電池組裝和測試的標(biāo)準(zhǔn)化流程，并研究了電極面積、活性物質(zhì)質(zhì)量、正負(fù)極片中心一致性、電解液注入量等可能影響全電池性能數(shù)據(jù)的因素，以解決紐扣電池?cái)?shù)據(jù)可靠性和再現(xiàn)性問題。Brandon 教授對(duì)待實(shí)驗(yàn)的態(tài)度體現(xiàn)了科學(xué)家嚴(yán)謹(jǐn)理性的科學(xué)操守，以此可以引導(dǎo)學(xué)生尊重科學(xué)事實(shí)，恪守科學(xué)道德規(guī)范。養(yǎng)成良好的科研規(guī)范。追求真理至上，抵制學(xué)術(shù)浮躁，弘揚(yáng)科學(xué)精神，是當(dāng)代大學(xué)生成為國之棟梁的重要因素。

2 結(jié)論

本文以鉀離子電池的理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐學(xué)習(xí)為例，對(duì)新能源材料與器件導(dǎo)論中的課程思政進(jìn)行了案例研究。針對(duì)鉀離子電池理論學(xué)習(xí)中的研究背景、組成原理，通過列舉科學(xué)家在鉀離子電池體系的建立以及正極材料的研發(fā)歷程，使學(xué)生了解到科學(xué)的魅力，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考，理性質(zhì)疑的唯物主義思想，以及求實(shí)、創(chuàng)新的科學(xué)精神。針對(duì)實(shí)踐教學(xué)，以鉀離子電池正極材料制備及全電池組裝為例，結(jié)合Brandon教授在全電池組裝和測試的標(biāo)準(zhǔn)化流程的貢獻(xiàn)，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)家嚴(yán)謹(jǐn)理性的科學(xué)操守以及奉獻(xiàn)、協(xié)同的科學(xué)精神。此外，從科學(xué)進(jìn)步的曲折性上教育學(xué)生明白科學(xué)的進(jìn)步需要持之以恒的毅力，追求真理的決心。理論結(jié)合實(shí)際，用鮮活的事例將學(xué)習(xí)科學(xué)家的高尚品格、弘揚(yáng)科學(xué)精神與加強(qiáng)思政教育相結(jié)合，以達(dá)到寓教于學(xué)，寓學(xué)于踐的目的。