基于能量轉換與存儲的新能源材料與器件專業實驗課程設置

朱國斌， 趙 亮， 袁海泉， 鄭洪河

(蘇州大學 物理與光電 能源學部， 江蘇 蘇州 215006)

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基于能量轉換與存儲的新能源材料與器件專業實驗課程設置

朱國斌， 趙 亮， 袁海泉， 鄭洪河

(蘇州大學 物理與光電 能源學部， 江蘇 蘇州 215006)

結合國家能源戰略需求下新能源材料與器件專業的建設背景和特點，依據蘇州大學能源學院現有的資源和特色，提出了基于能量轉換和能量存儲為主的實驗教學體系建設思路，對新能源材料與器件專業的實驗課程體系和專業實驗內容設計等方面進行了深入探討。

新能源材料與器件專業； 能量轉換與存儲； 實驗課程

新能源材料與器件專業是2010年教育部為支撐國家新能源、新材料等戰略性新興產業的發展需要設置的新專業，全國共有15所高校獲準設立該新專業。目前新能源材料與器件專業相關的實驗課程建設正處于起步階段，實驗課程的體系與結構正處于探索之中。如何科學地設置新能源材料與器件專業的實驗課程已成為一個研究課題，相關文獻已經對該專業的實驗課程建設做了一些討論[1-4]。本文結合蘇州大學新能源材料與器件專業建設過程中的實際情況，圍繞新能源材料與器件專業實驗課程的設置與全國相關專業的同行共同探討。

1 實驗課程體系設置

蘇州大學能源學院依托物理學、材料科學與工程、化學工程與技術3個一級學科，在光伏材料、儲能材料等新能源材料方面的相關研究和開發已初具規模。依托國家級物理實驗教學示范中心、江蘇省新能源材料與器件實驗教學中心、江蘇省薄膜材料重點實驗室和江蘇省鋰離子電池重點實驗室，進行新能源材料與器件專業的實驗課程體系建設，并制訂了具有特色的實驗課程教學體系，包括基礎實驗、專業基礎實驗、專業實驗和專業綜合實驗。

1.1 基礎實驗

新能源產業需要新能源材料的制備、能源的轉換與存儲、能源器件的設計與制造、能源工程的開發和管理等方面專門人才，他們不僅需要具備新能源方面的知識，更重要的是掌握物理、化學、材料等知識在新能源材料領域的應用。因此，新能源材料與器件專業更強調與材料科學相關的物理、化學基礎，學生需要接受嚴格和堅實的基礎實驗技能訓練[5-8]。我們將新能源材料與器件專業的基礎實驗設置為普通物理實驗、普通化學實驗、無機化學實驗和物理化學實驗。

1.2 專業基礎實驗

在開設了物理化學實驗的基礎上，我們選擇電化學實驗作為專業基礎實驗之一，因為電化學是能量儲存重要分支化學電源(鋰電池，超級電容器和燃料電池)的基礎，而且應用電化學原理發展起來的各種電化學分析法已成為新能源學科不可缺少的手段[9-10]。

根據新能源材料與器件專業的研究需要，我們還開設以材料制備研究、材料性能分析和器件組裝測試為主線的實驗系列，幫助學生理解常用的新能源材料制備方法、性能表征測試方法的原理，熟悉常用的實驗儀器及其使用方法，為后續專業實驗以及科學研究打好實驗基礎。我們將新能源材料與器件專業的專業基礎實驗設置為電化學實驗、儲能材料制備實驗、材料分析測試方法和電源工藝實驗。

1.3 專業實驗

專業實驗主要是在專業基礎實驗的基礎上，使學生對部分新能源材料的制備、表征以及器件的組裝和性能測試有初步的了解和認識，形成材料研究的意識和具備初步參與材料與器件研究的能力。我們是在兼顧能量轉換與儲存、材料與器件的基礎上，根據現有師資隊伍的研究方向和內容選定的。蘇州大學能源學院目前主要的研究方向集中在能量轉換(包括了太陽能光伏技術和燃料電池技術)和存儲(包括了鋰離子電池技術和超級電容器技術)方面。專業實驗包括了燃料電池實驗、半導體光伏實驗、鋰離子電池實驗和超級電容器實驗。

1.4 專業綜合實驗

專業綜合性實驗從原料制備到器件組裝、再到最后性能測試，構成了完整的制備與表征體系，可使學生對新能源材料和器件有感性認識。實驗方案利于學生操作，學生可針對實驗內容的某一部分設計自己的方案，并在實驗平臺上進行驗證，既鍛煉了學生的動手能力，培養了學生的創新精神，又拓寬學生的學習空間，激發學生發散性思維，培養團隊協作精神。新能源材料與器件專業的綜合實驗設置為能量轉換器件組裝與性能測試實驗、儲能材料與器件及其性能測試實驗。

在能量轉換方向，能量轉換器件組裝與性能測試實驗包括了有機薄膜和染料敏化太陽能電池制備及性能測試、有機電致發光材料制備及其典型器件光電性能測試、富勒烯在光電體系中的應用實驗、燃料電池用催化劑制備及性能測試。通過以上綜合實驗教學使學生掌握目前廣泛研究和應用的光電轉換電池(如太陽能電池)的工作原理、制備及測量方法。

在能量存儲方向，儲能材料與器件及性能測試實驗包括鋰離子電池正極材料制備、結構與性能表征，電極制備與表征，電池組裝過程與工藝及電化學性能和安全性測試，以及鋰離子電池系列和超級電容器相關的正、負材料的合成、器件組裝以及器件的整體存儲性能測試，通過以上綜合實驗教學使學生掌握目前廣泛研究和應用的高性能化學電源(如鋰離子電池)的工作原理、制備及測量方法。

綜上所述，我們設置的新能源材料與器件專業實驗課程體系如圖1所示。

圖1 新能源材料與器件專業實驗課程體系

2 專業實驗內容設置原則

新能源材料與器件專業實驗涉及方向較多，包括了物理、化學、材料等學科。在實驗課程確定基礎上，可選實驗內容很多，為了選擇合適的實驗項目，我們確定了新能源材料與器件專業實驗內容設置的幾個原則。

2.1 基礎性原則

實驗技能的發展是連續的，基本技能的形成依賴于基礎實驗的開設，本專業的基本實驗技能包括物理、化學和材料實驗技能。在專業實驗中，也應該重視基礎實驗的作用，在專業實驗內容選擇中，我們遵循了基礎性原則[11-12]。例如半導體光伏實驗主要是圍繞半導體物理等專業基礎課開設的實驗，使學生能得到嚴格的物理和材料專業基本實驗技能和動手能力的訓練，熟悉基本的半導體材料測試方法，為后續物理電源相關實驗打好專業實驗基礎。因此選擇了以光伏電池、薄膜材料以及納米材料技術等基礎實驗，使學生了解和接觸目前硅太陽能電池中硅片表面結構處理的工藝，掌握目前物理電源如硅基太陽能電池的工作原理及基本測試方法。

2.2 代表性原則

實驗教學時間有限，而相關實驗內容龐雜，因此實驗項目的選擇不可能做到面面俱到，我們盡可能選取實驗課程中具有代表性的內容，從而實現舉一反三，觸類旁通。由于不同實驗內容可以訓練學生的同一種實驗技能，因此，從實驗技能形成與發展的角度，選擇代表性的實驗也具有重要意義[13]。例如電化學實驗有很多種實驗方法，應用電化學原理發展起來的各種電化學分析法是實驗室分析測試的重要手段，但是電化學實驗課程中不可能讓學生學習所有的電化學實驗方法，為了讓學生掌握典型的電化學分析方法，我們選擇了循環伏安法、交流阻抗法、恒流暫態法和旋轉圓盤電極等具有代表性的實驗項目。儲能材料制備實驗我們選擇了代表性的實驗項目：固相法、溶膠凝膠法、水熱法、共沉淀法和電化學法。

2.3 可行性原則

目前本專業不同院校開設的實驗項目差異較大，其原因在于不同院校研究方向存在差異，而大型實驗儀器設備滿足不同研究方向的需求，實驗課程的開設必須以學校現有的相關儀器設備能夠開展相關實驗為前提，學生實驗項目的選擇要考慮到可行性原則[14]。例如材料分析測試方法是著重培養學生掌握現代分析測試技術的一門實驗課程，在眾多的分析測試方法中，如何選擇合適的實驗項目，就要根據學校現有的分析測試設備來確定，因為這些分析測試設備價格比較昂貴，單獨為了學生實驗教學購買不合實際。我們利用蘇州大學能源學院現有的分析測試儀器確定了材料分析測試方法，實驗課程包括了熱分析中的熱重和差熱技術，光譜分析中的紅外技術、熒光技術和等離子體發射光譜技術，物理測試技術中的多晶X射線衍射分析技術、掃描電鏡分析技術、比表面分析技術、激光粒度技術和原子力顯微鏡技術。

2.4 實用性原則

所選實驗項目要有科研、生產的實際背景和較好的應用價值，這樣學生從實驗過程中不僅能體會到理論與實踐之間的相互作用，而且還能從結果的實際意義中看到實驗的價值。專業基礎實驗實驗內容的選擇應該為專業實驗服務，例如電源工藝實驗中物理化學電源的種類較多，我們重點選擇了鋰離子扣式和袋式電池的電極制備，器件組裝等實驗項目。因為這可為學生后續開展專業實驗鋰離子電池實驗做準備，也對學生就業后進入相關企業參與研發和生產有較好的指導意義。

2.5 發展性原則

發展性原則是指根據學科發展動態、結合教師科研工作，選擇科學前沿熱點問題相關的實驗內容。對于專業綜合實驗內容的選擇，需要密切結合學科最新的發展和學院教師的科研最新進展，例如選擇了鋰離子電池的高電壓正極材料、硅基負極材料和新型粘結劑作為實驗項目，就是因為高電壓正極材料、硅基負極材料的研發是高能量，高功率鋰離子電池發展的方向之一。而有機薄膜太陽能電池，染料敏化電池也是最近發展較為迅猛的非晶硅太陽能電池的代表，學生通過綜合實驗查閱相關文獻，了解染料敏化太陽能電池的光電轉換機理，再通過納米多孔膜電極的制備多孔膜電極吸附染料、鉑對電極的制備、電解液的配制以及電池的組裝，對電池的性能進行檢測的實驗流程，讓學生對染料敏化太陽能電池的構造有了感性的認識，對太陽能電池的主要性能指標參數有了更深的理解

3 新能源材料與器件專業實驗內容

綜上所述，我們設置的新能源材料與器件專業實驗內容如表1所示。

4 實驗教學實施存在的問題及建議

經過4年專業建設，我們發現在實驗教學實施中也存在著一些問題：

(1) 教師各學科知識割裂，思維缺乏整體性。教師在實驗教學過程中不能很好地將物理、化學和材料等學科的實驗課程實現成功的融合，因此在實驗教學中學生不能很好地將各課程的知識融會貫通，導致學生做實驗目的單一，缺乏系統性和整體性。這就需要教師心中有完整的實驗課程體系，體現實驗課程的相互兼顧和配合。

(2) 實驗教材需要進一步開發。因為不少實驗都是新開設的，缺少合適的配套教材，現在使用的都是自編講義。因此編制高質量的實驗教材，對提高本專業實驗課程的教學質量、培養具有創新精神和創新能力的高素質人才，具有重要意義[15]。

表1 新能源材料與器件專業實驗內容

表1(續)

(3) 專職實驗教師隊伍建設亟待加強。新能源材料與器件專業的物理、化學和材料的學科交叉滲透特點，對教師的實驗能力提出了更高的要求，指導教師的技能水平直接影響著培養學生的質量，因而，學校應根據新能源實驗教學特點及要求，多方位多渠道優化教師結構組合，加強專職實驗教師隊伍建設。

5 結束語

為了培養出國家和地方急需的新能源材料與器件專業技術人才，實現本專業人才培養目標，全面提高教學質量，蘇州大學將根據該專業特點，圍繞學校發展定位和地域特色確定專業培養目標，進一步探索新能源材料與器件專業的實驗體系建設，加強學生科研能力和專業實驗技能訓練，培養學生的獨立思考能力和創新能力，提高畢業生的綜合素質，為解決國內高校開設新能源材料專業所面臨的暫無經驗借鑒的現狀，提出一種可參考的實驗教學模式。

References)

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Set-up of experimental curriculum of New Energy Materials and Devices major based on energy conversion and storage

Zhu Guobin, Zhao Liang, Yuan Haiquan, Zheng Honghe

(College of Physics,Optoelectronics and Energy,Soochow University,Suzhou 215006, China)

Combining the construction background and features of New Energy Materials and Devices major under national energy strategy needs,according to the existing resources and features of Energy College of Suzhou University, based on the energy conversion and energy storage-based experimental teaching system, this paper puts forward the construction ideas, and the new energy materials and devices professional experimental curriculum system design and professional content and other aspects of the experiment are discussed in depth.

new energy materials and devices; energy conversion and storage; experimental courses

2014- 07- 25 修改日期：2014- 08- 27

江蘇省實驗教學與實踐教育中心建設項目“新能源材料與器件實驗教學中心”

朱國斌(1989—)，男，江蘇東臺，碩士，助理實驗師，從事儲能材料研究與實驗室管理工作.

E-mail：gbzhu@suda.edu.cn

G423.07

A

1002-4956(2015)2- 0204- 04