淺談《新能源材料與器件》本科課程的學習

劉 霄，盧 海，王金磊

（西安科技大學 材料科學與工程學院 陜西 西安 710054）

根據《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》，2020年可再生能源總量比重將提高到15%，2035年到2040年，可再生能源將占到我國一次能源總量的25%以上。新能源是相對于傳統的化石能源來說的，以化石能源為主的能源消費模式已經難以滿足可持續發展的要求,改善能源消費結構、減少對化石能源的依賴勢在必行。在此背景下,發展環境友好、地域分布相對均衡且潛力無限的新能源成為各國共識。而新能源材料是發展新能源的核心和基礎，發展方向是開發綠色二次電池、氫能、燃料電池、太陽能電池和核能的關鍵材料。我國在高性能鋰電池材料方面取得重大進展，特別是鋰電池動力電池的發展創造了有利條件，成為世界第二生產大國。基于市場和政策的有利形勢，《新能源材料與器件》課程是符合社會發展需求的必然，如何選取課的內容，生動地講好這門課，激發學生的學習興趣和提升學生從事行業的基礎與能力非常重要。在講授經典知識點時將理論教學可視化，與科研相結合，以期增強學生學習的主觀能動性，提高深入能力。

新能源材料與器件從內容上來說覆蓋面是非常寬的，所有與新能源相關的材料選擇和性能優化都屬于新能源范疇。能量轉化、能量儲能甚至節能材料都算是新能源材料，而新能源包含范圍也是非常廣的，從二次電池、太陽能、燃料電池、核能、氫能、風能、潮汐能和生物能等等。所以一門課程要覆蓋所有新能源方面，如果僅限于科普性的話對于學生沒有多大的提升，應該根據專業有針對性的取舍。現在大部分書籍都是試圖涵蓋所有內容，而較為專業的書籍講的又比較深，不適合本科生學習。基于此，我們需要避免簡而全的同時，也要和研究生課程做出區別，以保證學生具備從事相關企業和研究所在工程應用和科學研究方面的能力。新能源材料從內容上覆蓋物理、化學、材料到機械、電子等學科，所以根據學科要求需要達到不同的培養目的。以無機非金屬專業為例，鑒于電池表現出相當可期的市場前景和利好政策，畢業生在新能源行業有著較為理想的發展空間。同時結合無機非金屬的專業配置，學生已經掌握了無機非金屬基礎、工藝及材料的表征及結構分析等課程，而電池的多數材料屬于無機非金屬材料，和傳統的無機非金屬材料比如陶瓷、水泥和玻璃等有著非常相似的地方，比如工藝。拋開傳統的就業，無機非專業在新能源電池材料平臺上也展現出獨有的優勢，所以可以以電池為導向，從二次電池、燃料電池和超級電容。這些能源器件的陽極和陰極材料中大部分是屬于無機非金屬材料，它們中有著很多的共同點，結合起來學習有助于學生理解和區分。

以電池為主線，涵蓋二次電池、燃料電池和超級電容的《新能源材料與器件》課程是一門綜合性較強的技術課程。不僅包括了電池的原理、應用及器件，并且對于電池的制備和材料的選擇、改性有著一定的掌握，另外應對國內外的發展和相關企業情況有著初步的了解。對于二次鋰離子電池而言，其原理主要依靠Li+在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌來工作。隨著能源汽車等下游產業不斷發展，鋰離子電池的生產規模正在不斷擴大。而對于燃料電池而言，其原理依靠一種將燃料與氧化劑的化學能通過電化學反應直接轉換成電能的發電裝置，氫燃料電池也是新能源汽車重要的分支。一個是儲存釋放電能，一個是化學能轉化電能。其中有的概念比較抽象，理解起來需要一定的基礎和想象力，達到真正的融會貫通和具備實踐的能力往往很難。針對此，可視化和動畫展示是不可或缺的，不再依賴于文字的描述，可以通過視頻動畫把微觀世界生動地展現出來。比如：鋰離子電池的充放電，充電時Li+在電解質中是怎么樣遷移并發生電極反應，俘獲電路中提供的電子？燃料電池中氫氣在陽極發生怎樣的氧化還原反應及不同離子或電子的傳導軌跡？只有對整個原理非常清楚并融會貫通，后面才能熟練掌握并理解電池間的共同點和差異之處。通過形象的展示加深學生的理解，這在整個后來課程中基于高性能電池選取合適的材料和工藝的運用是非常重要的。

新能源是國家戰略的重點和發展熱點，也將在未來占據重要的一席，課程必須緊密結合實時動態，不斷更新。石墨烯材料、特斯拉、三星手機電池爆炸、霧霾及各個國家電動汽車取代燃油車政策的出臺或者初稿的討論都是近年來的熱點，而這些都和新能源，更進一步講和電池能源密切相關。及時的把這些東西補充到課堂中更有利于激發學生的興趣，拉近專業與實際的距離。把一些社會活動或者科技前沿通過課堂和學生討論，用專業的知識去討論理解，加強學生的主體和主觀能動性。作為補充，輔助性的實驗是不可或缺的。在工藝、原理和材料的理解基礎上，進行二次電池的裝配實驗，讓學以致用，在理論上和實踐層面上互為補充，加深理解和記憶。《新能源材料與器件》課程是兼備實踐和科學性的，在學習的時候要同時注重理論與實踐，而且這門課和研究是分不開的。從課本圖文到動畫展示、實驗、再到高校企業共建平臺實踐的路線，同時結合老師的科研探索，加強學生的專業能力培養。學習時更得有條理，有面有點，能總結宏觀也能落到細節。不同的能源之間具備一定的相似性，可以抓住一條主線，加強理解。比如從能量密度和功率密度出發，把二次電池、燃料電池、超級電容很好的串聯起來，提煉共性，把握差異，這樣在材料的運用和理解上會更進一步。同時學生結合自身興趣點或者熱點進行選題研究，促進收集資料和總結匯報的能力。過程中也能夠加深對所學知識的理解，提高自學和團隊協作能力。