物理化學(xué)中電化學(xué)部分的教學(xué)思政設(shè)計(jì)
——以鋰離子電池為例

＊顏美 徐平 果崇申

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)化工與化學(xué)學(xué)院 黑龍江 150001）

全國高校思想政治工作會(huì)議強(qiáng)調(diào)，要堅(jiān)持把立德樹人作為中心環(huán)節(jié)，把思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過程，實(shí)現(xiàn)全程育人、全方位育人，努力開創(chuàng)我國高等教育事業(yè)發(fā)展新局面[1]。大學(xué)階段是一個(gè)人走向社會(huì)的過渡階段，不僅是學(xué)生學(xué)習(xí)文化知識(shí)的最后教育階段，也是學(xué)生在精神、道德、人格方面逐步定型，進(jìn)而走向社會(huì)的最后準(zhǔn)備階段。大學(xué)階段的教育目標(biāo)是促進(jìn)人在德智體美勞等方面更高質(zhì)量的全面發(fā)展。德是做人的根本，課程思政應(yīng)將德育置于課程目標(biāo)之首。其中，專業(yè)課程蘊(yùn)含豐富的思政元素，一方面，專業(yè)知識(shí)本身具有明顯的價(jià)值傾向、家國情懷等；另一方面，教師可以通過深度挖掘，在已有思政元素的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步拓展和開發(fā)[2]。

物理化學(xué)作為化學(xué)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，是在物理和化學(xué)兩大學(xué)科基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它以豐富的化學(xué)現(xiàn)象和體系為對(duì)象，大量采納物理學(xué)的理論成就與實(shí)驗(yàn)技術(shù)，探索、歸納和研究化學(xué)的基本規(guī)律和理論，構(gòu)成化學(xué)科學(xué)的理論基礎(chǔ)。學(xué)習(xí)物理化學(xué)，可以了解化學(xué)變化過程中的一些基本規(guī)律，同時(shí)加深對(duì)前期所學(xué)課程如無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)的理解，打好專業(yè)基礎(chǔ)，并可以進(jìn)一步擴(kuò)大知識(shí)面。另外，本門課程還教會(huì)學(xué)生學(xué)習(xí)前人提出問題、考慮問題和解決問題的方法，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考和獨(dú)立解題的能力。為貫徹落實(shí)教育的重要論述和全國教育大會(huì)精神，落實(shí)立德樹人根本任務(wù)，深入挖掘各類課程和教學(xué)方式中蘊(yùn)含的思想政治教育元素，現(xiàn)以鋰離子電池為例，就物理化學(xué)中電化學(xué)部分內(nèi)容的課程思政教學(xué)進(jìn)行初步的探索。

1.設(shè)計(jì)理念

電化學(xué)主要是研究電能和化學(xué)能之間的相互轉(zhuǎn)化以及轉(zhuǎn)化過程中相關(guān)規(guī)律的學(xué)科。能量的轉(zhuǎn)變需要一定的條件（即要提供一定的裝置和介質(zhì)）。例如，化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能必須通過原電池來完成，電能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能則需要借助于電解池來完成。物理化學(xué)這門課程著重于討論電化學(xué)中的一些基本原理和共同規(guī)律[3]。理論要聯(lián)系實(shí)際，并服務(wù)于實(shí)際。培養(yǎng)學(xué)生用所學(xué)理論知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。教育部關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)施意見中指出，要提升高階性和突出創(chuàng)新性：課程目標(biāo)堅(jiān)持知識(shí)、能力、素質(zhì)有機(jī)融合，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力和高級(jí)思維。課程內(nèi)容強(qiáng)調(diào)廣度和深度，突破習(xí)慣性認(rèn)知模式，培養(yǎng)學(xué)生深度分析、大膽質(zhì)疑、勇于創(chuàng)新的精神和能力；建設(shè)適應(yīng)新時(shí)代要求的一流本科課程，要求教學(xué)內(nèi)容體現(xiàn)前沿性與時(shí)代性，及時(shí)將學(xué)術(shù)研究、科技發(fā)展前沿成果引入課程[4]。2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予美國固體物理學(xué)家約翰·巴尼斯特·古迪納夫（John B Goodenough）、英國化學(xué)家斯坦利·威廷漢（Stanley Whittingham）和日本化學(xué)家吉野彰（Akira Yoshino），以表彰他們發(fā)明鋰離子電池方面做出的貢獻(xiàn)。鋰離子電池的出現(xiàn)徹底改變了能量存儲(chǔ)技術(shù)，并促成了移動(dòng)革命的實(shí)現(xiàn)，還使一個(gè)無化石燃料的世界成為可能。將鋰離子電池這一前沿成果引入課堂，既體現(xiàn)了教學(xué)內(nèi)容的前沿性與時(shí)代性，同時(shí)結(jié)合課程思政元素將原本枯燥的理論知識(shí)加以融會(huì)貫通，又可以加深對(duì)知識(shí)的理解，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力和高級(jí)思維。

2.具體案例：走進(jìn)諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)——鋰離子電池

(1)課程學(xué)習(xí)內(nèi)容

①導(dǎo)體及其分類；

②電池的結(jié)構(gòu)、陰陽極和正負(fù)極；

③電池工作原理；

④書寫電極反應(yīng)方程式；

⑤極化作用；

⑥通過鋰離子電池的充放電過程了解化學(xué)電源的二次電池。

我們?nèi)粘Ｉ钪兴褂玫闹悄苁謾C(jī)和筆記本電腦以及電動(dòng)汽車的電池就是鋰離子電池。鋰離子電池由正負(fù)極材料、隔膜和電解質(zhì)溶液組成。其中正負(fù)極材料作為電極材料屬于第一類電子導(dǎo)體，此時(shí)可以引出導(dǎo)體的定義和分類，以及第一類導(dǎo)體和第二類導(dǎo)體的不同，通常電極材料都是第一類導(dǎo)體，依靠自由電子的定向運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)電，而電解質(zhì)溶液都是第二類導(dǎo)體，依靠離子的定向遷移而導(dǎo)電。鋰電中正極材料一般為鈷酸鋰（LiCoO2）材料，負(fù)極材料為石墨或活性炭；隔膜位于正極和負(fù)極之間，主要作用是將正負(fù)極活性物質(zhì)分隔開，防止兩極因接觸而短路，一般采用高強(qiáng)度薄膜化的聚烯烴多孔膜，其含有微孔結(jié)構(gòu)，可以讓鋰離子自由通過，而電子不能通過；電解質(zhì)溶液是在有機(jī)溶劑中溶有電解質(zhì)鋰鹽的離子型導(dǎo)體，常用的鋰鹽，如六氟磷酸鋰（LiPF6）、四氟硼酸鋰（LiBF4）、高氯酸鋰（LiClO4），由于電池的工作電壓遠(yuǎn)高于水的分解電壓，因此鋰離子電池常采用有機(jī)溶劑，如乙烯碳酸酯、丙烯碳酸酯、二乙基碳酸酯等。

圖1 鋰離子電池工作原理示意圖

在電池中如何區(qū)分正負(fù)極，根據(jù)物理學(xué)中的定義，以正電荷的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)殡娏鞣较颍译娏骺偸菑碾妱?shì)高的正極流向電勢(shì)低的負(fù)極，這與電子的流向剛好相反。而《物理化學(xué)》教材中一般采用電化學(xué)中公認(rèn)的約定，把發(fā)生氧化作用的電極稱為陽極，把發(fā)生還原作用的電極稱為陰極。結(jié)合實(shí)際的鋰離子電池，要區(qū)分正負(fù)極還是陰陽極需要了解實(shí)際的電子流向，因此可以結(jié)合電池的工作原理來解釋（圖1）。鋰離子電池充電過程：鈷酸鋰電極一側(cè)有鋰離子生成，生成的鋰離子通過電解質(zhì)溶液穿過隔膜運(yùn)動(dòng)到對(duì)電極的一側(cè)，并嵌入碳層的微孔中。兩側(cè)電極反應(yīng)方程式可寫為方程式（1）和（2），電池總反應(yīng)方程式為（3）。此處涉及的知識(shí)點(diǎn)是電極反應(yīng)及電池總反應(yīng)的書寫方式。此時(shí)的電池是電解池，帶正電的鋰離子從鈷酸鋰一側(cè)運(yùn)動(dòng)到碳電極，與電流方向相同，電勢(shì)高的一側(cè)是鈷酸鋰，因此，鈷酸鋰電極為負(fù)極，碳電極應(yīng)該為負(fù)極，同時(shí)鈷酸鋰發(fā)生氧化反應(yīng)為陽極，而碳電極發(fā)生還原反應(yīng)為陰極。放電過程也就是我們使用過程的電池是原電池，與充電過程正好相反。放電過程中嵌在碳層中的鋰離子脫出，又穿過電解液運(yùn)動(dòng)回鈷酸鋰電極中，同時(shí)電子通過外電路與鋰離子的運(yùn)動(dòng)同向，也是從負(fù)極的碳電極運(yùn)動(dòng)到正極的鈷酸鋰電極，電勢(shì)高的鈷酸鋰是正極，碳電極為負(fù)極，電極反應(yīng)方程式如（4）和（5）及電池總反應(yīng)方程式（6）。由此可見，電池的正負(fù)極與陰陽極并無直接關(guān)系，二者只是定義的方式不同。

充電過程（電解池）

放電過程（原電池）

理論上，若電池的充放電過程在可逆條件下進(jìn)行，則充電時(shí)外加電源的電壓等于原電池的電動(dòng)勢(shì)就可以完成充電過程，但實(shí)際外加的電壓往往比電池的電動(dòng)勢(shì)大得多，這就造成能源的浪費(fèi)，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因就是由于極化作用導(dǎo)致超電勢(shì)的存在。此處涉及的知識(shí)點(diǎn)是可逆電池及不可逆電池，電解及極化作用。

鋰離子電池作為化學(xué)電源的二次電池，可以在充、放電過程反復(fù)多次循環(huán)利用。由此引出化學(xué)電源的定義及其分類。化學(xué)電源的性能通常用電池容量等參數(shù)來衡量，引出幾種參數(shù)的定義及其單位。鋰離子電池在充電過程中，嵌入負(fù)極的鋰離子越多，充電容量越高；而放電過程中，回正極的鋰離子越多，放電容量就越高。通常我們所說的電池容量指的就是放電容量。

鋰離子電池最大的優(yōu)點(diǎn)是離子能嵌入到電極上。其他大多數(shù)電池都是基于化學(xué)反應(yīng)，而在化學(xué)反應(yīng)中，電極會(huì)緩慢而穩(wěn)定地改變。當(dāng)鋰離子電池充電或放電時(shí)，離子在電極之間流動(dòng)，不與周圍環(huán)境發(fā)生反應(yīng)。這意味著電池的壽命更長(zhǎng)，在充電數(shù)百次后性能才會(huì)下降。

(2)思政元素

①諾貝爾獎(jiǎng)獲得者背后的故事——學(xué)習(xí)榜樣的力量

約翰·巴尼斯特·古迪納夫（John B.Goodenough）、斯坦利·威廷漢（Stanley Whittingham）和吉野彰（Yoshino Akira）三位科學(xué)家因?yàn)樵阡囯x子電池方面做出的貢獻(xiàn)，共同獲得了2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。諾貝爾委員會(huì)的奧洛夫·拉姆斯特倫說，鋰離子電池“使移動(dòng)世界成為可能”。鋰離子電池在全球?yàn)槲覀冇脕斫涣鳌⒐ぷ鳌W(xué)習(xí)、聽音樂和尋找知識(shí)的便攜式電子設(shè)備提供動(dòng)力。古迪納夫，美國固體物理學(xué)家，現(xiàn)在，年過九旬的古迪納夫仍堅(jiān)持每天上班，希望能在有生之年研發(fā)出超級(jí)電池。蘇聯(lián)作家法捷耶夫說過，青年的思想愈被榜樣的力量所激動(dòng)，就愈會(huì)發(fā)出強(qiáng)烈的光輝。諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)作為化學(xué)領(lǐng)域的至高榮譽(yù)，本身就代表了所有化學(xué)工作者奮斗的最高目標(biāo)，而諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者古迪納夫的這種把解決全球能源危機(jī)的超級(jí)電池作為畢生追求的目標(biāo)更是我們所有科研工作者（不僅僅是學(xué)生）學(xué)習(xí)的榜樣。

②我國鋰離子電池的發(fā)展——樹立民族自信心

我國90年代初開始研究鋰離子電池電極材料和電池，1996年研制成功移動(dòng)電話、攝像機(jī)用18650型電池，電池的容量達(dá)到日本索尼公司的電池水平，但到2000年，鋰離子電池的生產(chǎn)尚處于起步時(shí)期，還沒有一家企業(yè)進(jìn)入規(guī)模化生產(chǎn)階段。但是，由于國家鼓勵(lì)發(fā)展鋰離子電池的生產(chǎn)，將其列入“863”計(jì)劃及“九五”重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目，并投入大量的財(cái)力和物力，極大地促進(jìn)了民族鋰離子電池工業(yè)的發(fā)展[5]。之后，許多企業(yè)開始大規(guī)模生產(chǎn)鋰離子電池，我國的鋰離子電池產(chǎn)量呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)的良好趨勢(shì)，并且出口額也逐年上升，根據(jù)國家海關(guān)統(tǒng)計(jì)，2018年我國鋰離子電池出口額達(dá)到108.25億美元[6]。近年來，我國鋰離子電池行業(yè)骨干企業(yè)高度重視創(chuàng)新能力建設(shè)，研發(fā)投入保持了高速增長(zhǎng)。寧德時(shí)代、國軒高科、天津力神等企業(yè)先后研發(fā)出能量密度超過300Wh/kg的單體三元電池。此外，國內(nèi)磷酸鐵鋰電池單體能量密度也已突破190Wh/kg。2019年鋰離子電池出口持續(xù)增長(zhǎng)，出口金額130.3億美元，同比增長(zhǎng)20.3%，延續(xù)高速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。我國鋰離子電池進(jìn)出口貿(mào)易順差持續(xù)擴(kuò)大。眾多鋰離子電池企業(yè)逐步走向國際化[7]。

2020年3月29日比亞迪發(fā)布的刀片電池，是擁有我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新的鋰電產(chǎn)品。“刀片電池”通過結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，在成組時(shí)可以跳過“模組”，大幅提高了體積利用率，最終達(dá)成在同樣的空間內(nèi)裝入更多電芯的設(shè)計(jì)目標(biāo)。相較傳統(tǒng)電池包，“刀片電池”的體積利用率提升了50%以上，也就是說續(xù)航里程可提升50%以上，達(dá)到了高能量密度三元鋰電池的同等水平。中國科學(xué)院院士歐陽明高分析指出，“刀片電池”的設(shè)計(jì)使得它在短路時(shí)產(chǎn)熱少、散熱快，并且評(píng)價(jià)其在“針刺試驗(yàn)”中的表現(xiàn)“非常優(yōu)異”[8]。

與此同時(shí)，國內(nèi)的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)也在此領(lǐng)域做出了不凡的成就。復(fù)旦大學(xué)夏永姚團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種可在零下70℃條件下使用的鋰離子電池，采用凝固點(diǎn)低、可在極端低溫條件下導(dǎo)電的乙酸乙酯作為電解液，并使用兩種有機(jī)化合物作為電極，分別為PTPAn陽極和PNTCDA陽極。傳統(tǒng)鋰電池在零下20℃時(shí)性能只有其最優(yōu)水平的50%，零下40℃時(shí)只有最優(yōu)水平的12%。俄羅斯和加拿大等極寒地區(qū)溫度低于零下50℃；在太空中，溫度甚至低至零下157℃。這款電池未來有望在地球極寒地區(qū)甚至外太空使用，這部分工作發(fā)表在著名的美國能源學(xué)術(shù)期刊《焦耳》上[9]。

③鋰離子電池技術(shù)未來的發(fā)展方向——確定奮斗目標(biāo)

盡管鋰離子電池得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，但依然還存在許多挑戰(zhàn)。包括有：A.有機(jī)液態(tài)電解液易燃性在電化學(xué)器件中的安全隱患；B.鋰離子電池的充電速度受到限制，快速充電會(huì)引起金屬鋰在石墨負(fù)極的不均勻沉積造成枝晶的形成和電池短路問題；C.鋰離子電池的過度充電會(huì)導(dǎo)致正極材料氧氣的析出，引起電池的爆炸。此外，電池單元和電池組的匹配和監(jiān)測(cè)問題，大規(guī)模電池系統(tǒng)（如特斯拉7000個(gè)電池單元）高昂的檢測(cè)和制造成本問題。單一提高碳基負(fù)極材料的比表面積并不能解決主要矛盾[10]。了解了鋰離子電池存在的挑戰(zhàn)可以確定未來的奮斗目標(biāo)，利用現(xiàn)在學(xué)過的知識(shí)及掌握的解決復(fù)雜問題的能力去迎接這些挑戰(zhàn)。確定奮斗目標(biāo)就為未來指明了方向，心中有明燈，前行的路更亮！

3.結(jié)語

物理化學(xué)中電化學(xué)部分講述了電化學(xué)的基本原理和共同規(guī)律，本文以鋰離子電池為例，將課程中涉及的基本知識(shí)具體化，形象化，同時(shí)結(jié)合諾貝爾獎(jiǎng)背后的故事及國內(nèi)鋰離子電池行業(yè)的發(fā)展情況引入了課程的思政元素，為學(xué)生樹立學(xué)習(xí)的榜樣，加強(qiáng)民族自信心，并根據(jù)鋰離子電池未來發(fā)展的挑戰(zhàn)，確立奮斗目標(biāo)，化愛國之情為報(bào)國之行，做祖國現(xiàn)代化建設(shè)的接班人。