“一流學科”建設中元素化學課堂教學內容的設計
——以堿金屬元素為例談元素結構與性質及其在鋰離子電池中的應用

2021-07-14 02:47:06魏明燈魏巧華

大學化學 2021年6期

魏明燈，魏巧華

福州大學化學學院，福建省新型電化學儲能材料重點實驗室，福州 350108

無機化學是學生進入大學后的第一門專業課，需要面臨教與學方式的根本轉變。由于學生在中學階段大都已經接觸到課程的知識點，對教學內容認識不足，產生輕視思想，而社會對化學基礎科學的重要性缺乏正確認識，尤其是輿論對化學畢業生就業前景的誤導，致使不少學生剛入學就想著轉專業，難以專心于課堂聽講。如何滿足全體學生的知識需求和激發他們的聽課興趣，成為課堂教學的關鍵。實際上，無機化學課程中的大多數知識點，在下一學年的物理化學、結構化學等課程中又會在更深的層次上重復出現。因此，設計好課堂教學內容，避免不必要的重復，是十分重要的。同時，元素化學的課堂授課內容、授課效果將直接影響學生的未來出路。尤其是，我校的化學學科正在實施“一流學科”建設，旨在培養出基礎知識扎實、創新思維和實踐能力突出的高素質基礎學科人才，而無機化學課程的教學質量不僅影響學科建設的成效，而且影響學生學習興趣和創新意識，還會左右學生報考研究生專業方向。

本文以“堿金屬的結構與性能及其在鋰離子電池中的應用”為例，介紹筆者面向化學專業理科基地班一年級學生開展元素化學課堂所運用到的教學原則、教學內容、教學方法以及教學效果。

1 授課對象及課程概況

化學專業理科基地班的人才培養目標是培養出基礎理論扎實、知識結構合理、富有創新意識和實踐能力，能將化學基礎理論知識與科研實踐和生產實際相結合，能進行化學基礎科學研究的創新型人才[1]。

作為化學專業理科基地班核心課之一的無機化學，開設在一年級上下兩個學期。無機化學I (48學時)，主要講授原子結構、化學鍵與分子結構、化學熱力學、化學反應速率、化學平衡、溶液和氧化還原反應等；無機化學II (64學時)，主要講授配位化學和元素化學，其中元素化學授課學時為32學時。實際上，化學基礎課程教學內容的設計對“一流學科”建設中化學專業理科基地班學生的創新意識培養方面具有舉足輕重的作用。因此，元素化學課堂教學內容應該遵循以下原則[2]：一是“結構決定性質”，利用分子結構解釋單質和化合物的物理與化學性質；二是“性質決定應用”，講授與元素化學相關最新基礎科學研究和應用方面的進展，吸引學生的課堂注意力；三是“課堂知識與實踐結合”，聽課討論和安排學生進入實驗室，開展電極材料制備和電池組裝，培養科研興趣和創新意識。同時，采用課堂講授與科研實踐相結合方式，使學生對元素性質及其應用有著更深層的認識，也體現出元素化學對社會和經濟發展的重要性。以下具體說明“堿金屬的結構與性能及其在鋰離子電池中的應用”(2學時)的教學內容組織與實施方式。

2 課堂教學的內容組織與實施方式

2.1 課堂教學引導

教學過程從我們每個人日常生活中高度依賴的手機開始，引導學生對手機不斷輕量化過程的認識，并指出手機輕量化的最大貢獻是手機電源——鋰離子電池的更新換代。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，引導學生認識鋰離子在能量存儲過程中扮演的角色和電化學反應過程，并詳細地說明鋰離子電池的構成成分及其作用。進一步，結合中學化學課程中所涉及的原電池方面的知識，介紹電化學發展歷史[3]以及未來鋰離子電池的發展方向[4]和我國新能源發展戰略，從而切入本課程的教學內容。

2.1.1 堿金屬元素的結構與性能

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，與堿土金屬元素構成周期表s區。堿金屬元素的原子很容易失去一個電子而呈+1氧化態，具有很強的活潑性，在自然界中難以以單質的形式存在。同時，堿金屬元素具有很大的第二電離能，不會表現出其他氧化態。實際上，堿金屬的性質都是由其結構決定的。

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性較高的非金屬元素如鹵素、硫、氧、磷、氮和氫等形成相應的化合物。其中，除了鋰的某些化合物具有較為明顯的共價性質外，其他的堿金屬化合物則具有離子鍵的性質。堿金屬的化學活潑程度還可以從它們與H2O作用中可以看出，其中鈉與H2O反應猛烈，K、Rb和Cs遇H2O就發生燃燒，Li與H2O反應則比較緩慢。實際上，這些性質對其實際應用有著重大的影響，也就是“性質決定應用”。

2.1.2 堿金屬氧化物和氫氧化物的結構和化學性質

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境中嚴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生超氧化物，而制備NaO2須在450 °C溫度和15 MPa應力下通過Na與氧氣反應獲得。Na、K、Rb、Cs的臭氧化物可以利用它們相應的固態氫氧化物與臭氧反應獲得，但是與H2O劇烈反應，生產氫氧化物，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，發生堿式解離(M―O―H → M++ OH?)，容易呈堿性[5]，這也是其結構決定性質。

2.2 組織學生討論堿金屬及其應用

2.2.1 鋰離子電池的基礎知識

隨著新能源汽車普及和風光儲能電站建設，作為儲能器件的鋰離子電池在我國能源體系中發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、發展過程以及2019年三位諾貝爾化學獎獲得者對鋰電池的貢獻。尤其是，結合中學化學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反應過程(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，受到外電場的驅動，電池內部形成Li+的濃度梯度，Li+從LiCoO2的晶格中脫出，進入電解液后擴散到負極，到達負極的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向負極移動。放電時，嵌在石墨層間的Li+脫出，進入電解液后擴散到LiCoO2正極并嵌入晶格中，電子沿著外電路從負極側向正極移動。由于Li+在正負極之間來回運動，鋰離子電池又被稱為“搖椅電池”。在鋰離子電池中，正極和負極材料是關鍵組成成分，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中轉移電子的量，F為法拉第常數(F= 96485 C·mol?1)，nF為轉移總電荷量，M是電極材料的摩爾質量(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“結構決定性質”。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”，在正負極之間起到傳導電子的作用，其性質顯著地影響器件的能量密度和實際應用。

2018年我國鋰離子電池的全球市場份額就突破了60%，占據世界第一。隨著我國新能源汽車銷量增長和儲能電站建設的擴大，對鋰離子電池的需求保持旺盛勢頭，導致鋰價格的飛漲。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，而原子質量大也導致理論容量低，從而影響器件的能量密度，這實際上反映出“性質決定應用”。在此，安排學生查閱相關文獻，了解國內外有關鋰離子電池研究與產業的最新進展，為下一步進入實驗室實習作必要的準備。

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知識的基礎上，通過演示和拆解鋰電池樣品，讓學生近距離地了解元素化學與鋰離子電池組成及其性能的關系，并引導學生圍繞著元素化學“結構決定性質”和“性質決定應用”而展開師生之間和同學之間的討論，加深對元素性質的理解。在此，教師可以順勢引導學生關注鋰離子電池領域的科技前沿問題。特別需要強調的是，盡管我國在鋰離子電池產業實現了從跟蹤到引領，但是并沒有擁有鋰電池關鍵材料的核心專利和原創技術。在此，教師借此機會介紹本學院在鋰離子電池領域的研究進展以及國內大型鋰電池企業及其產業鏈的發展狀況[9,10]。同時，安排學生課余時間進入實驗室，開展電極材料的制備、電池組裝和電化學性能測試，充分理解元素化學的重要性，實現課堂知識與實際應用的銜接。最后，教師應該指出鋰離子電池的能量密度是目前制約新能源汽車發展的瓶頸和研制新型高性能電極材料的重要性，激發學生報考研究生和從事新能源相關領域研究的熱情，期望他們掌握元素化學的基礎知識，擺脫無機化學教材中的理論束縛，潛心于探索和挑戰，獲得顛覆性的重大原創性成果。

2.2.3 教學效果

據統計，第一學年內超過一半學生利用周末時間分批進入實驗室，并在研究生和教師的指導下開展電極材料制備、電池組裝和性能測試，詳細了解鋰電池的研制過程。同時，他們帶著課堂上學到的元素化學基礎知識，與研究生和教師討論元素性質與其電化學性能的關系。第二學年2組6個聽課學生申請了SRTP本科生科研訓練項目，第三學年又有1組3名學生申請，他們懷著對科研的興趣和對化學的熱愛，利用課余時間開展為期一年有關鋰電池材料與器件方面的研究，并完成結題。第四學年5名學生進入實驗室完成有關鋰電池研究方面的畢業實習和畢業論文，并參與學術論文發表。另一方面，筆者多年來一直在講授元素化學時融入電化學知識，也間接地激發學生報考電化學專業研究生的熱情，報考廈門大學能源化學專業和本校新能源材料專業的人數均超過10名，并且部分畢業生成功地應聘國內大型鋰電池企業如寧德時代、廈門鎢業等公司的相關崗位，使他們有機會利用所掌握的元素化學基礎知識在學習和工作中發揮作用。

3 結語