“鋰離子電池材料及應用”的課程思政

鄧魁榮 劉爭 范東華

摘要“鋰離子電池材料及應用”作為新能源材料與器件專業的核心課程之一，在“鋰離子電池材料及應用”課程教學過程中將課程思政與專業知識有機融合，對于培養學生正確的價值觀、人生觀、世界觀具有重要的意義。本文以課程中的固態電解質這一專業知識點為例，通過將固態電解質研究現狀和兩位科學家在該領域研究的故事有機結合在一起講解，向學生傳達愛國、社會責任感、追求卓越、突破自我、堅定信念、堅持不懈、敢于創新、積極探索的科學精神。

關鍵詞 鋰離子電池 固體電解質 課程思政

中圖分類號：G424文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.19.029

Curriculum-based Ideological and Political Education in"Lithium ion Battery Materials and Applications"

——Taking "solid electrolytes" as an example

DENG Kuirong， LIU Zheng， FAN Donghua

（Wuyi University， School of Applied Chemistry and Materials， Jiangmen， Guangdong 529020）

Abstract"Lithium ion battery materials and applications" is one of the core courses of the major of new energy materials and devices. In this course， the integration of ideological and political education with professional knowledge inthe teachingprocessis of greatsignificanceforcultivatingstudents’correctvalues，outlookonlifeandworldoutlook. This paper takes "solid electrolytes" as an example to illustrate the integration of ideological and political education with professional knowledge by combining the progress of solid electrolytes and the story of two scientists in this field to convey to the students scientific spirits of patriotism， social responsibility， the pursuit of excellence， breakthrough self， firm faith， perseverance， dare to innovation and actively exploring.

KeywordsLithium ion battery； solid electrolytes； ideological and political education

1緒論

把課程思政融入課堂教學是對學生開展思想政治教育的有效途徑之一。立足本專業的優勢，找準專業知識與課程思政的結合點，發掘專業課程相關的思政資源，對于促進課程思政的教育理念融入課程教學具有非常重要的意義。避免專業知識教育與思想政治教育相互隔絕的孤島效應，推動專業知識教育與思想政治教育有機融合、相得益彰，是課堂思政工作的重要任務之一。作為新能源材料與器件專業的核心課程，“鋰離子電池材料及應用”與本專業的其他課程有密切聯系，因此，將該課程與思想政治教育相結合，不僅可以向學生傳達愛國、社會責任感、追求卓越、突破自我、堅定信念、堅持不懈、敢于創新、積極探索的科學精神，還可以培養學生的專業認同感，學好專業知識，將自己的專業發展與國家社會的發展緊密結合在一起。本文以固態電解質這一部分內容為例，論述如何在課程教學中將思政教育與專業知識有機融合。

2課程講解及課程思政

2.1理論教學與課程思政

2.1.1背景知識

鋰離子電池具有能量密度高、循環壽命長、自放電小和無記憶效應等優勢，已廣泛應用于智能移動設備、新能源汽車和電網儲能等領域。隨著電動汽車和智能移動設備的快速發展，對鋰離子電池的能量密度和安全性要求越來越高，目前鋰離子電池的能量密度和安全性能還有待提高。由鋰離子電池造成的安全事故層出不窮，如三星note7手機爆炸、特斯拉汽車自燃、蔚來汽車自燃等。這些鋰離子電池的安全問題使科學家們更加關注鋰離子電池的安全性能，開發高安全性的鋰離子電池。電解質是鋰離子電池的重要組分，它的作用是在正極和負極之間傳導鋰離子，它對電池倍率性能、循環壽命、安全性等有重要影響。理想的電解質要具備高離子電導率、高鋰離子遷移數、寬電化學窗口、高機械強度、高安全性等特性。傳統的鋰離子電池使用的是液體電解質，它通常由碳酸酯類溶劑與鋰鹽組成。而這些碳酸酯類溶劑具有易燃、易爆、易泄露等缺點。在鋰離子電池的熱失控過程中，液體電解質參與了熱失控的大部分反應，并且液體電解質的燃燒最終導致了熱失控的發生，因此液體電解質的使用帶來了很大的安全隱患。鋰枝晶的生長也是液體電解質的安全隱患之一。為了從根本上提高鋰離子電池的安全性能，可用不會燃燒爆炸、安全性高、穩定性好、能夠抑制鋰枝晶的固態電解質來替換液態電解質。固態電解質能抑制鋰枝晶的生長，可與鋰金屬負極搭配使用。金屬鋰的理論比容量（3860 mAh g-1）是石墨負極的比容量的十倍，使用金屬鋰作為負極能夠大大提高電池的能量密度。將固態電解質與鋰金屬負極和高比容量正極匹配能夠組成能量密度更高和安全性更好的全固態鋰電池。使用固態電解質組裝全固態鋰電池能夠從根本上解決鋰離子電池的安全性問題，從而推動鋰離子電池在電動汽車、智能設備、國防武器等領域的應用，加快這些領域的發展。固態電解質的是從20世紀70年代開始的，研究歷史已經有幾十年了，但是固態電解質和全固態鋰電池還存在一些問題，直到現在還沒有能夠實現大規模商業化應用。

引入課程思政：開發高性能固態電解質以及全固態鋰電池是現在的研究熱點，全世界很多的科學家都在為這個領域奉獻自己的力量。鋰電池之父Goodenough在這個領域開啟了新的征途。Goodenough作為鋰電池之父，他30歲成為物理學博士，54歲開始研究鋰電池，58歲開發出安全可用的高電壓鈷酸鋰正極材料，75歲又開發出穩定低成本的磷酸鐵鋰正極材料，他的研究使鋰離子電池能量密度更高、安全性更高、使用壽命更長，從而實現商業化，同時也促進了電子設備便攜化進程。因為在鋰離子電池研發領域的杰出貢獻，Goodenough在2019年獲得了諾貝爾化學獎。盡管他現在已經99歲，盡管他已經獲得了巨大的成就，他仍然奮戰在科研一線，他現在的研究重點是固態電解質以及固態鋰電池。Goodenough曾說過：“我的時間都是借來的，因此，我們必須珍惜每一天。我們永遠不知道明天會發生什么”。雖然人過90，但他對科研的熱愛絲毫不減，每天都兢兢業業，每天都去辦公室工作，和大家一起討論實驗進展。他親自指導學生，哪怕學生問的問題很淺，他也會鼓勵學生多思考多問問題，看到學生有收獲，他就會很開心。Goodenough在固體電解質領域已經取得很多的研究成果，最近他在聚氧化乙烯基復合電解質中引入Mg（CIO4）2作為添加劑來增加其離子導電性，并協助在Li/聚合物界面構建傳導鋰離子的SEI膜，該電解質的離子電導率達到了2.15×10-4S cm-1，并且能夠有效抑制鋰枝晶，用該固態電解質組裝的全固態LiFePO4/Li和NCM811/Li電池具有良好的循環穩定性。

Goodenough之所以能夠取得杰出成就，為社會做出重大貢獻，與他身上的精神有很大關系：（1）持之以恒，勤勤懇懇，幾十年如一日地奮斗在科研一線，年過九旬仍然奮斗在科研一線，機會是留給有準備的人，只有堅持才能獲得成功；（2）有社會責任感，奉獻精神，Goodenough研究的最終目的是為了解決能源危機，造福人類社會，社會責任感和奉獻精神是他潛心研究的源源不斷的動力來源。（3）追求卓越，突破自我，雖然Goodenough已經取得了很大成就，但是他不自滿，不斷開發新的材料，年過九旬仍然想在固態鋰電池領域貢獻自己的力量。

通過介紹這一偉大科學家的成功事例，將課堂教學與課程思政緊密結合在一起，當代大學生應該學習偉大科學家的科學精神，腳踏實地、埋頭苦干，持之以恒，刻苦學習專業理論知識，用知識和實踐不斷武裝自己，堅定目標，以崇高的歷史責任感和使命感堅定自己的理想和信念，勇于創新、與時俱進，為實現中華民族的偉大復興努力奮斗。

2.1.2固態電解質的發展現狀

固態電解質可以分為聚合物電解質和無機陶瓷電解質兩大類。固態聚合物電解質通常是由小分子鋰鹽溶解于聚合物基體，形成一個固溶體，鋰離子主要依靠鏈段運動進行傳導。研究最多的是基于聚氧化乙烯（PEO）的聚合物電解質。固態聚合物電解質中不含有任何有機溶劑，避免了易揮發、易燃、易爆的問題，并且能夠抑制鋰枝晶，從而提高電池的安全性和循環穩定性。聚合物電解質的柔韌性好，界面阻抗比無機固態電解質小，形狀和尺寸的可塑性強，可用于制備各種形狀的電池和柔性電池。然而，單純由聚合物和鋰鹽組成的全固態聚合物電解質室溫離子電導率較低（10-7-10-5S cm-1），難以達到實際應用要求（> 10-4S cm-1）。

無機陶瓷電解質主要分為無機氧化物電解質和無機硫化物電解質兩大類。氧化物電解質擁有較高的離子電導率和較寬的電化學窗口。Goodenough等報道的Li7-xLa3Zr2-xTaxO12（LLZTO）的室溫離子電導率最高達到了1.0×10-3Scm-1。李泓等制備了相對密度高達99.6%的片狀Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12（LLZTO），其室溫離子電導率達到了1.6×10-3Scm-1。部分硫化物電解質如Li10MP2S12、70Li2S-30P2S5和Li9.54Si1.74P1.44S11.7Cl0.3的室溫離子電導率達到了10-2Scm-1級別。但是這些電解質的化學穩定性普遍較差，對水、氧敏感，對金屬鋰不穩定。無機陶瓷電解質質脆且硬，難以與電極材料達到良好的界面接觸，由此產生巨大的界面阻抗，不利于鋰離子在界面處的傳輸。

引入課程思政：固態電解質面臨的最大挑戰是其離子電導率較低，導致電池性能較差。當前固態電解質的研究主要關注點是提高離子電導率和界面穩定性。中國科學院青島生物能源與過程研究所的崔光磊研究員以“愛國、創新、求實、奉獻、協同、育人”的新時代科學家精神為指引，積極響應國家深海裝備的戰略需求，發揮黨員的先鋒模范作用，深耕固態電解質關鍵技術。在長達11年科研攻關過程中，他先后首創了“剛柔并濟”聚合物復合固態電解質，原位固態化界面融合技術，低溫熔鹽原位固化技術等技術，有效提高了固態電解質的性能，開發出具有自主知識產權的高能量密度、高安全性、高耐深海壓、長循環壽命的固態鋰電池及深海特種電源系統。崔光磊帶領團隊努力攻關，現在已經開發出能量密度達到526Wh/kg的固態鋰金屬電池。自2015年至今，崔光磊團隊累計為各類深海科考用戶提供了68批次固態鋰電池電源系統，該全海深電源系統實現了零故障應用，為我國深海的事業發展提供了安全、可靠的特種電源保障。

崔光磊積極響應國家深海裝備的重大戰略需求，將國家需求與自己的科學研究緊密結合，堅定信念、堅持不懈、敢于創新、積極探索、全身心地投入科研事業，深耕固態電池關鍵技術、聚焦深海特種電源系統，最終取得了巨大成就，有力地推動了我國深海事業、新能源領域的發展，對于我國在這些領域保持領先優勢，在電動車領域實現彎道超車具有重要意義。作為新時代的大學生要學習科學家這種愛國、將國家發展與自身發展緊密結合在一起，堅定信念、堅持不懈、敢于創新、積極探索的科學精神，養成追求卓越的高尚品格，掌握好專業知識，激發自己的潛力，爭取早日為國家和社會的發展做出貢獻。

3結論

本文以“鋰離子電池材料及應用”課程中的固態電解質這一知識點為例對該課程中的課程思政進行案例分析。在介紹固態電解質的研究背景知識過程中融入Goodenough在該領域的研究歷程，向學生傳達堅持不懈、社會責任感、奉獻精神、追求卓越，突破自我的精神。在固態電解質的研究現狀部分融入崔光磊研究員在該領域的貢獻，培養學生愛國、將國家發展與自身發展緊密結合在一起，堅定信念、堅持不懈、敢于創新、積極探索的精神，掌握好專業知識，激發自己的潛力，爭取早日為國家和社會的發展做出貢獻。

基金項目：廣東省高等教育教學改革項目（GDJX2019006，GDJX2018003）、五邑大學教學質量與教學改革工程項目（JX2019056）、五邑大學高層次人才科研啟動項目（2019AL017）

參考文獻

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