物理化學中電化學部分的教學思政設計
——以鋰離子電池為例

＊顏美 徐平 果崇申

（哈爾濱工業大學化工與化學學院 黑龍江 150001）

全國高校思想政治工作會議強調，要堅持把立德樹人作為中心環節，把思想政治工作貫穿教育教學全過程，實現全程育人、全方位育人，努力開創我國高等教育事業發展新局面[1]。大學階段是一個人走向社會的過渡階段，不僅是學生學習文化知識的最后教育階段，也是學生在精神、道德、人格方面逐步定型，進而走向社會的最后準備階段。大學階段的教育目標是促進人在德智體美勞等方面更高質量的全面發展。德是做人的根本，課程思政應將德育置于課程目標之首。其中，專業課程蘊含豐富的思政元素，一方面，專業知識本身具有明顯的價值傾向、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上實現進一步拓展和開發[2]。

物理化學作為化學的一門專業基礎課，是在物理和化學兩大學科基礎上發展起來的。它以豐富的化學現象和體系為對象，大量采納物理學的理論成就與實驗技術，探索、歸納和研究化學的基本規律和理論，構成化學科學的理論基礎。學習物理化學，可以了解化學變化過程中的一些基本規律，同時加深對前期所學課程如無機化學、有機化學、分析化學的理解，打好專業基礎，并可以進一步擴大知識面。另外，本門課程還教會學生學習前人提出問題、考慮問題和解決問題的方法，培養學生獨立思考和獨立解題的能力。為貫徹落實教育的重要論述和全國教育大會精神，落實立德樹人根本任務，深入挖掘各類課程和教學方式中蘊含的思想政治教育元素，現以鋰離子電池為例，就物理化學中電化學部分內容的課程思政教學進行初步的探索。

1.設計理念

電化學主要是研究電能和化學能之間的相互轉化以及轉化過程中相關規律的學科。能量的轉變需要一定的條件（即要提供一定的裝置和介質）。例如，化學能轉變成電能必須通過原電池來完成，電能轉變成化學能則需要借助于電解池來完成。物理化學這門課程著重于討論電化學中的一些基本原理和共同規律[3]。理論要聯系實際，并服務于實際。培養學生用所學理論知識解決實際問題的能力。教育部關于一流本科課程建設的實施意見中指出，要提升高階性和突出創新性：課程目標堅持知識、能力、素質有機融合，培養學生解決復雜問題的綜合能力和高級思維。課程內容強調廣度和深度，突破習慣性認知模式，培養學生深度分析、大膽質疑、勇于創新的精神和能力；建設適應新時代要求的一流本科課程，要求教學內容體現前沿性與時代性，及時將學術研究、科技發展前沿成果引入課程[4]。2019年諾貝爾化學獎授予美國固體物理學家約翰·巴尼斯特·古迪納夫（John B Goodenough）、英國化學家斯坦利·威廷漢（Stanley Whittingham）和日本化學家吉野彰（Akira Yoshino），以表彰他們發明鋰離子電池方面做出的貢獻。鋰離子電池的出現徹底改變了能量存儲技術，并促成了移動革命的實現，還使一個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，既體現了教學內容的前沿性與時代性，同時結合課程思政元素將原本枯燥的理論知識加以融會貫通，又可以加深對知識的理解，培養學生解決復雜問題的綜合能力和高級思維。

2.具體案例：走進諾貝爾化學獎——鋰離子電池

(1)課程學習內容

①導體及其分類；

②電池的結構、陰陽極和正負極；

③電池工作原理；

④書寫電極反應方程式；

⑤極化作用；

⑥通過鋰離子電池的充放電過程了解化學電源的二次電池。

我們日常生活中所使用的智能手機和筆記本電腦以及電動汽車的電池就是鋰離子電池。鋰離子電池由正負極材料、隔膜和電解質溶液組成。其中正負極材料作為電極材料屬于第一類電子導體，此時可以引出導體的定義和分類，以及第一類導體和第二類導體的不同，通常電極材料都是第一類導體，依靠自由電子的定向運動而導電，而電解質溶液都是第二類導體，依靠離子的定向遷移而導電。鋰電中正極材料一般為鈷酸鋰（LiCoO2）材料，負極材料為石墨或活性炭；隔膜位于正極和負極之間，主要作用是將正負極活性物質分隔開，防止兩極因接觸而短路，一般采用高強度薄膜化的聚烯烴多孔膜，其含有微孔結構，可以讓鋰離子自由通過，而電子不能通過；電解質溶液是在有機溶劑中溶有電解質鋰鹽的離子型導體，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高于水的分解電壓，因此鋰離子電池常采用有機溶劑，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

在電池中如何區分正負極，根據物理學中的定義，以正電荷的運動方向為電流方向，且電流總是從電勢高的正極流向電勢低的負極，這與電子的流向剛好相反。而《物理化學》教材中一般采用電化學中公認的約定，把發生氧化作用的電極稱為陽極，把發生還原作用的電極稱為陰極。結合實際的鋰離子電池，要區分正負極還是陰陽極需要了解實際的電子流向，因此可以結合電池的工作原理來解釋（圖1）。鋰離子電池充電過程：鈷酸鋰電極一側有鋰離子生成，生成的鋰離子通過電解質溶液穿過隔膜運動到對電極的一側，并嵌入碳層的微孔中。兩側電極反應方程式可寫為方程式（1）和（2），電池總反應方程式為（3）。此處涉及的知識點是電極反應及電池總反應的書寫方式。此時的電池是電解池，帶正電的鋰離子從鈷酸鋰一側運動到碳電極，與電流方向相同，電勢高的一側是鈷酸鋰，因此，鈷酸鋰電極為負極，碳電極應該為負極，同時鈷酸鋰發生氧化反應為陽極，而碳電極發生還原反應為陰極。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，又穿過電解液運動回鈷酸鋰電極中，同時電子通過外電路與鋰離子的運動同向，也是從負極的碳電極運動到正極的鈷酸鋰電極，電勢高的鈷酸鋰是正極，碳電極為負極，電極反應方程式如（4）和（5）及電池總反應方程式（6）。由此可見，電池的正負極與陰陽極并無直接關系，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行，則充電時外加電源的電壓等于原電池的電動勢就可以完成充電過程，但實際外加的電壓往往比電池的電動勢大得多，這就造成能源的浪費，出現這種現象的原因就是由于極化作用導致超電勢的存在。此處涉及的知識點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電源的二次電池，可以在充、放電過程反復多次循環利用。由此引出化學電源的定義及其分類。化學電源的性能通常用電池容量等參數來衡量，引出幾種參數的定義及其單位。鋰離子電池在充電過程中，嵌入負極的鋰離子越多，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點是離子能嵌入到電極上。其他大多數電池都是基于化學反應，而在化學反應中，電極會緩慢而穩定地改變。當鋰離子電池充電或放電時，離子在電極之間流動，不與周圍環境發生反應。這意味著電池的壽命更長，在充電數百次后性能才會下降。

(2)思政元素

①諾貝爾獎獲得者背后的故事——學習榜樣的力量

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）三位科學家因為在鋰離子電池方面做出的貢獻，共同獲得了2019年諾貝爾化學獎。諾貝爾委員會的奧洛夫·拉姆斯特倫說，鋰離子電池“使移動世界成為可能”。鋰離子電池在全球為我們用來交流、工作、學習、聽音樂和尋找知識的便攜式電子設備提供動力。古迪納夫，美國固體物理學家，現在，年過九旬的古迪納夫仍堅持每天上班，希望能在有生之年研發出超級電池。蘇聯作家法捷耶夫說過，青年的思想愈被榜樣的力量所激動，就愈會發出強烈的光輝。諾貝爾化學獎作為化學領域的至高榮譽，本身就代表了所有化學工作者奮斗的最高目標，而諾貝爾化學獎獲得者古迪納夫的這種把解決全球能源危機的超級電池作為畢生追求的目標更是我們所有科研工作者（不僅僅是學生）學習的榜樣。

②我國鋰離子電池的發展——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年研制成功移動電話、攝像機用18650型電池，電池的容量達到日本索尼公司的電池水平，但到2000年，鋰離子電池的生產尚處于起步時期，還沒有一家企業進入規模化生產階段。但是，由于國家鼓勵發展鋰離子電池的生產，將其列入“863”計劃及“九五”重點攻關項目，并投入大量的財力和物力，極大地促進了民族鋰離子電池工業的發展[5]。之后，許多企業開始大規模生產鋰離子電池，我國的鋰離子電池產量呈現逐年增長的良好趨勢，并且出口額也逐年上升，根據國家海關統計，2018年我國鋰離子電池出口額達到108.25億美元[6]。近年來，我國鋰離子電池行業骨干企業高度重視創新能力建設，研發投入保持了高速增長。寧德時代、國軒高科、天津力神等企業先后研發出能量密度超過300Wh/kg的單體三元電池。此外，國內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增長，出口金額130.3億美元，同比增長20.3%，延續高速增長態勢。我國鋰離子電池進出口貿易順差持續擴大。眾多鋰離子電池企業逐步走向國際化[7]。

2020年3月29日比亞迪發布的刀片電池，是擁有我國自主知識產權的新的鋰電產品。“刀片電池”通過結構創新，在成組時可以跳過“模組”，大幅提高了體積利用率，最終達成在同樣的空間內裝入更多電芯的設計目標。相較傳統電池包，“刀片電池”的體積利用率提升了50%以上，也就是說續航里程可提升50%以上，達到了高能量密度三元鋰電池的同等水平。中國科學院院士歐陽明高分析指出，“刀片電池”的設計使得它在短路時產熱少、散熱快，并且評價其在“針刺試驗”中的表現“非常優異”[8]。

與此同時，國內的科學家團隊也在此領域做出了不凡的成就。復旦大學夏永姚團隊開發出一種可在零下70℃條件下使用的鋰離子電池，采用凝固點低、可在極端低溫條件下導電的乙酸乙酯作為電解液，并使用兩種有機化合物作為電極，分別為PTPAn陽極和PNTCDA陽極。傳統鋰電池在零下20℃時性能只有其最優水平的50%，零下40℃時只有最優水平的12%。俄羅斯和加拿大等極寒地區溫度低于零下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甚至外太空使用，這部分工作發表在著名的美國能源學術期刊《焦耳》上[9]。

③鋰離子電池技術未來的發展方向——確定奮斗目標

盡管鋰離子電池得到了長足的發展，但依然還存在許多挑戰。包括有：A.有機液態電解液易燃性在電化學器件中的安全隱患；B.鋰離子電池的充電速度受到限制，快速充電會引起金屬鋰在石墨負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導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測問題，大規模電池系統（如特斯拉7000個電池單元）高昂的檢測和制造成本問題。單一提高碳基負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可以確定未來的奮斗目標，利用現在學過的知識及掌握的解決復雜問題的能力去迎接這些挑戰。確定奮斗目標就為未來指明了方向，心中有明燈，前行的路更亮！

3.結語

物理化學中電化學部分講述了電化學的基本原理和共同規律，本文以鋰離子電池為例，將課程中涉及的基本知識具體化，形象化，同時結合諾貝爾獎背后的故事及國內鋰離子電池行業的發展情況引入了課程的思政元素，為學生樹立學習的榜樣，加強民族自信心，并根據鋰離子電池未來發展的挑戰，確立奮斗目標，化愛國之情為報國之行，做祖國現代化建設的接班人。