“綠色化學”課程中鋰離子電池的教學設計與實踐

王芳，高亞輝，于海峰，王龍，張攔

（洛陽理工學院環境工程與化學學院，河南洛陽471023）

黨的“十八大”以來，以習近平同志為核心的黨中央高度重視教育工作，堅持把教育擺在優先發展戰略地位。建設高等教育強國必須堅持“以本為本”，把本科教育放在人才培養的核心地位，放在教育教學的基礎地位，放在新時代教育發展的前沿地位?！熬G色化學”作為高校化學、化工及其相關專業開設的一門專業選修課，它具有明確的社會需求和科學目標，是實現循環經濟和可持續發展的重要科學技術基礎。該課程包含綠色化學基本原理、綠色化學品生產過程中涉及的原料、催化劑、溶劑及合成技術以及綠色材料等內容，具有內容涉及面廣和新穎等特點。為建設“綠色化學”一流課程，圍繞以“學生發展為中心，產出導向，持續改進”理念，做好每節課的教學設計，再采用靈活多樣的教學方法和手段組織和實施，是實現教學目標的基礎和關鍵環節。本文以鋰離子二次電池（LIB）教學內容為例，在確立教學目標的基礎上，明晰了教學設計的思路，采用問題導入、分組討論、視頻等多元化的課堂教學策略進行組織和實施，并以潤物無聲的形式將勇于創新、民族自信等思政元素有機地融入教學過程中，達到了知識傳授、能力培養、價值觀引領“三位一體”的教學目標。

1 教學目標

1.1 知識目標

通過對本節內容的學習，使學生了解新型能源類型、綠色能源材料，掌握新能源材料種類，鋰離子二次電池的結構原理、優缺點及其應用領域。

1.2 能力目標

培養學生理論聯系實際，培養基于綠色化學基本原理，對新型能源和能源材料進行分析評價的能力。

1.3 素質目標

強化綠色、可持續發展、生態平衡的意識，培養學生熱愛專業、勇于創新，培養人文情懷、民族自信的愛國精神，樹立正確的價值觀。

2 教學設計思路

“綠色化學”課程授課對象為應用型本科院校應用化學專業大三學生，學生已經學習了“物理化學”“無機化學”和“有機化學”等課程，對知識的實際應用感興趣，已具有一定的分析和解決問題的能力。通過對教學內容重構和優化，使之更貼近專業培養目標。教學過程注重激發學生的學習熱情，注重理論聯系實際和應用能力的培養，以潤物無聲的方式將科學精神、創新意識、民族自信和專業責任感的思政元素融入課堂，使學生樹立正確世界觀、人生觀和價值觀，見圖1。

圖1 教學設計思路

3 教學組織與實施

3.1 問題導入

首先回顧“綠色化學”十二條原則里涉及資源和能源充分利用的兩條知識：合理使用和節省能源，即生產過程應在溫和的溫度和壓力下進行，使能耗最低，高效率地使用能量；利用可再生資源合成化學品，即盡量采用可再生的原料，特別是用生物質代替化石能源。然后提出兩個問題：一是日常生活、工業上用到的能源有哪些？煤、石油、天然氣、水能（海洋能）、核能、風能、太陽能、生物質能、地熱能、氫能、生物柴油、綠色電池；二是這些能源中哪些是新型能源、綠色能源、可再生能源？為什么要發展新能源、綠色能源?

教學策略：從大家熟悉的日常生活和工業上用的能源提出問題，引導學生思考，使教學內容更加“接地氣”，更加貼近生活，激發學生學習興趣，從而引出本節課所要學習的內容。

3.2 能源現狀與新能源材料

目前，世界能源消耗還是以煤、石油、天然氣之類的礦物能源為主，不但嚴重破壞生態環境，而且礦物能源不可再生，能源枯竭已成為共識。我國作為發展中大國，能源消耗巨大，能源利用率不高，能源結構也不合理。2009年，中國風力發電量達到了25.8億瓦，超過了德國的25.77億瓦，僅次于美國35億瓦。2020年，中國將投入足以實現年發電量150億瓦的風力渦輪機，成為世界最大的風能生產國。盡管在新能源領域有了大規模的增長，但風力發電量只占據中國電力消耗總量的1%。為緩解和解決能源危機，科學家提出資源與能源最充分利用技術和環境最小負擔技術。新能源與新能源材料是兩大技術的重要組成部分。新能源的發展必須依靠利用新的原理來發展新的能源系統，同時還必須依靠新材料的開發與利用，才能使新系統得以實現，并提高其利用效率，降低成本。發展新能源材料是解決能源危機的根本途徑。新能源材料指能實現新能源的轉化和利用以及發展新能源技術所需的關鍵材料，它是發展新能源的核心和基礎。新能源材料分類包括：儲氫合金為代表的儲氫材料，嵌鋰碳負極和LiCoO正極為代表的鋰離子電池材料，質子交換膜電池為代表的燃料電池材料，硅半導體為代表的太陽能電池材料，生物質能及鈾、氘、氚為代表的反應堆核能材料。

由圖2對比可以看出，核能具有最高的體積能量密度和質量能量密度，但核能屬于不可再生能源；其次是煤等傳統能源或者由傳統能源生產的燃料；然后就是電化學能源載體，也就是我們熟悉的電池等?？梢钥闯鲞@些能源載體具有較好的體積能量密度和質量能量密度，而且相比于火力發電（熱水）是一種高效的能量利用方式。因此，發展綠色二次電池是解決能源危機的根本途徑。

圖2 不同能源載體的能量密度對比圖

教學策略：著重介紹能源危機的現狀，新能源材料的概念和分類，說明發展新能源材料是解決能源危機的根本途徑。將新能源材料的類型與學生已有知識聯系起來，使學生學習興趣盎然。同時學生也能體會到，可以用化學專業知識解決能源危機，培養專業責任感。

3.3 分組討論與分享

首先提出“什么是電池？你能說出幾種常用的電池類型嗎？”的問題，回顧物理化學中學習的電池的概念，將事先準備好的鎳氫電池、扣式鋰電池、鋰離子二次電池和普通堿性干電池按小組發放給學生，以小組形式討論：①電池的類型是什么？②簡單介紹電池的工作原理；③說明電池的優缺點以及如何回收，然后分組進行匯報分享。每組學生匯報后，教師對匯報內容進行總結和點評。

教學策略：采用分組討論和講解，教師點評的教學方式，激發學生學習積極性，培養其自主學習和歸納總結能力。

3.4 教師講解重點難點

3.4.1 教學重點

由于Li是最輕的金屬元素，它的標準電極電位是-3.045 V，是金屬中負電位最大元素，因此鋰離子二次電池的開發受到極大重視，與鎳氫電池（Ni/MH）性能的比較如表1所示。通過對比可知，與鎳氫電池還有鎳鉻電池相比，鋰離子二次電池具有更高的工作電壓、比能量和充放電壽命。

表1 普通Ni/MH，LIB及Ni/Cd電池性能比較

鋰離子電池結構和原理：鋰離子電池內部由四部分組成，包括Li的供體正極、受體負極、將正負極隔離的隔膜，以及負責離子傳輸的電解液，如圖3所示。鋰離子二次電池（Lithium Ion Battery，LIB）也被稱為搖椅電池，是通過鋰離子的嵌入和脫嵌而存儲電荷，因此是一種鋰離子濃度差電池。充放電中，Li在正負極之間往返嵌入和脫嵌。以商業化的鋰離子電池為例，充電時，Li從正極脫嵌，通過電解質和隔膜嵌入負極，使負極處于富鋰態，正極處于貧鋰態；放電時，Li從負極脫嵌進入正極。鋰電池的主要材料由正負極材料和電解質構成，電解液目前主要采用有機電解液，譬如六氟磷酸鋰，因此電化學電位窗口比水系要寬，工作電壓可以達到3 V以上。鋰離子電池還需要隔膜材料將正負極分開，需要有耐有機溶劑的隔膜材料，一般采用高強度薄膜化的聚烯烴多孔膜。

圖3 鋰離子二次電池的工作原理[5]

當LIB電池以碳材料替代Li負極，高電位的LiCoO作正極的二次電池后，循環性能和安全性能得到大幅度提高，其電池反應為：

LIB負極材料：目前商品化的鋰離子電池主要采用石墨作為負極材料，理論能量密度為372 mAh/g，但由于LIB主要用于電動汽車上，需要長的續航里程，故受限于石墨負極理論能量密度，鋰離子電池最高比能量只有150 wh/kg左右，即使使用更好的正極材料，也只能接近于200 wh/kg，仍無法滿足實際應用的需要，因此需要開放更多的負極材料，實現整體電池達到300 wh/kg的目標。除此之外還有其他負極材料，例如金屬鋰、鋰合金、新型碳材料、金屬氧化物，最近研究較多的還有硅碳負極材料。目前只有特斯拉電動汽車上采用了Si基負極材料，其他大多用的是石墨負極材料，見表2。

表2 LIB負極材料的演變過程

雖然金屬Li容量最高，但在LIB電池的長期充放電中，Li與有機電解質發生反應，發生枝晶生長，并形成樹枝狀沉積物（如圖4），導致電池內部短路。納米碳材料具有傳統碳材料無法比擬的高比容量。納米碳管由于特殊的管狀結構，鋰離子不僅可嵌入管內，還可嵌入管壁縫隙，具有嵌入深度小、過程短、嵌入位置多等優點，可提高Li電池的充放電容量。用納米碳管作負極，電池理論容量超過石墨嵌Li化合物理論容量一倍以上。

圖4 鋰枝晶的掃描電鏡圖[8]

LIB正極材料：LIB電池的Li離子源由正極材料提供。LiCoO是最早商品化的正極材料，由于Co資源少(地球已探明Co儲量為1 000萬噸，而Mn量是Co的500倍)，人們開發了LiNiO、LiMnO材料，如表3所示。

表3 LIB正極材料的性能

教學策略：著重講解鋰離子二次電池的結構原理、正負極材料演化及與其他幾類電池的容量對比和區別，以圖表形式展示，使學生更直觀理解和掌握本節課的重點知識，提升教學效果。

3.4.2 思政元素與教學內容融合

鈷酸鋰是最早商品化的正極材料，它的發現者Goodenough先生（圖5）在2019年以97歲高齡獲得諾貝爾化學獎，除了層狀結構的鈷酸鋰(LiCoO)，他以一己之力還發現了尖晶石結構的錳酸鋰(LiMnO)、橄欖石結構的磷酸鐵鋰(LiFePO)。

圖5 John Bannister Goodenough

Goodenough先生起初在耶魯大學學習古典文學，之后轉到哲學，為了補學分，選修了2門化學課，教授看中其數學天賦，建議他學習數學，最終取得了數學學士學位；二戰爆發，先生參加美國空軍，退役后到芝加哥大學進修學習物理，后來牛津大學化學系出現空缺，得到了這個職位，成為了無機化學實驗室主任，這期間他開始了鋰離子電池的研究，彼時他已54歲，但鋰離子電池三個重要的正極材料都是出自他之手；90歲之后提出全固態鋰電池，也是目前鋰離子電池提高比能量的出路所在。他的名氣雖然足夠高，但他從來沒有覺得自己足夠好，還在不斷前行。

教學策略:介紹諾貝爾化學獎獲得者Goodenough先生在鋰離子電池領域的貢獻和生平，培養學生大膽創新和終身學習的意識。

3.4.3 教學難點

區別鋰離子電池和鋰電池：早期的是鋰電池，鋰離子電池是由鋰電池發展而來。鋰電池的正極材料是二氧化錳或亞硫酰氯，負極是鋰。電池組裝完成后即有電壓，不需充電。這種電池也可以充電，但循環性能不好，在充放電循環過程中，容易形成鋰結晶，造成電池內部短路，所以一般情況下這種電池是禁止充電的。

教學策略：通過放發的電池實物，介紹區別鋰離子電池和鋰電池，使學生更好地區分和理解本節課所學鋰離子電池的工作原理。

3.5 教學內容拓展

3.5.1 教學團隊研究成果

介紹課程團隊老師最新研究成果金屬有機骨架化合物（MOFs）來源的超級碳負載的過渡金屬及其轉化物，材料設計思路為采用外延生長對ZIF-8進行包覆，實現了中空結構；將Ni和Co的離子交換，實現了CoNi雙位點；在Co的催化作用下，形成的短碳納米管提高了材料的電池容量和循環穩定性，見圖6。因為我們知道當顆粒小到原子級別，原子利用率幾近于100%，從而提高材料的利用率。該材料組裝的電池能量密度可以達到400 mAh/g，比商品化的石墨負極性能明顯提高。

圖6 材料制備過程示意圖[11]

教學策略：將課程團隊教師相關的最新研究成果引入課堂，使學生了解目前研究動態，拓寬視野，培養科研興趣和創新意識，增強自信心。

3.5.2 為何要研發“無鈷電池”？

（1）鈷價格貴：相關數據顯示，2018年探明的全球鈷金屬的總儲量只有710萬噸，而特斯拉一輛Model3的動力鋰電池用鈷量可能就會達到10 kg以上，所以假如不考慮回收的話，最多到2026年全球就會出現“無鈷可用”的狀態。所以鈷的價格就顯得十分昂貴，大約占動力鋰電池成本的10%。

（2）鈷的開采問題：在已經探明的710萬噸鈷中有52%都在剛果，而剛果的政局比較混亂，用“黑工”、童工等問題嚴重，絲毫不符合人道主義，馬斯克甚至描述三元鋰離子電池是“帶血的電池”。所以從各個方面來看“無鈷電池”也是大家都要努力去研發的。

（3）鈷作為稀缺資源，其價格波動將很大程度上影響三元材料的價格。假如新能源汽車產量進一步上升，意味著鈷價可能重新暴漲。寧德時代、松下、LG化學等電池廠商都在努力推行電池無鈷化，不過還未實現。

（4）無鈷電池不僅可以提高電性能，提升壽命和提高安全性，而且可以降低成本，擺脫正極材料對鈷的依賴。在現有三元體系的鋰離子動力鋰電池中，正極材料的成本占比達到30%~45%。以523體系為例，鈷在其中的占比達20%。作為戰略性資源，鈷的價格波動將會直接影響到鋰電池的成本。

教學策略：結合目前開發“無鈷電池”的研究熱點，延伸教學內容，拓寬學生的認知范疇，培養專業責任感。

3.6 鋰離子電池的應用

鋰離子二次電池目前主要用于便攜電子產品、電動汽車、能量存儲及其他如心臟起搏器等小型電子器件，航空航天，航海領域等等。然后播放電動汽車小視頻《了不起，我的國》，了解國產比亞迪電動汽車的發展狀況及所采用技術在國際上的發展水平。

教學策略：本部分通過重點講授的鋰離子電池在日常生活、公共交通和航空航天領域的應用，通過《了不起，我的國》短視頻展示我國電動汽車發展的狀況，增加學生的自信心，培養勇于創新、砥礪奮斗精神和家國情懷。

3.7 本節課小結

3.7.1 新能源材料

為緩解和解決能源危機，發展新能源材料是實現新能源的轉化和利用以及發展新能源技術的關鍵，是發展新能源的核心和基礎。

3.7.2 鋰離子電池

鋰離子電池由鋰電池發展而來，是通過鋰離子的嵌入和脫嵌而存儲電荷，因此是一種鋰離子濃度差電池，充放電中，Li在正負極之間往返嵌入和脫嵌。充電時，Li從正極脫嵌，通過電解質和隔膜，嵌入負極，使負極處于富鋰態，正極處于貧鋰態；放電時，Li從負極脫嵌進入正極。在LIB電池的長期充放電中，Li與有機電解質發生反應，發生枝晶生長，并形成樹枝狀沉積物，導致電池內部短路。而硅碳負極和三元正極材料為目前最有潛力的電極材料。

3.7.3 應用領域

鋰離子電池主要應用在便攜電子產品、電動汽車、能量存儲和心臟起搏器等小型電子器件、航空航天、航海領域等。

教學策略：總結本節課所學內容，再次強調重難點知識，加深學生的印象。

3.8 隨堂測驗與課后作業

3.8.1 隨堂測驗

通過“學習通”發布隨堂測驗：①敢上九天攬月，嫦娥五號靠什么動力電源?A.鉛酸蓄電池；B.鎳氫電池；C.鋰離子電池；D.太陽能電池；E.燃料電池；②通過今天的課程學習，你知道現在特斯拉電動汽車上所用的鋰離子電池的正負極材料是哪種嗎？A.正極磷酸鐵鋰，負極石墨；B.正極三元材料，負極硅碳材料；C.正極鈷酸鋰，負極硅碳材料；D.正極鈦酸鋰，負極二氧化錫。

教學策略：通過“學習通”平臺發布隨堂練習，所選題目與嫦娥五號登月和現有特斯拉電動汽車使用的電池結合，培養學生理論聯系實際、分析問題的能力，同時也能檢驗學習效果，反饋對重點知識的掌握程度。

3.8.2 課后作業

下節課學習燃料電池和太陽能電池能源轉化的原理、分類及結構，請同學們觀看“學習通”上的視頻并查閱資料了解燃料電池和太陽能電池與本節所學鋰離子二次電池的區別。

教學策略：本節課學習鋰離子電池使學生對新能源產生了濃厚的興趣，布置課后作業既預習了下節課知識，又將前后學習內容有機地聯系起來，培養學生融會貫通的能力。

4 教學總結與反思

（1）本節課通過精心的教學設計，采用問題導入、分組討論、圖表、視頻等一系列的教學方法和手段，簡明形象地介紹鋰離子電池的結構原理及其與其他電池性能區別、存在問題、正負極材料研究現狀及應用領域。結合生活中常用的電源類型，理論聯系實際，引導學生思考，激發學習興趣，也使比較枯燥無味的專業授課變得興趣盎然，學生能較好理解掌握本節課的重點和難點，提升教學效果，同時培養了自主學習和歸納總結能力。

（2）結合課程團隊最新研究成果和開發“無鈷電池”的研究熱點，延伸教學內容，拓寬學生的認知范疇，培養科研興趣、創新意識和專業責任感，增強自信心。結合諾貝爾化學獎獲得者Goodenough先生在鋰離子電池領域的貢獻和生平介紹，激發學生熱情，培養學生大膽創新和終身學習的意識。通過《了不起，我的國》短視頻展示我國電動汽車發展的狀況，增加學生的民族自信心，培養學生勇于創新、砥礪奮斗精神和家國情懷，引導學生樹立正確的世界觀、人生觀、價值觀。

（3）通過“學習通”平臺發布隨堂練習，檢驗學習效果，反饋對重點知識的掌握程度，實現了閉環的教學形式。課后作業將理論與實際、前后學習內容有機地聯系起來，培養學生分析問題和融會貫通的能力。