課程思政融入“新能源材料與器件導論”課程初探索
——以“特種化學電源”為例

2022-03-16 21:45:06金傳玉徐彩萍趙利民

科教導刊·電子版 2022年18期

金傳玉，徐彩萍，趙利民，尹杰，李偉

（聊城大學材料科學與工程學院，山東聊城 252000）

0 引言

新能源技術是21世紀世界經濟發展中最具有決定性影響的五個技術領域之一，新能源材料與器件是實現新能源的轉化和利用以及發展新能源技術的關鍵，是由材料、物理、化學、電子、機械等多學科交叉，以能量轉換與存儲材料及其器件設計、制備工程技術為培養特色的戰略性新興專業[1]。“新能源材料與器件導論”是新能源材料與器件專業的一門基礎性綜合課程，是新能源材料與器件專業大學生進入大學以后所學的第一門與專業緊密相關的課程，具有很強的理論性和實踐性[2]。因此，將該課程與社會熱點話題和思想政治教育相結合，不僅能夠提高學生的專業認同感和榮譽感，而且能夠培養他們的國家意識、社會責任和獻身科學的精神，引導、鼓勵更多的畢業生到國家新能源行業和領域發揮作用。本文以特種化學電源這一課程主題為例，論述如何在“新能源材料與器件導論”課程教學中將專業知識、社會熱點話題和思政教育有機結合起來，讓思政教育潤物于無聲[3]。

1 理論教學與課程思政

特種化學電源理論部分主要分為研究背景、典型特種化學電源特點及發展現狀與趨勢兩部分，現分別從上述各部分進行理論講解并挖掘其中的思政元素。

1.1 研究背景

近年來，我國在深空探測領域取得一系列重大成就。“嫦娥五號”探測器攜帶月球樣品成功返航，“祝融號”火星探測器成功著陸火星表面，“天宮號”成功在軌部署并實現了航天員在軌工作多日，這不僅彰顯了我國日益增強的綜合國力，而且激發了全面科學熱情，提升了國家創造力、探索力和民族信心。根據特定的任務類型和目的地，一次性電池和充電電池都可以作為航天器的能源供體。然而，在一些極端太空環境下，鋰離子二次電池很難正常工作。例如，“神州”系列試驗飛船在返回過程中，降落傘的準確開啟關系到返回艙能否安全著陸。返回艙不僅要承受巨大的強震動和高自旋等問題，而且與大氣的摩擦產生大量熱量。這些極端環境對降落傘開啟電源提出了苛刻要求，傳統的鋰離子電池由于其電解質等問題，很難在此環境下正常工作。特種化學電源雖然是一個不起眼的器件，但是其性能優劣卻決定著空間任務能否順利完成。

課程思政：自古代起，中國人就有著飛天攬月、遨游太空的夢想。新中國成立以后，中國科學家經過不懈的努力，終于在1970年將中國第一顆人造地球衛星“東方紅一號”成功發射，開啟了中國人探索宇宙奧秘、和平利用太空的序幕。這也使中國成為繼蘇、美、法、日之后世界上第五個獨立研制并發射人造地球衛星的國家。“兩彈一星”和航天精神鼓舞并引領著中國科研工作者克服困難，不斷前進。中國航天精神具有五個特質，分別是忠誠愛國的政治品格、自力更生的創新精神、嚴慎細實的工作作風、大力協同的自覺意識、無私奉獻的擔當精神。習近平總書記在慶祝中國共產黨成立一百周年大會上的講話指出，要以更強大的能力、更可靠的手段捍衛國家主權、安全、發展利益。習近平總書記在首個“中國航天日”發表重要講話指出，探索浩瀚宇宙，發展航天事業，建設航天強國，是我們不懈追求的航天夢。經過幾代航天人的接續奮斗，我國航天事業創造了以“兩彈一星”、載人航天、月球探測為代表的輝煌成就，走出了一條自力更生、自主創新的發展道路，積淀了深厚博大的航天精神。設立“中國航天日”，就是要銘記歷史、傳承精神，激發全民尤其是青少年崇尚科學、探索未知、敢于創新的熱情，為實現中華民族偉大復興的中國夢凝聚強大力量。中國航天要大力弘揚“兩彈一星”精神，把黨的政治優勢、思想優勢、組織優勢轉化為新的競爭優勢、創新優勢和發展優勢，奮力建設航天強國。中國當代大學生站在“兩個一百年”奮斗目標的歷史交匯點上，要以“兩彈一星”研制者為榜樣，主動肩負起歷史重任，堅定信心，開創未來、砥礪奮進，創造無愧于黨、無愧于時代、無愧于人民的光榮成績。

1.2 典型特種化學電源特點及發展現狀與趨勢

（1）熱電池：熱電池是典型的一次性電池，是以熔鹽作為電解質，利用熱源使其熔化而激活的貯備型高溫熔鹽電池。它的電解質是由兩種或兩種以上的無機鹽組成的低共熔體。在常溫下，是不導電的固體；而在使用時，激活電流點燃電池內部煙火熱源，使電池內部溫度迅速上升后，電解質迅速熔融形成高導電率的離子導體。熱電池屬于化學電源體系，通過氧化還原反應將電極活性物質中的化學能直接轉化為電能，因此有較高的能量轉換效率。熱電池以熔融鹽作為電解質相對于以水溶液/有機溶劑作為電解質的電池有很多優勢。例如，高溫下熔融鹽具有高的離子電導率，能夠使熱電池在較高的電流密度下進行放電；以金屬鋰合金為負極使得熱電池具有較高的比能量和比功率；熔融鹽比水系或聚合物電解質具有更高的穩定性，能夠承受苛刻的環境，因此熱電池可在火箭強自旋、高震動等條件下正常工作；熱電池采用熱激活使其激活時間小于0.1s。熱電池的這些優勢使其一直被認為是探測器入軌、降落和著陸，降落傘部署，隔熱罩分離和減速火箭點火的重要動力源。我國熱電池技術研究比較晚，自20世紀70年代借鑒國外熱電池研究基礎上開始著手研究LiMX-FeS2熱電池體系。目前，熱電池的研究主要依靠國內軍工企業單位，科研院所及大學研究較少，這也嚴重制約了熱電池基礎知識的發展，導致目前熱電池性能很難滿足重型探測器日益增加的能量需求[4]。

（2）鋰-二氧化硫電池：鋰-二氧化硫(Li-SO2)是航空航天中應用最廣泛的一次電池系統，屬于液體正極系統，二氧化硫溶解在1M溴化鋰乙腈溶液中作為陰極(陰極和電解液)，鋰金屬作為陽極。二氧化硫在碳陰極集電器上被還原，形成不溶性的二硫酸鋰作為放電產物。通常采用螺旋纏繞設計來實現高比能量、最小電壓延遲、低至-40℃的良好低溫性能、長壽命(＞10年)和高脈沖功率能力。NASA已經將Li-SO2電池用于伽利略1號和惠根斯2號探測器、創世和星塵樣品返回艙，以及用于MER的著陸器。

（3）鋰-亞硫酰氯電池：Li-SOCl2是一種常用于空間應用的高能鋰一次系統。該體系以鋰為陽極，以含四氯鋁酸鋰(LiAlCl4)鹽的液態氯化亞砜(SOCl2)為陰極。螺旋纏繞設計通常是為了實現高比能量，特別是在中等放電率(390～410Wh/kg，875～925Wh/L，典型＜100W/kg)時。它在低溫(-40℃)下性能較差，存在明顯的電壓延遲。NASA在幾次太空任務中使用了這種高能電池系統，包括火星旅居者漫游者(1996)和深度撞擊(1995)任務，以撞擊坦普爾1號彗星。Li-SOCl2系統的一個改進版本被用于火星深空2號微探測器，設計用于承受大約8萬克的高撞擊，并能夠在-80℃的溫度下工作。

（4）鋰-氟化碳電池：Li/CFx電池也是首先作為商品的一種固體正極鋰電池，它的理論質量比能量約為2180Wh/kg，是固體正極體系中最高的。近期在軍事領域被用作士兵便攜式電源，受到了較大的關注。其開路電壓大約為3.2V，小倍率放電時，其工作電壓大約為2.5V-2.7V。Li/CFx電池以金屬鋰為負極，以固態氟化碳為正極，電解液通常為丙烯碳酸酯（PC）、1,2-二甲氧基乙烷（DME）的LiBF4溶液，其中氟化碳是由F2和碳粉反應制得的夾層化合物。在有機電解液中，氟化碳的化學穩定性非常高，即使溫度達到400℃，它也不會分解，所以Li/CFx電池具有很長的儲存壽命[5]。

課程思政：以熱電池、鋰-二氧化硫電池、鋰-亞硫酰氯電池和鋰-氟化碳電池為代表的特種化學電源因其優異的比能量、比功率和耐苛刻環境等特點，被廣泛地應用于太空探索領域。特種化學電源作為國防、航天、深海等領域的重要能源供體。因此，特種化學電源的性能也是國家綜合實力的表現。特種化學電源的高新技術主要集中在美國、日本、法國和德國等西方國家，各國對特種化學電源的技術進行了封鎖，以維持其在高端化學電源技術的壟斷地位。自新中國成立以來，我國不僅在特種化學電源領域受到國家社會的技術封鎖，在航天多個零部件如發動機、耐高溫涂層和先進電子器材等領域均受到西方國家的技術封鎖。我國科學家以特別能吃苦、特別能戰斗、特別能攻關、特別能奉獻的大無畏航天精神，經過無數次地探索,不斷地追求實現了我國在特種化學電源等領域多個由0到1的突破[6]。習近平總書記指出“偉大事業都始于夢想”，“偉大事業都基于創新”和“偉大事業都成于實干”。中國科研工作者正是有了航天夢想，在面對西方國家的技術封鎖的艱苦環境下，不斷創新，默默實干，才成就了我國在太空探索領域如今的偉大成就。航天夢是強國夢的重要組成部分，中國太空探索工作者們的精神特質激勵著一代代航天人，成就中國太空探索事業的一個又一個奇跡[7-8]。中國當代大學生站在邁向民族偉大復興的新起點，要學習中國航天工作者們艱苦奮斗、勇于探索、開拓創新的精神，嚴謹的科學精神；要學習他們志存高遠、無私奉獻的精神和高度的責任感。新時代的青年要不忘初心、牢記使命，以航天人為榜樣，以航天精神為代表的當代中國精神為坐標，不管從事什么職業，當以愛國為魂、務實為本、奉獻為根，切實擔當起黨和人民賦予的新時代使命任務，未來在各自崗位上乘風破浪、逐夢前行，為實現中華民族偉大復興的中國夢貢獻自己的力量。

2 結論