圓柱電池生產制備工藝虛擬仿真實驗教學建設探索

李美顏 呂強

青海大學新能源光伏產業研究中心 西寧 810016

0 引言

隨著“碳中和”“碳達峰”理念的提出，新能源產業規模不斷擴大和行業比重持續增加，對新能源人才需求不斷上升，使得新能源材料與器件專業人才培養顯得尤為重要，各高校在人才培養質量和教學質量方面需不斷提高[1-2]。電化學儲能技術是實現 “碳中和”的重要支撐。鋰離子電池儲能是電化學儲能的主要部分。鋰離子電池的生產制備與充放電性能測試是新能源材料與器件專業實驗實踐教學的重要組成部分，不僅可以讓學生了解產業前沿，拓寬學生知識面，提升學生動手能力，還可以促進產業—教學—研究結合，提高企業對學生認可度和專業度[3-4]。圓柱鋰離子電池（簡稱“圓柱電池”）是工業生產鋰離子電池的重要產業支柱之一，將圓柱電池的生產制備與充放電性能測試引入大學生的實驗實踐教學，是將企業生產與人才培養相結合的關鍵，是培養高質量、高素質創新型人才必不可少的環節。然而圓柱電池在生產制備過程中存在著使用儀器設備數多、耗材多、危險系數高等問題，使得將圓柱電池實驗項目融入高校實驗實踐教學較為困難[5]。同時，為深入貫徹習近平總書記關于教育的重要論述和全國教育大會精神，落實新時代全國高校本科教育工作會議精神，各大高校統籌規劃踐行課程改革，打造精品課程的理念，實驗課程改革刻不容緩[6-8]。

虛擬仿真實驗是將傳統實驗教學無法實現或完成的實驗環節和實驗項目通過信息化手段展現出來，以實現教育資源共享的一種課程教學形式[9-10]。圓柱電池傳統生產制備工藝與虛擬仿真實驗相結合，實現了線上+線下、虛實結合的教學模式，是傳統實驗教學改革的一種創新方式，有利于提高傳統實驗教學質量，豐富實驗教學環節，提高學生學習的主動性和積極性，提高學生對知識的了解和掌握，并將知識與實踐相結合，提高學生的動手能力，讓學生提前了解和掌握新能源企業生產圓柱電池的方法步驟、流程和相應的技術，進一步促進產業—教學—研究的相融合。

1 圓柱電池傳統生產制備工藝實驗教學現狀

圓柱電池作為動力電池中常見的一種鋰離子電池，具有容量高、重量輕、壽命長等特點，廣泛應用在工業生產中[11]。將圓柱電池生產制備融入新能源材料與器件專業本科實驗教學，促進本科實驗教學內容的豐富和多樣化，提高學生動手和創新能力，也是產業—教學—研究相結合的體現。但圓柱電池生產制備在本科生人才培養過程中仍面臨著許多問題，如實驗設備缺少、本科生人數多、實驗場地小、教學時間少等，這些問題導致實驗教學質量和效果不理想，從而導致產業—教學—研究的效果不理想。

1.1 課堂實驗教學的局限性

傳統的課堂實驗教學雖能讓學生親自動手操作，親身體驗每個實驗教學環節，但是傳統實驗教學仍存在一定的局限性，課程學時數、實驗室場地、學生人數等限制使一些操作復雜、步驟繁多的實驗項目很難充分展現實驗教學的效果。圓柱電池生產制備工藝涉及正負極漿料制備、極片涂布、極片輥壓、極片分條、極耳焊接、卷繞等一系列步驟，如圖1 所示。

圖1 圓柱電池生產制備工藝流程

生產制備一個完整的圓柱電池將耗費學生大量的時間，時間將超過本科生課程教學安排課時數。以18650 型磷酸鐵鋰/石墨體系的圓柱電池生產制備為例，按照制備100 mL 流動性好、混合均勻的漿料，單臺真空攪拌機在真空攪拌過程中需要耗費15 小時，制備正負極片漿料需耗費30 個小時。因此，圓柱電池生產制備在本科實驗教學中受到時間的影響較為突出。圓柱電池在生產制備過程中一條完整的生產線需要涉及16臺左右不同的儀器設備，每臺儀器設備只能由一人操作，限制了學生動手操作實踐環節的充分開展。隨著本科生招生規模不斷擴大，實驗教學過程中的單臺儀器設備很難保證每個學生都有機會動手操作。而且，在圓柱電池生產制備過程中，用到電解液危化品，在學生人數多、實驗教學場地有限的情況下，很難保證學生在操作過程中均能按照教師要求進行，有些步驟存在一定的安全隱患，如在圓柱電池中注入電解液時可能會發生電解液外漏、電池短路以及局部熱量過大等，都會影響實驗安全正常地進行，即使耗費大量的師資和時間做重復性的教學實驗，也很難保證教學質量和效果。

1.2 實驗考核評價的局限性

圓柱電池生產制備工藝在實驗教學過程中存在著一定的考核評價的局限性，如實驗教學內容單一、考核方式單一等。圓柱電池生產制備工藝繁雜，在實驗教學中很難改變實驗條件進行多個重復實驗，使得實驗教學內容較為單一，很難提高學生的動手能力。探索性實驗在圓柱電池生產制備實驗項目中很難開展，學生只能按照規定的實驗條件和實驗步驟進行，無法進行實驗教學的改革和創新，無法開發創新思維以及提高創造性。圓柱電池生產制備工藝耗時長、工藝繁雜，教師按照教學大綱完成教學任務，再按照實驗預習報告、實驗報告和實際操作三方面對學生的成績進行評價，這使得評價體系單一。實際操作方面由于受到儀器設備臺套數限制，成績上許多只能由教師客觀打分，并不能真正反映學生的真實水平，對學生的熱情和求知心理造成了一定的負面影響。傳統的圓柱電池生產制備工藝實驗在實驗考核評價方面存在著一定的局限性，實驗教學亟須改革，融合其他新元素和新技術，以提升實驗教學質量和人才質量。

2 虛擬仿真實驗教學與傳統實驗教學相融合

新工科背景下，社會對技術型創新型人才的需求也不斷增加。傳統實驗教學技術在培養技術型人才和創新型人才方面面臨著一些不利因素，如傳統實驗教學模式單一、教學內容單一以及實驗教學過程中不能多維度教學等。虛擬仿真實驗教學是借助信息化技術手段將一些傳統實驗教學難以實現的實驗過程和操作進行再現。通過在傳統實驗教學中引入虛擬仿真實驗，將傳統與科學相融合，有利于拓寬實驗教學的高度和廣度，不僅可以降低因購置和維護大量儀器設備所需要投入的費用，還可以避免資源閑置，讓學生能夠有更多機會接觸到不同的實驗教學條件環境和教學方式方法。虛擬仿真實驗的應用打破了傳統實驗教學在空間和時間上的限制，實現線上教學，充分展示了虛擬仿真實驗教學在新時代新工科背景下的優勢，豐富實驗教學內容環節，促進實驗教學質量的再提升，為培養創新型人才和技術型人才提供了一定的保證。

虛擬仿真實驗教學與傳統實驗教學的相融合體現了“虛實結合，以虛補實”原則[12]，是高校實驗教學改革的一種創新手段。在傳統實驗教學條件下，通過虛擬仿真實驗教學提高學生的動手能力，拓寬學生的知識面，以逼真的模擬場景還原真實的實驗教學條件，可滿足學生的實驗操作條件，激發學生的興趣愛好，提高學生理論知識與實踐相結合能力，讓學生掌握更多在傳統實驗教學上所不能接觸到的技術和知識，豐富學生的經驗和閱歷，有利于激發學生的求知欲與動手能力。面對購買和維護費用昂貴的大型儀器教學和高危險性、耗時長、實驗步驟繁雜的傳統實驗教學引入虛擬仿真實驗教學，可避免學生在實驗過程中對儀器所造成的損壞，降低實驗教學的師資投入，也可避免實驗教學事故發生，保證師生的安全。將虛擬仿真實驗教學與傳統實驗教學相結合，為構建良好安全穩定的實驗教學環境提供了可靠的保證，為提高實驗教學質量和人才培養質量奠定了堅實的基礎。

3 虛擬仿真實驗在圓柱電池生產制備工藝實驗教學項目中的應用

隨著能源發展，新能源產業在行業中比重日趨擴大，新能源產業技術型人才和創新型人才的培養也至關重要。在高校新能源材料與器件專業引入圓柱動力電池的生產制備生產線，將有利于提高專業培養人才質量，提高學生的實踐能力和創新創造能力，拓寬學生的就業方向，提高本科生的就業水平，使得學生更加容易獲得企業的認可。但圓柱電池制備生產線受到時間、耗材和原料、場地等限制，很難實現學生都動手操作。將圓柱電池生產制備工藝通過虛擬仿真實驗再現，學生可根據自身學習安排進行實驗預習，提前了解圓柱電池制備生產操作步驟和環節，降低圓柱電池制備過程中材料的浪費和操作失誤，提高圓柱電池制備效率，讓學生更加完整地接觸到新能源產業圓柱電池的生產制備與充放電性能測試技術，掌握新能源企業生產圓柱電池的產業鏈，為新能源企業的發展培養優質人才，充分發揮產業—教學—研究的重要作用。

本文所采用的虛擬仿真平臺為福建師范大學物理與能源學院虛擬仿真實訓中的鋰離子電池生產關鍵技術虛擬仿真項目平臺，主要模擬18650 圓柱電池2 200 mAh 的鈷酸鋰/石墨體系、2 200 mAh 的三元—石墨體系和1 400 mAh 磷酸鐵鋰/石墨體系的生產制備與充放電性能測試。圓柱電池生產制備虛擬仿真實驗的項目設計包括準備實驗、實驗預習、預習小測、仿真練習、仿真實驗、實驗報告六個模塊。實驗預習和預習小測通過答題模式檢驗學生預習、理論結合實際情況。學生通過仿真練習自主實現配方的配置和漿料制備等一系列操作，改變實驗條件，實現實驗教學的多元化發展，讓學生不斷嘗試，有利于激發學生的積極性和創造性，讓學生在課堂上發散思維，動腦思考，動手體驗。實驗條件的改變，可使得實驗課堂由枯燥無味變得生動有趣，學生在自主學習的環境中更有利于將理論知識轉化為實踐操作。通過仿真實驗檢測學生在實驗預習、預習小測和仿真練習上的學習效果，檢驗學生掌握和運用的情況。

在新能源材料與器件專業中引入圓柱電池生產制備虛擬仿真實驗，有利于將產業化生產圓柱動力電池生產線應用在高校的實驗實踐環節，提升學生的見識，鍛煉學生的動手能力，最大限度地將產業與科研反哺教學，將有限的資源最大化地服務于學生，提供可靠、安全、便捷的信息化技術支撐，以促進圓柱電池生產制備虛擬仿真實驗與傳統實驗教學的最大程度結合，豐富學生課堂知識，拓寬學生學識和眼界，提升新能源材料與器件專業實驗實踐教學質量。

4 結束語

新工科背景下，將虛擬仿真實驗與傳統實驗教學有機結合有助于產業—教學—研究結合，促進實驗教學改革，提升教學改革質量，優化人才培養質量和體系。在傳統實驗教學基礎上，融合虛擬仿真實驗，促使實驗課堂多元化發展，豐富實驗教學內容和教學手段。在全球環境紛繁復雜的大背景下，虛擬仿真實驗有利于突破實驗時間、場地、耗材等實驗課程的限制，圓柱電池生產制備虛擬仿真實驗在傳統實驗教學上的應用，將實現產學研協同育人，提高實驗教學質量，培養創新型技術型人才，為企業培養高質量人才奠定了堅實基礎。