基于鋰離子電池回收的新能源固體廢物處理與處置教學(xué)改革

摘 "要：新能源背景下，高校應(yīng)順應(yīng)該領(lǐng)域快速發(fā)展的人才需求，充分結(jié)合固體廢物處理與處置課程特征，進(jìn)一步深化固體廢物處理與處置課程改革。該文在闡釋固體廢物處理與處置課程設(shè)置初衷的基礎(chǔ)上，分析新能源背景下固廢課程改革的現(xiàn)實意義，提出在拓展教學(xué)范疇、豐富教學(xué)形式、對接行業(yè)需求和改革考核體系等方面著力，深化固廢課程改革，提升專業(yè)課程教學(xué)質(zhì)量。通過創(chuàng)新課程改革，努力培養(yǎng)新能源固體廢物處理與處置領(lǐng)域的綜合型創(chuàng)新人才，為國家實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)提供人才保障。

關(guān)鍵詞：新能源；固體廢物處理與處置；課程教學(xué)；教學(xué)改革；人才培養(yǎng)

中圖分類號：G642 " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " " " " "文章編號：2096-000X（2025）07-0056-04

Abstract： In the context of the renewable energy， universities should comply with the demand for talents in the field of rapid development， fully combine the characteristics and further deepen the reform of Solid Waste Treatment and Disposal courses. Based on explaining the original intention of "Solid Waste Treatment and Disposal course， this paper analyzes the practical significance of solid waste course reform in the new energy background， proposes to expand the teaching scope， enrich the teaching form， connect with the industry demand， reform the assessment system and other aspects to deepen the solid waste course reform， thereby improving the teaching quality of professional courses. In doing so， we aim to educate talents with comprehensive ability and innovative thoughts in the field of renewable energy solid waste treatment and disposal for achieving the goal of carbon neutrality.

Keywords： renewable energy; "solid waste treatment and disposal; course teaching; teaching reform; talent cultivation

隨著傳統(tǒng)化石能源的不斷消耗，全球能源與環(huán)境危機(jī)日益嚴(yán)重。為了解決能源供需問題和環(huán)境污染問題，確保經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展，世界各國均開始積極探索能源轉(zhuǎn)型道路。以地理位置和氣候等自身條件出發(fā)，演變出了太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮芎统毕艿榷喾N新型能源模式[1]。但大多數(shù)可再生能源均受限于間歇性、不穩(wěn)定性及局域性等特點[2]，難以在電網(wǎng)中大規(guī)模直接使用，因此，能量的儲存同樣重要。鋰離子電池因其高能量密度和高功率輸出等優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用于能量的儲存[3]。在政府的支持和“雙碳”目標(biāo)的驅(qū)動下，我國新能源產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展快速，從上游的發(fā)電到下游的儲能均走在世界前列，鋰離子電池已經(jīng)在電動汽車領(lǐng)域大量使用，在大規(guī)模清潔能源儲能領(lǐng)域也極具潛力。但必須考慮到的是，鋰離子電池中含有大量的重金屬、有機(jī)物等難處理污染物，若不經(jīng)處理與處置，勢必會對生態(tài)環(huán)境和人類健康造成負(fù)面影響[4]。此外，新能源固廢中不乏Ni、Co、Li和Ag等高價值金屬元素，合理地回收可以緩解金屬資源短缺，并具有一定的經(jīng)濟(jì)效益[5]。

固體廢物處理與處置課程是環(huán)境科學(xué)與工程專業(yè)必修課之一，課程重點關(guān)注快速發(fā)展背景下的固體廢棄物的處理與處置與資源化利用。隨著21世紀(jì)工業(yè)的迅猛發(fā)展，勢必要衍生一系列新型的工業(yè)固體廢棄物。因此，固廢課程的教學(xué)要緊跟時代潮流，更要具有一定的前瞻性。新能源背景下，高校的固體廢物處理與處置課程必須立足于本行業(yè)發(fā)展的需要，培養(yǎng)研發(fā)、工藝、生產(chǎn)等多領(lǐng)域人才[6]。在新能源領(lǐng)域良好的發(fā)展勢頭和大量新能源器件面臨退役的前提下，高校作為培育人才的重要基地，需重視課程教學(xué)模式的改革，以行業(yè)人才需求為導(dǎo)向，不斷更新教學(xué)內(nèi)容和形式，使教學(xué)內(nèi)容與科研成果與行業(yè)接軌，從而為國家新能源發(fā)展提供創(chuàng)新型人才。綜上所述，為了培養(yǎng)適應(yīng)新能源背景下的環(huán)境領(lǐng)域前沿人才，本文將以鋰電池為例，圍繞退役鋰電池固體廢物的處理與處置展開論述，提出了新時代下的能源固廢教學(xué)改革方案。

一 "固廢教學(xué)改革建議

（一） "拓展理論知識教學(xué)范疇

固體廢物處理與處置課程涵蓋廚余垃圾、生活垃圾、工業(yè)固廢等各行各業(yè)固體廢物的無害化資源化處理，但由于各行業(yè)性質(zhì)不同，其固體廢物的物理化學(xué)性質(zhì)也有較大差異。因此，在對新型固體廢物處理時，需要首先充分了解其物理和化學(xué)組成，然后“對癥下藥”，可以資源化的成分將其回收再利用，難以資源化或回收價值不高的成分則需要采取一定的手段將其無害化或減量化處理[7]。

以退役鋰離子電池為例，其主要由正極、負(fù)極、隔膜和電解液組成。其中，正極占成本的30%～50%（隨著金屬價格的浮動，成本占比略有變化）[8]，且正極材料中含有Li、Co、Ni等多種有價金屬元素。因此，對于正極材料的回收應(yīng)以資源化為主要目標(biāo)，緩解資源短缺問題同時獲取一定的經(jīng)濟(jì)收益，從而實現(xiàn)廢舊鋰離子電池剩余價值的最大化。不同于正極材料，廢舊鋰離子電池中的電解液具有大量的有機(jī)組分和含氟物質(zhì)[9]，如碳酸酯類有機(jī)溶劑、LiPF6電解質(zhì)等。電解液的處理是廢舊鋰離子電池?zé)o害化處理的關(guān)鍵。綜上所述，在教學(xué)過程中需要學(xué)生充分掌握廢舊鋰離子電池的組成，了解其中各組分的環(huán)境影響和物理化學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而在原理上洞悉其回收方法。

其次，為培養(yǎng)行業(yè)的創(chuàng)新人才，需使學(xué)生充分了解主流及前沿廢舊鋰離子電池回收工藝（圖1）。一方面，以行業(yè)現(xiàn)有量產(chǎn)工藝為范本，深入分析廢電池的收集與分類、前端的電池放電與拆解、材料金屬提取和電池材料再生等各環(huán)節(jié)的作用和原理，評估其優(yōu)點和不足之處。這種批判性思維的培養(yǎng)將使學(xué)生具備改進(jìn)工藝的能力，為未來的創(chuàng)新和可持續(xù)性提供更好的解決方案。另一方面，為確保學(xué)生在職業(yè)生涯中始終與時俱進(jìn)，以近年來的電池回收文獻(xiàn)為教材，挖掘有實際應(yīng)用潛力的主流工藝（如碳熱還原法、鹽輔助焙燒法等），并將其分類梳理，掌握各類方法的核心思想與理論。

總之，對于新能源固廢處置這個新興且快速發(fā)展的行業(yè)，教學(xué)內(nèi)容不應(yīng)該局限于課本，而應(yīng)該更加注重實踐和跨學(xué)科的融合。新能源固廢處置是一個多領(lǐng)域交叉的復(fù)雜問題，涉及環(huán)境、化工、材料等眾多學(xué)科。只有將這些領(lǐng)域有機(jī)地結(jié)合起來，才能培養(yǎng)出具備綜合素養(yǎng)的專業(yè)人才。

（二） "加強(qiáng)實驗教學(xué)

固體廢棄物的處理與處置是一個實踐學(xué)科，不僅要打好學(xué)生的理論基礎(chǔ)，更要使學(xué)生學(xué)會理論指導(dǎo)實踐，提高學(xué)生的動手能力，真切感受廢物處置的各個環(huán)節(jié)[10]，并為將來學(xué)生走向崗位為社會解決實際問題而打下堅實基礎(chǔ)。由圖2可知，以廢棄鋰離子電池的回收為例，提出了新能源固廢的實驗設(shè)計方案，以提高學(xué)生對廢舊鋰離子電池的理解，直觀地感受鋰離子電池的組成及回收流程。

1 "固體廢物性質(zhì)分析

與傳統(tǒng)固廢不同，新型電力固廢的組成相對簡單，雜質(zhì)含量低。但以鋰離子電池為例，除傳統(tǒng)固廢的pH、含水率、可燃分等指標(biāo)，還需要檢測如荷電狀態(tài)、有機(jī)物成分其他多種待測的指標(biāo)。由于固相檢測方法與水相完全不同，掌握以上指標(biāo)的檢測對于固體廢物性質(zhì)的分析至關(guān)重要。因此，需設(shè)計相關(guān)實驗，使學(xué)生掌握以上指標(biāo)的測試分析方法。

圖2 "廢舊鋰離子電池回收實驗流程

該實驗主要讓學(xué)生掌握廢舊鋰離子電池荷電狀態(tài)檢測方法，正負(fù)極材料成分分析方法。采用萬用表可以測定電芯的電壓情況，初始測量后將電芯轉(zhuǎn)移至飽和氯化鈉溶液中進(jìn)行放電，以消除剩余電荷防止在拆解過程中短路起火。靜置放電后再次對剩余電壓進(jìn)行測量，以保證其放電完全。此過程中學(xué)生需掌握鋰離子電池的工作原理、短路原理以及放電過程中溶液內(nèi)的主要化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而對鋰離子電池有全面的認(rèn)知。放電后使用工具拆解電芯，手動分離其中的各個組分。由圖3可知，廢舊電芯各組分由以鋁箔為基體的正極片、以銅箔為基體的負(fù)極片、隔膜和鋼殼等組成。取正極片于管式爐中500 ℃真空熱解2 h以去除極片上的黏結(jié)劑（注意該過程需要做好通風(fēng)與尾氣處理工作，保證學(xué)生的安全與健康），待冷卻后取出可將正極粉末從極片上刮取下來，學(xué)生可采用X射線衍射儀對其進(jìn)行物相組成分析。拆解及分析過程中需要學(xué)生掌握鋰離子電池的組成結(jié)構(gòu)、黏結(jié)劑熱解去除原理、電極材料物相組成分析方法等。

圖3 "廢舊鋰離子電池的主要組成

2 "正極材料浸出實驗

如前文所述，正極材料作為鋰離子電池各組分中成本最高的部分，具有極大的回收價值。在理論課的基礎(chǔ)上，學(xué)生已對正極材料有了一定的認(rèn)識，但對其回收方法，還需要以實驗課的形式來理解學(xué)習(xí)。濕法酸浸是正極材料回收的主要手段，該實驗通過硫酸與雙氧水的協(xié)同作用，用于浸出磷酸鐵鋰電池正極粉末，使用原子吸收分光光度計測量浸出液中的金屬元素比重，并計算浸出率。通過該實驗，使學(xué)生理解酸浸出的基本原理，雙氧水在該體系內(nèi)的作用，學(xué)習(xí)浸出率的計算方法。此外，由于浸出過程需要控制終點pH，因此需要學(xué)生在浸出過程中使用pH計監(jiān)測溶液的實時pH，并根據(jù)反饋數(shù)據(jù)不斷調(diào)整硫酸用量保證其穩(wěn)定浸出。該實驗中pH監(jiān)測和金屬離子監(jiān)測分別需要用到pH計和原子吸收分光光度計，學(xué)生可進(jìn)一步學(xué)習(xí)其原理與使用方法。

3 "沉鋰實驗

在正極材料的回收中，由于鋰的戰(zhàn)略地位和高昂的價格，鋰元素的回收是最重要的部分。在上述浸出實驗完成后，金屬元素被浸出至酸溶液中，需要采取化學(xué)沉淀的方法對體系內(nèi)的金屬進(jìn)行分離提純。以磷酸鐵鋰浸出液為例，體系中含有少量的鐵元素，在沉鋰實驗開始前需要除鐵。采用NaOH溶液調(diào)節(jié)溶液pH至4～5，此時鐵元素發(fā)生水解沉淀為氫氧化鐵而被分離去除。在該過程中，學(xué)生可學(xué)習(xí)除鐵原理及實驗操作。除鐵后的溶液需加入沉淀劑碳酸鈉將碳酸鋰沉淀分離，分離后洗滌干燥即得到碳酸鋰產(chǎn)品。學(xué)生需要檢測溶液中的鋰含量并根據(jù)沉鋰原理計算碳酸鈉的添加量。最后可對收集得到的產(chǎn)品進(jìn)行純度檢測與計算，掌握碳酸鋰產(chǎn)品質(zhì)量的評價指標(biāo)。

理論是實踐的基礎(chǔ)，但理論應(yīng)用于實踐才能發(fā)揮其指導(dǎo)作用，在充分傳授理論知識的基礎(chǔ)上，學(xué)校可設(shè)立部分專項基金，鼓勵學(xué)生自主實踐，并在實踐中加以指導(dǎo)。在老師的指導(dǎo)下，學(xué)生自行發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，鍛煉學(xué)生獨立思考的能力。

（三） "豐富教學(xué)形式

固體廢物處理與處置課程是一門綜合性科目，不能一味地灌輸理論知識，其多數(shù)經(jīng)驗與技術(shù)來源于實際案例，因此，教學(xué)的重點是以實際工程為范本，分析固廢處置的各種方式，并以課堂理論為基礎(chǔ)，掌握每種技術(shù)的主要原理[11]。此外，在新能源行業(yè)快速發(fā)展的背景下，教科書的更新不能與實際發(fā)展速度匹配，這就需要借助網(wǎng)絡(luò)來尋找最新的實際案例，并分析其與傳統(tǒng)處置方法的異同，在原理上分析新工藝的主要優(yōu)勢，使學(xué)生思想與時俱進(jìn)。

以鋰離子電池回收為例，學(xué)生既需要了解鋰離子電池的組成和工作原理，還需要了解該行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，以上內(nèi)容范圍廣，涵蓋多個學(xué)科的基礎(chǔ)知識，無法直接在課本中呈現(xiàn)。而借助網(wǎng)絡(luò)，既可以直觀地感受鋰離子電池的工作原理，也可以更形象地了解其組成結(jié)構(gòu)。在鋰離子電池回收行業(yè)，國內(nèi)外多家企業(yè)采取不同的回收工藝路線，學(xué)生無法到達(dá)現(xiàn)場參觀，可以借助線上視頻的方式，對每條工藝路線加以理解。同時，線下理論課中，教師對于典型工藝或案例在原理上同學(xué)生一起分析，增強(qiáng)課堂互動，發(fā)散學(xué)生思維，進(jìn)而加深學(xué)生對各種工藝的理解。

此外，如前所述，新能源固廢處理是一個多領(lǐng)域的交叉學(xué)科，在教學(xué)過程中可邀請化工、材料等多領(lǐng)域?qū)＜覍?dǎo)師聯(lián)合授課，圍繞鋰電池的回收與再利用問題，多維度進(jìn)行講解，有助于培養(yǎng)學(xué)生全面思考問題的能力，促進(jìn)學(xué)生立體思維模式的形成。以化工生產(chǎn)領(lǐng)域為例，安全是一個至關(guān)重要的方面。在電池回收過程中，存在著諸多易燃物質(zhì)，如有機(jī)物和鋁粉，這帶來了一系列的安全隱患。因此，學(xué)生必須了解如何最大化地避免安全問題，并學(xué)習(xí)如何評估特定的回收工藝的安全性。在教學(xué)中，應(yīng)該強(qiáng)調(diào)安全意識和控制措施。學(xué)生需要了解不同化工環(huán)境下的安全要求和規(guī)范，學(xué)習(xí)正確的操作技巧、防護(hù)措施和緊急響應(yīng)方法，掌握火災(zāi)防范、爆炸風(fēng)險評估等方面的知識，并了解如何應(yīng)對意外事故。

（四） "以行業(yè)發(fā)展為導(dǎo)向

固體廢物處理與處置課程旨在為固廢處理行業(yè)培養(yǎng)創(chuàng)新人才，從而滿足未來我國對環(huán)境行業(yè)的人才需求。高校在課程改革的同時，應(yīng)順應(yīng)國家戰(zhàn)略和行業(yè)對創(chuàng)新型人才的需求，優(yōu)化課程教學(xué)目標(biāo)[12]。首先，要加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)調(diào)研，高校作為行業(yè)發(fā)展人才的培養(yǎng)方，應(yīng)熟悉行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，并對行業(yè)發(fā)展前景做出正確的判斷。具體方式可以是組織教師或委托專業(yè)調(diào)研機(jī)構(gòu)對當(dāng)前新能源產(chǎn)業(yè)進(jìn)行全面的調(diào)查分析，圍繞新能源行業(yè)近期發(fā)展現(xiàn)狀以及未來幾年的發(fā)展趨勢和人才需求進(jìn)行調(diào)研和探討，進(jìn)而做出合理預(yù)測。在此基礎(chǔ)上，適當(dāng)調(diào)整高校人才培養(yǎng)體系，課程結(jié)構(gòu)增加領(lǐng)域內(nèi)最新發(fā)展內(nèi)容，以順應(yīng)未來的行業(yè)需求。

此外，還應(yīng)加強(qiáng)與企業(yè)的交流合作。如前文所述，固體廢物處理與處置課程是典型的工程類科目，理論知識是人才培養(yǎng)的基礎(chǔ)，但實踐是更為重要的人才培養(yǎng)方式[13]。加強(qiáng)校企合作一方面可以促進(jìn)學(xué)校把握行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，使高校對行業(yè)的認(rèn)知保持更新，進(jìn)而才能培養(yǎng)適應(yīng)該領(lǐng)域發(fā)展的創(chuàng)新型人才。另一方面，校企合作的同時可以為學(xué)生創(chuàng)造更多的實習(xí)機(jī)會，讓學(xué)生有機(jī)會接觸行業(yè)內(nèi)專業(yè)的設(shè)備和工藝，加深對知識的理解和運用。

（五） "改革課程考核體系

傳統(tǒng)的固體廢物處理與處置課程一般采用考試（70%）和平時分（30%）的考核方式。而該課程是一門以實踐為主的學(xué)科，以上考核方式并不能完全評定學(xué)生的動手實踐能力和解決實際問題的能力。綜合考慮，給出以下兩點建議。

1 "提高學(xué)習(xí)過程考核占比

教學(xué)與考核是密不可分的兩部分，考核是掌握學(xué)生學(xué)習(xí)效果、反饋教學(xué)情況的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為充分反映這些信息，需要對課程評價體系做出相應(yīng)的調(diào)整。為了讓學(xué)生將時間和精力用在平時學(xué)習(xí)上，應(yīng)盡量避免一考定論的考核方式[14]。固體廢物處理與處置是一門以實驗和工程案例為主要教學(xué)內(nèi)容的課程，應(yīng)避免期末考試在總成績中占比過大，平時成績占比較低的狀況。加強(qiáng)對學(xué)習(xí)過程的考核可充分調(diào)動學(xué)生的參與度和積極性，為教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式的深化改革提供保障。例如平時分的評定還應(yīng)包含課堂中的積極主動性以及對問題的挖掘能力和解決問題的思維，而不是一味地依托考勤、簽到、作業(yè)等形式進(jìn)行平時分的評定。

2 "加強(qiáng)實驗及實踐過程的考核

針對學(xué)生對固廢行業(yè)的認(rèn)知需求，僅通過課堂教學(xué)難以滿足學(xué)生的需求。實驗和實踐教學(xué)可以幫助學(xué)生更好地理解和掌握固廢行業(yè)的相關(guān)知識和應(yīng)用。在實驗和實踐教學(xué)中，學(xué)生需要實際參與處理固廢的過程，了解固廢處理的技術(shù)和工藝，掌握相關(guān)的操作技能和知識。同時，實驗和實踐教學(xué)的考核也應(yīng)該重視過程，而不只是一味地以實習(xí)報告或?qū)嶒瀳蟾鏋榭己艘罁?jù)。這樣可以幫助學(xué)生更好地掌握學(xué)習(xí)過程，提高學(xué)習(xí)效果。此外，實驗和實踐教學(xué)還應(yīng)該注重學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作和溝通能力，培養(yǎng)學(xué)生的領(lǐng)導(dǎo)力和管理能力[15]。只有這樣，才能更好地滿足學(xué)生對固廢行業(yè)的認(rèn)知需求，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和實踐能力。

二 "結(jié)束語

在新能源的大背景下，固體廢物處理與處置行業(yè)把握新能源固廢處置的風(fēng)口尤為重要。推動固廢教學(xué)的改革不僅是國家戰(zhàn)略所需，更是社會和時代的需求。高校作為創(chuàng)新人才的培養(yǎng)基地，應(yīng)該主動創(chuàng)新課程教學(xué)方法，改進(jìn)傳統(tǒng)教學(xué)模式，豐富理論教學(xué)內(nèi)容，充分調(diào)研行業(yè)發(fā)展前景，積極對接行業(yè)人才需求，為國家新能源行業(yè)發(fā)展提供高質(zhì)量、多領(lǐng)域的綜合型創(chuàng)新人才。

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