“绿色化学”课程中锂离子电池的教学设计与实践

王芳，高亚辉，于海峰，王龙，张拦

（洛阳理工学院环境工程与化学学院，河南洛阳471023）

党的“十八大”以来，以习近平同志为核心的党中央高度重视教育工作，坚持把教育摆在优先发展战略地位。建设高等教育强国必须坚持“以本为本”，把本科教育放在人才培养的核心地位，放在教育教学的基础地位，放在新时代教育发展的前沿地位。“绿色化学”作为高校化学、化工及其相关专业开设的一门专业选修课，它具有明确的社会需求和科学目标，是实现循环经济和可持续发展的重要科学技术基础。该课程包含绿色化学基本原理、绿色化学品生产过程中涉及的原料、催化剂、溶剂及合成技术以及绿色材料等内容，具有内容涉及面广和新颖等特点。为建设“绿色化学”一流课程，围绕以“学生发展为中心，产出导向，持续改进”理念，做好每节课的教学设计，再采用灵活多样的教学方法和手段组织和实施，是实现教学目标的基础和关键环节。本文以锂离子二次电池（LIB）教学内容为例，在确立教学目标的基础上，明晰了教学设计的思路，采用问题导入、分组讨论、视频等多元化的课堂教学策略进行组织和实施，并以润物无声的形式将勇于创新、民族自信等思政元素有机地融入教学过程中，达到了知识传授、能力培养、价值观引领“三位一体”的教学目标。

1 教学目标

1.1 知识目标

通过对本节内容的学习，使学生了解新型能源类型、绿色能源材料，掌握新能源材料种类，锂离子二次电池的结构原理、优缺点及其应用领域。

1.2 能力目标

培养学生理论联系实际，培养基于绿色化学基本原理，对新型能源和能源材料进行分析评价的能力。

1.3 素质目标

强化绿色、可持续发展、生态平衡的意识，培养学生热爱专业、勇于创新，培养人文情怀、民族自信的爱国精神，树立正确的价值观。

2 教学设计思路

“绿色化学”课程授课对象为应用型本科院校应用化学专业大三学生，学生已经学习了“物理化学”“无机化学”和“有机化学”等课程，对知识的实际应用感兴趣，已具有一定的分析和解决问题的能力。通过对教学内容重构和优化，使之更贴近专业培养目标。教学过程注重激发学生的学习热情，注重理论联系实际和应用能力的培养，以润物无声的方式将科学精神、创新意识、民族自信和专业责任感的思政元素融入课堂，使学生树立正确世界观、人生观和价值观，见图1。

图1 教学设计思路

3 教学组织与实施

3.1 问题导入

首先回顾“绿色化学”十二条原则里涉及资源和能源充分利用的两条知识：合理使用和节省能源，即生产过程应在温和的温度和压力下进行，使能耗最低，高效率地使用能量；利用可再生资源合成化学品，即尽量采用可再生的原料，特别是用生物质代替化石能源。然后提出两个问题：一是日常生活、工业上用到的能源有哪些？煤、石油、天然气、水能（海洋能）、核能、风能、太阳能、生物质能、地热能、氢能、生物柴油、绿色电池；二是这些能源中哪些是新型能源、绿色能源、可再生能源？为什么要发展新能源、绿色能源?

教学策略：从大家熟悉的日常生活和工业上用的能源提出问题，引导学生思考，使教学内容更加“接地气”，更加贴近生活，激发学生学习兴趣，从而引出本节课所要学习的内容。

3.2 能源现状与新能源材料

目前，世界能源消耗还是以煤、石油、天然气之类的矿物能源为主，不但严重破坏生态环境，而且矿物能源不可再生，能源枯竭已成为共识。我国作为发展中大国，能源消耗巨大，能源利用率不高，能源结构也不合理。2009年，中国风力发电量达到了25.8亿瓦，超过了德国的25.77亿瓦，仅次于美国35亿瓦。2020年，中国将投入足以实现年发电量150亿瓦的风力涡轮机，成为世界最大的风能生产国。尽管在新能源领域有了大规模的增长，但风力发电量只占据中国电力消耗总量的1%。为缓解和解决能源危机，科学家提出资源与能源最充分利用技术和环境最小负担技术。新能源与新能源材料是两大技术的重要组成部分。新能源的发展必须依靠利用新的原理来发展新的能源系统，同时还必须依靠新材料的开发与利用，才能使新系统得以实现，并提高其利用效率，降低成本。发展新能源材料是解决能源危机的根本途径。新能源材料指能实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术所需的关键材料，它是发展新能源的核心和基础。新能源材料分类包括：储氢合金为代表的储氢材料，嵌锂碳负极和LiCoO正极为代表的锂离子电池材料，质子交换膜电池为代表的燃料电池材料，硅半导体为代表的太阳能电池材料，生物质能及铀、氘、氚为代表的反应堆核能材料。

由图2对比可以看出，核能具有最高的体积能量密度和质量能量密度，但核能属于不可再生能源；其次是煤等传统能源或者由传统能源生产的燃料；然后就是电化学能源载体，也就是我们熟悉的电池等。可以看出这些能源载体具有较好的体积能量密度和质量能量密度，而且相比于火力发电（热水）是一种高效的能量利用方式。因此，发展绿色二次电池是解决能源危机的根本途径。

图2 不同能源载体的能量密度对比图

教学策略：着重介绍能源危机的现状，新能源材料的概念和分类，说明发展新能源材料是解决能源危机的根本途径。将新能源材料的类型与学生已有知识联系起来，使学生学习兴趣盎然。同时学生也能体会到，可以用化学专业知识解决能源危机，培养专业责任感。

3.3 分组讨论与分享

首先提出“什么是电池？你能说出几种常用的电池类型吗？”的问题，回顾物理化学中学习的电池的概念，将事先准备好的镍氢电池、扣式锂电池、锂离子二次电池和普通碱性干电池按小组发放给学生，以小组形式讨论：①电池的类型是什么？②简单介绍电池的工作原理；③说明电池的优缺点以及如何回收，然后分组进行汇报分享。每组学生汇报后，教师对汇报内容进行总结和点评。

教学策略：采用分组讨论和讲解，教师点评的教学方式，激发学生学习积极性，培养其自主学习和归纳总结能力。

3.4 教师讲解重点难点

3.4.1 教学重点

由于Li是最轻的金属元素，它的标准电极电位是-3.045 V，是金属中负电位最大元素，因此锂离子二次电池的开发受到极大重视，与镍氢电池（Ni/MH）性能的比较如表1所示。通过对比可知，与镍氢电池还有镍铬电池相比，锂离子二次电池具有更高的工作电压、比能量和充放电寿命。

表1 普通Ni/MH，LIB及Ni/Cd电池性能比较

锂离子电池结构和原理：锂离子电池内部由四部分组成，包括Li的供体正极、受体负极、将正负极隔离的隔膜，以及负责离子传输的电解液，如图3所示。锂离子二次电池（Lithium Ion Battery，LIB）也被称为摇椅电池，是通过锂离子的嵌入和脱嵌而存储电荷，因此是一种锂离子浓度差电池。充放电中，Li在正负极之间往返嵌入和脱嵌。以商业化的锂离子电池为例，充电时，Li从正极脱嵌，通过电解质和隔膜嵌入负极，使负极处于富锂态，正极处于贫锂态；放电时，Li从负极脱嵌进入正极。锂电池的主要材料由正负极材料和电解质构成，电解液目前主要采用有机电解液，譬如六氟磷酸锂，因此电化学电位窗口比水系要宽，工作电压可以达到3 V以上。锂离子电池还需要隔膜材料将正负极分开，需要有耐有机溶剂的隔膜材料，一般采用高强度薄膜化的聚烯烃多孔膜。

图3 锂离子二次电池的工作原理[5]

当LIB电池以碳材料替代Li负极，高电位的LiCoO作正极的二次电池后，循环性能和安全性能得到大幅度提高，其电池反应为：

LIB负极材料：目前商品化的锂离子电池主要采用石墨作为负极材料，理论能量密度为372 mAh/g，但由于LIB主要用于电动汽车上，需要长的续航里程，故受限于石墨负极理论能量密度，锂离子电池最高比能量只有150 wh/kg左右，即使使用更好的正极材料，也只能接近于200 wh/kg，仍无法满足实际应用的需要，因此需要开放更多的负极材料，实现整体电池达到300 wh/kg的目标。除此之外还有其他负极材料，例如金属锂、锂合金、新型碳材料、金属氧化物，最近研究较多的还有硅碳负极材料。目前只有特斯拉电动汽车上采用了Si基负极材料，其他大多用的是石墨负极材料，见表2。

表2 LIB负极材料的演变过程

虽然金属Li容量最高，但在LIB电池的长期充放电中，Li与有机电解质发生反应，发生枝晶生长，并形成树枝状沉积物（如图4），导致电池内部短路。纳米碳材料具有传统碳材料无法比拟的高比容量。纳米碳管由于特殊的管状结构，锂离子不仅可嵌入管内，还可嵌入管壁缝隙，具有嵌入深度小、过程短、嵌入位置多等优点，可提高Li电池的充放电容量。用纳米碳管作负极，电池理论容量超过石墨嵌Li化合物理论容量一倍以上。

图4 锂枝晶的扫描电镜图[8]

LIB正极材料：LIB电池的Li离子源由正极材料提供。LiCoO是最早商品化的正极材料，由于Co资源少(地球已探明Co储量为1 000万吨，而Mn量是Co的500倍)，人们开发了LiNiO、LiMnO材料，如表3所示。

表3 LIB正极材料的性能

教学策略：着重讲解锂离子二次电池的结构原理、正负极材料演化及与其他几类电池的容量对比和区别，以图表形式展示，使学生更直观理解和掌握本节课的重点知识，提升教学效果。

3.4.2 思政元素与教学内容融合

钴酸锂是最早商品化的正极材料，它的发现者Goodenough先生（图5）在2019年以97岁高龄获得诺贝尔化学奖，除了层状结构的钴酸锂(LiCoO)，他以一己之力还发现了尖晶石结构的锰酸锂(LiMnO)、橄榄石结构的磷酸铁锂(LiFePO)。

图5 John Bannister Goodenough

Goodenough先生起初在耶鲁大学学习古典文学，之后转到哲学，为了补学分，选修了2门化学课，教授看中其数学天赋，建议他学习数学，最终取得了数学学士学位；二战爆发，先生参加美国空军，退役后到芝加哥大学进修学习物理，后来牛津大学化学系出现空缺，得到了这个职位，成为了无机化学实验室主任，这期间他开始了锂离子电池的研究，彼时他已54岁，但锂离子电池三个重要的正极材料都是出自他之手；90岁之后提出全固态锂电池，也是目前锂离子电池提高比能量的出路所在。他的名气虽然足够高，但他从来没有觉得自己足够好，还在不断前行。

教学策略:介绍诺贝尔化学奖获得者Goodenough先生在锂离子电池领域的贡献和生平，培养学生大胆创新和终身学习的意识。

3.4.3 教学难点

区别锂离子电池和锂电池：早期的是锂电池，锂离子电池是由锂电池发展而来。锂电池的正极材料是二氧化锰或亚硫酰氯，负极是锂。电池组装完成后即有电压，不需充电。这种电池也可以充电，但循环性能不好，在充放电循环过程中，容易形成锂结晶，造成电池内部短路，所以一般情况下这种电池是禁止充电的。

教学策略：通过放发的电池实物，介绍区别锂离子电池和锂电池，使学生更好地区分和理解本节课所学锂离子电池的工作原理。

3.5 教学内容拓展

3.5.1 教学团队研究成果

介绍课程团队老师最新研究成果金属有机骨架化合物（MOFs）来源的超级碳负载的过渡金属及其转化物，材料设计思路为采用外延生长对ZIF-8进行包覆，实现了中空结构；将Ni和Co的离子交换，实现了CoNi双位点；在Co的催化作用下，形成的短碳纳米管提高了材料的电池容量和循环稳定性，见图6。因为我们知道当颗粒小到原子级别，原子利用率几近于100%，从而提高材料的利用率。该材料组装的电池能量密度可以达到400 mAh/g，比商品化的石墨负极性能明显提高。

图6 材料制备过程示意图[11]

教学策略：将课程团队教师相关的最新研究成果引入课堂，使学生了解目前研究动态，拓宽视野，培养科研兴趣和创新意识，增强自信心。

3.5.2 为何要研发“无钴电池”？

（1）钴价格贵：相关数据显示，2018年探明的全球钴金属的总储量只有710万吨，而特斯拉一辆Model3的动力锂电池用钴量可能就会达到10 kg以上，所以假如不考虑回收的话，最多到2026年全球就会出现“无钴可用”的状态。所以钴的价格就显得十分昂贵，大约占动力锂电池成本的10%。

（2）钴的开采问题：在已经探明的710万吨钴中有52%都在刚果，而刚果的政局比较混乱，用“黑工”、童工等问题严重，丝毫不符合人道主义，马斯克甚至描述三元锂离子电池是“带血的电池”。所以从各个方面来看“无钴电池”也是大家都要努力去研发的。

（3）钴作为稀缺资源，其价格波动将很大程度上影响三元材料的价格。假如新能源汽车产量进一步上升，意味着钴价可能重新暴涨。宁德时代、松下、LG化学等电池厂商都在努力推行电池无钴化，不过还未实现。

（4）无钴电池不仅可以提高电性能，提升寿命和提高安全性，而且可以降低成本，摆脱正极材料对钴的依赖。在现有三元体系的锂离子动力锂电池中，正极材料的成本占比达到30%~45%。以523体系为例，钴在其中的占比达20%。作为战略性资源，钴的价格波动将会直接影响到锂电池的成本。

教学策略：结合目前开发“无钴电池”的研究热点，延伸教学内容，拓宽学生的认知范畴，培养专业责任感。

3.6 锂离子电池的应用

锂离子二次电池目前主要用于便携电子产品、电动汽车、能量存储及其他如心脏起搏器等小型电子器件，航空航天，航海领域等等。然后播放电动汽车小视频《了不起，我的国》，了解国产比亚迪电动汽车的发展状况及所采用技术在国际上的发展水平。

教学策略：本部分通过重点讲授的锂离子电池在日常生活、公共交通和航空航天领域的应用，通过《了不起，我的国》短视频展示我国电动汽车发展的状况，增加学生的自信心，培养勇于创新、砥砺奋斗精神和家国情怀。

3.7 本节课小结

3.7.1 新能源材料

为缓解和解决能源危机，发展新能源材料是实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术的关键，是发展新能源的核心和基础。

3.7.2 锂离子电池

锂离子电池由锂电池发展而来，是通过锂离子的嵌入和脱嵌而存储电荷，因此是一种锂离子浓度差电池，充放电中，Li在正负极之间往返嵌入和脱嵌。充电时，Li从正极脱嵌，通过电解质和隔膜，嵌入负极，使负极处于富锂态，正极处于贫锂态；放电时，Li从负极脱嵌进入正极。在LIB电池的长期充放电中，Li与有机电解质发生反应，发生枝晶生长，并形成树枝状沉积物，导致电池内部短路。而硅碳负极和三元正极材料为目前最有潜力的电极材料。

3.7.3 应用领域

锂离子电池主要应用在便携电子产品、电动汽车、能量存储和心脏起搏器等小型电子器件、航空航天、航海领域等。

教学策略：总结本节课所学内容，再次强调重难点知识，加深学生的印象。

3.8 随堂测验与课后作业

3.8.1 随堂测验

通过“学习通”发布随堂测验：①敢上九天揽月，嫦娥五号靠什么动力电源?A.铅酸蓄电池；B.镍氢电池；C.锂离子电池；D.太阳能电池；E.燃料电池；②通过今天的课程学习，你知道现在特斯拉电动汽车上所用的锂离子电池的正负极材料是哪种吗？A.正极磷酸铁锂，负极石墨；B.正极三元材料，负极硅碳材料；C.正极钴酸锂，负极硅碳材料；D.正极钛酸锂，负极二氧化锡。

教学策略：通过“学习通”平台发布随堂练习，所选题目与嫦娥五号登月和现有特斯拉电动汽车使用的电池结合，培养学生理论联系实际、分析问题的能力，同时也能检验学习效果，反馈对重点知识的掌握程度。

3.8.2 课后作业

下节课学习燃料电池和太阳能电池能源转化的原理、分类及结构，请同学们观看“学习通”上的视频并查阅资料了解燃料电池和太阳能电池与本节所学锂离子二次电池的区别。

教学策略：本节课学习锂离子电池使学生对新能源产生了浓厚的兴趣，布置课后作业既预习了下节课知识，又将前后学习内容有机地联系起来，培养学生融会贯通的能力。

4 教学总结与反思

（1）本节课通过精心的教学设计，采用问题导入、分组讨论、图表、视频等一系列的教学方法和手段，简明形象地介绍锂离子电池的结构原理及其与其他电池性能区别、存在问题、正负极材料研究现状及应用领域。结合生活中常用的电源类型，理论联系实际，引导学生思考，激发学习兴趣，也使比较枯燥无味的专业授课变得兴趣盎然，学生能较好理解掌握本节课的重点和难点，提升教学效果，同时培养了自主学习和归纳总结能力。

（2）结合课程团队最新研究成果和开发“无钴电池”的研究热点，延伸教学内容，拓宽学生的认知范畴，培养科研兴趣、创新意识和专业责任感，增强自信心。结合诺贝尔化学奖获得者Goodenough先生在锂离子电池领域的贡献和生平介绍，激发学生热情，培养学生大胆创新和终身学习的意识。通过《了不起，我的国》短视频展示我国电动汽车发展的状况，增加学生的民族自信心，培养学生勇于创新、砥砺奋斗精神和家国情怀，引导学生树立正确的世界观、人生观、价值观。

（3）通过“学习通”平台发布随堂练习，检验学习效果，反馈对重点知识的掌握程度，实现了闭环的教学形式。课后作业将理论与实际、前后学习内容有机地联系起来，培养学生分析问题和融会贯通的能力。