浅谈《新能源材料与器件》本科课程的学习

刘 霄，卢 海，王金磊

（西安科技大学 材料科学与工程学院 陕西 西安 710054）

根据《国家中长期科学和技术发展规划纲要》，2020年可再生能源总量比重将提高到15%，2035年到2040年，可再生能源将占到我国一次能源总量的25%以上。新能源是相对于传统的化石能源来说的，以化石能源为主的能源消费模式已经难以满足可持续发展的要求,改善能源消费结构、减少对化石能源的依赖势在必行。在此背景下,发展环境友好、地域分布相对均衡且潜力无限的新能源成为各国共识。而新能源材料是发展新能源的核心和基础，发展方向是开发绿色二次电池、氢能、燃料电池、太阳能电池和核能的关键材料。我国在高性能锂电池材料方面取得重大进展，特别是锂电池动力电池的发展创造了有利条件，成为世界第二生产大国。基于市场和政策的有利形势，《新能源材料与器件》课程是符合社会发展需求的必然，如何选取课的内容，生动地讲好这门课，激发学生的学习兴趣和提升学生从事行业的基础与能力非常重要。在讲授经典知识点时将理论教学可视化，与科研相结合，以期增强学生学习的主观能动性，提高深入能力。

新能源材料与器件从内容上来说覆盖面是非常宽的，所有与新能源相关的材料选择和性能优化都属于新能源范畴。能量转化、能量储能甚至节能材料都算是新能源材料，而新能源包含范围也是非常广的，从二次电池、太阳能、燃料电池、核能、氢能、风能、潮汐能和生物能等等。所以一门课程要覆盖所有新能源方面，如果仅限于科普性的话对于学生没有多大的提升，应该根据专业有针对性的取舍。现在大部分书籍都是试图涵盖所有内容，而较为专业的书籍讲的又比较深，不适合本科生学习。基于此，我们需要避免简而全的同时，也要和研究生课程做出区别，以保证学生具备从事相关企业和研究所在工程应用和科学研究方面的能力。新能源材料从内容上覆盖物理、化学、材料到机械、电子等学科，所以根据学科要求需要达到不同的培养目的。以无机非金属专业为例，鉴于电池表现出相当可期的市场前景和利好政策，毕业生在新能源行业有着较为理想的发展空间。同时结合无机非金属的专业配置，学生已经掌握了无机非金属基础、工艺及材料的表征及结构分析等课程，而电池的多数材料属于无机非金属材料，和传统的无机非金属材料比如陶瓷、水泥和玻璃等有着非常相似的地方，比如工艺。抛开传统的就业，无机非专业在新能源电池材料平台上也展现出独有的优势，所以可以以电池为导向，从二次电池、燃料电池和超级电容。这些能源器件的阳极和阴极材料中大部分是属于无机非金属材料，它们中有着很多的共同点，结合起来学习有助于学生理解和区分。

以电池为主线，涵盖二次电池、燃料电池和超级电容的《新能源材料与器件》课程是一门综合性较强的技术课程。不仅包括了电池的原理、应用及器件，并且对于电池的制备和材料的选择、改性有着一定的掌握，另外应对国内外的发展和相关企业情况有着初步的了解。对于二次锂离子电池而言，其原理主要依靠Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌来工作。随着能源汽车等下游产业不断发展，锂离子电池的生产规模正在不断扩大。而对于燃料电池而言，其原理依靠一种将燃料与氧化剂的化学能通过电化学反应直接转换成电能的发电装置，氢燃料电池也是新能源汽车重要的分支。一个是储存释放电能，一个是化学能转化电能。其中有的概念比较抽象，理解起来需要一定的基础和想象力，达到真正的融会贯通和具备实践的能力往往很难。针对此，可视化和动画展示是不可或缺的，不再依赖于文字的描述，可以通过视频动画把微观世界生动地展现出来。比如：锂离子电池的充放电，充电时Li+在电解质中是怎么样迁移并发生电极反应，俘获电路中提供的电子？燃料电池中氢气在阳极发生怎样的氧化还原反应及不同离子或电子的传导轨迹？只有对整个原理非常清楚并融会贯通，后面才能熟练掌握并理解电池间的共同点和差异之处。通过形象的展示加深学生的理解，这在整个后来课程中基于高性能电池选取合适的材料和工艺的运用是非常重要的。

新能源是国家战略的重点和发展热点，也将在未来占据重要的一席，课程必须紧密结合实时动态，不断更新。石墨烯材料、特斯拉、三星手机电池爆炸、雾霾及各个国家电动汽车取代燃油车政策的出台或者初稿的讨论都是近年来的热点，而这些都和新能源，更进一步讲和电池能源密切相关。及时的把这些东西补充到课堂中更有利于激发学生的兴趣，拉近专业与实际的距离。把一些社会活动或者科技前沿通过课堂和学生讨论，用专业的知识去讨论理解，加强学生的主体和主观能动性。作为补充，辅助性的实验是不可或缺的。在工艺、原理和材料的理解基础上，进行二次电池的装配实验，让学以致用，在理论上和实践层面上互为补充，加深理解和记忆。《新能源材料与器件》课程是兼备实践和科学性的，在学习的时候要同时注重理论与实践，而且这门课和研究是分不开的。从课本图文到动画展示、实验、再到高校企业共建平台实践的路线，同时结合老师的科研探索，加强学生的专业能力培养。学习时更得有条理，有面有点，能总结宏观也能落到细节。不同的能源之间具备一定的相似性，可以抓住一条主线，加强理解。比如从能量密度和功率密度出发，把二次电池、燃料电池、超级电容很好的串联起来，提炼共性，把握差异，这样在材料的运用和理解上会更进一步。同时学生结合自身兴趣点或者热点进行选题研究，促进收集资料和总结汇报的能力。过程中也能够加深对所学知识的理解，提高自学和团队协作能力。