“新能源材料与器件导论”的课程思政探索——以“钾离子电池”为例

孙宏阳 邱振平 曾庆光 张业龙

（五邑大学应用物理与材料学院 广东·江门 529020）

“新能源材料与器件”专业是教育部为促进新能源、新材料、新能源存储器件等国家战略新兴产业发展而批准成立的重要专业之一。“新能源材料与器件导论”是新能源材料与器件专业的一门基础性综合课程，与专业知识体系的其他课程联系密切，具有很强的理论性和实践性。因此，将该课程与弘扬科学精神和思想政治教育相结合，不仅可以提升学生对科学家精神的价值认同，让学生自觉养成科学思维，同时可以激发同学的能源危机意识并增强其创新意识和使命责任感，进而引导学生热爱本专业，学好专业知识，回报社会的爱国主义精神。本文以钾离子电池这一部分内容为例，论述如何在“新能源材料与器件导论”课程教学中将科学精神与思政教育有机统一。

1 课程安排及课程思政

1.1 理论教学与课程思政

钾离子电池理论部分主要分为研究背景、组成原理两部分，现分别从上述部分进行案例讲解并挖掘思政元素。

（1）研究背景。随着工业现代化进程的不断深入，传统化石能源在使用过程导致的环境问题和能源短缺问题日益突出。为满足可持续发展战略，人们迫切需要发展绿色可再生能源（太阳能、风能、潮汐能等），但可再生能源往往并不稳定，受外界环境影响较大，比如太阳能受日照时间及强度的影响，风能与潮汐能受季节影响较大。为了将这些间歇性波动的能源收集起来，就需要将其转化为更稳定的电能进行存储，这就对电化学储能器件提出了更高的要求。在诸多储能器件中，锂离子电池由于其重量轻、能量密度高、缺乏记忆效应和环境友好性，在过去几十年里一直在便携式电子设备、电动汽车和智能电网领域占据主导地位。然而，由于锂矿资源的稀缺性和分布不均匀性，导致成本难以下降，储能市场迫切需要开发新一代低成本储能装置。钾（K）与锂（Li）处在同一主族，具有相似的物理化学性质，故锂离子电池的理论基础可以很好的移植到钾离子电池体系中。并且钾的还原电势（-2.93 V）相较于钠（-2.71 V）更接近于锂（-3.04 V），这意味着钾离子电池具有较高的能量密度。除此之外，钾矿资源还具有储量多、成本低（碳酸钾价格仅为7000 元/吨）、分布广等优势。故探索钾离子电池这一极具应用潜力的方向，对于今后电池行业的发展具有十分重要的意义。

引入课程思政：钾离子电池原料具有成本低廉及来源广泛的优点，本应引起科研人员的重视，然而，在过去近百年的时间内，人们一直认为金属钾不能与石墨等碳材料组成电池，直到美国俄勒冈州立大学David 教授对此提出质疑。在一次采访中，他指出：“这个假设是错误的，遗憾的是没有人对此提出异议。钾与锂的物化性质相近，基于现有的锂离子电池体系，组装钾离子电池在理论上是可行的”。为此，David 教授及他的团队在经过反复试验探索，尝试了多种实验条件，最终成功组装出可循环的钾离子电池。此后，钾离子电池开始引起研究人员的广泛关注。钾离子电池的成功制备，为大规模储能领域提供了新的方向，体现了科学家求真务实的科学精神。国家强大靠科技，科技强盛靠人才。科学事业的未来属于新时代的年轻人，当代大学生应当养成独立思考的理性思维方式，学习科学家不盲从权威，理性质疑，严谨论证的科研态度，为中国科技的发展贡献力量。

（2）组成原理。钾离子电池主要由正负极、隔膜、电解液四部分组成。其工作机制与锂离子电池类似，以普鲁士蓝为正极，石墨为负极组装而成的全电池为例，其充放电原理可以表示为：

正极反应：KFe[Fe(CN)6] K1-xFe[Fe(CN)6]+xK++xe-

负极反应：8C+xK+KC8

电池总反应：KFe[Fe(CN)6]+8C K1-xFe[Fe(CN)6]+KC8

钾离子电池在充电时，K+从正极材料（普鲁士蓝）脱出，进入电解液，在电场作用下嵌入负极材料（石墨）中，为了达到电荷平衡，电子同时通过外电路迁移至负极；放电时，K+从负极材料（石墨）脱出，随后在浓差作用下，嵌入正极（普鲁士蓝）材料中，同时电子通过外电路移动到正极，如此往复循环。

引入课程思政：钾离子电池基本原理并不复杂，而基于原理探索合适的正负极材料才是材料科学家的主要工作。以正极为例，钾离子较大的半径决定了正极材料应当是具有大的晶体间隙、稳定化学性质以及能量密度高的含钾材料。为此，材料科学家花费了大量时间探索并改进正极材料。普鲁士蓝最早是用于油画的蓝色染料，后来人们又发现普鲁士蓝可以用来治疗铊中毒。随后，科学家对普鲁士蓝进行深入研究后发现其具有钙钛矿结构，晶格中的过渡金属与亚铁氰根排列成的刚性开放框架具有较大的间隙。德国的Eftekhari 教授在查阅资料时发现普鲁士蓝的晶体结构非常符合钾离子电池正极的要求，他首先尝试将普鲁士蓝用作钾离子正极材料，所得电池具有良好的电化学稳定性。此后，研究者在对普鲁士蓝进一步研究时，发现增加普鲁士蓝中K+的含量可以有效提高全电池能量密度，还有研究者发现在普鲁士蓝框架中采用不同的过渡金属可以获得丰富的结构体系，从而获得更高的比容量及良好的倍率性能。以此可向同学说明，现代科技的进步离不开科研工作者的辛勤奋斗，科学体系的建立及完善需要广大科研人员的共同努力，是水滴石穿，量变到质变的过程。创新是科学家精神的重要组成，但创新并非一定是划时代的重大突破，赋予现有事物以新的应用是一种创新，对现有技术进行改进也是一种创新。大学生是未来祖国科技的重要新生力量，肩负着祖国科技富强的重要使命，在此背景下，努力学习文化知识，掌握专业技能，培养坚持不懈的钻研精神，是当代大学生成为创新型人才的关键。

1.2 实践教学与课程思政

钾离子电池组装实践。单纯的理论学习往往枯燥乏味，难以引起学生的学习兴趣。在理论学习的基础上，组织学生以小组为单位查阅合成钾离子正极材料相关资料并进行钾离子全电池组装实践。

引入课程思政：“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”。实践教学可以帮助学生在学习理论的过程中更加深刻地理解消化理论知识，同时培养其分析问题和解决问题的能力。虽然钾离子全电池的组装可以简单描述为在惰性气氛条件下，将正极壳、正极、隔膜电、解液、负极、垫片、负极壳依次组装并在压力机下压制成型。然而实际操作手法会极大影响成品电池的电化学性能。为此，美国阿贡实验室Brandon 教授经过反复对比测试，提出了2032 型纽扣全电池组装和测试的标准化流程，并研究了电极面积、活性物质质量、正负极片中心一致性、电解液注入量等可能影响全电池性能数据的因素，以解决纽扣电池数据可靠性和再现性问题。Brandon 教授对待实验的态度体现了科学家严谨理性的科学操守，以此可以引导学生尊重科学事实，恪守科学道德规范。养成良好的科研规范。追求真理至上，抵制学术浮躁，弘扬科学精神，是当代大学生成为国之栋梁的重要因素。

2 结论

本文以钾离子电池的理论学习和实践学习为例，对新能源材料与器件导论中的课程思政进行了案例研究。针对钾离子电池理论学习中的研究背景、组成原理，通过列举科学家在钾离子电池体系的建立以及正极材料的研发历程，使学生了解到科学的魅力，培养学生独立思考，理性质疑的唯物主义思想，以及求实、创新的科学精神。针对实践教学，以钾离子电池正极材料制备及全电池组装为例，结合Brandon教授在全电池组装和测试的标准化流程的贡献，引导学生学习科学家严谨理性的科学操守以及奉献、协同的科学精神。此外，从科学进步的曲折性上教育学生明白科学的进步需要持之以恒的毅力，追求真理的决心。理论结合实际，用鲜活的事例将学习科学家的高尚品格、弘扬科学精神与加强思政教育相结合，以达到寓教于学，寓学于践的目的。