当代化工研究
Modem Chemical Research
132教学研究2021・04
*颜美徐平果崇申*
（哈尔滨工业大学化工与化学学院黑龙江150001）
摘耍：高等教育要坚持以立德树人为基本准则，把德育融入课堂教学，因此加强课程思政教育应作为课程目标的首要任务.物理化学作为大学化学中一门极其重要的基础课，深度挖掘该课程的思想政治教育元素，把基础教育与人文素养相结合，培养全方位的高素质人才°本文以荣获2019年诺贝尔化学奖的锂离子■电池为例，从电池结构、工作原理到电池性能等多个方面引申出电化学的一些基本原理和共同规律，从而将晦涩的书本知识明朗化，培养学生理论联系实际，并应用于解决实际问题的综合能力.同时给学生引出诺贝尔奖获得者背后的故事，树立人生的榜样；了解国内锂离子电池行业的迅猛发展，弘扬民族自强不息的奋斗 精神，树立民族自信心，激起爱国之情；认识到锂离子电池行业存在的挑战，确走未来的奋斗目标，指明前进的方向，化爱国之情为报国之行！
关键词：物理化学；课程思政；电化学；锂离子电池；诺贝尔奖
中EB分类号：G64；06文献标识码：A
Desigh of Ideological and Political Education in Electrochemistry of Physical
Chemistry------Taking Lithium Ion Battery as An Example
Yan Mei,Xu Ping,Guo Chongshen*
(School of Chemistry and Chemical Engineering,Harbin Institute of Technology,Heilongjiang,150001) Abstract:Higher education should adhere to the basic principle of m oral education and integrate moral education into classroom teaching. Therefore,strengthening ideological and p olitical education should be regarded as the p rimary task ofcurriculum goal.Physical chemistry is one of t he most important basic courses in university chemistry.The ideological and p olitical education elements of t his course are deeply explored,and the basic education and humanistic quality are combined to cultivate all-round high-quality talents.In this paper,taking the2019Nobel Prize in chemistry of lithium ion battery as an ex
ample,some basic p rinciples and common laws of e lectrochemistry are introducedfrom battery structure,working p rinciple to performances,etc.,thus materialize obscure book knowledge and cultivate students'comprehensive ability of c ombining theory with practice and applying it to solve p ractical p roblems.Meanwhile,the story about the Nobel Prize winner is told to the student and setting a model f or them in life. The rapid development of l ithium ion battery in our country spreads theflghting spirit of o ur nation,sets up national confidence and arouses p atriotic enthusiasm.The challenges in the lithium ion battery have given them a clear goal and direction f or the f ixture,and turned p atriotism into a trip to serve the country!
Key words：physical chemistry^ideological and p olitical education^electrochemistry^lithium ion battery^the Nobel p rize
全国高校思想政治工作会议强调，要坚持把立德树人作为中心环节，把思想政治工作贯穿教育教学全过程，实现全程育人、全方位育人，努力开创我国高等教育事业发展新局面切。大学阶段是一个人走向社会的过渡阶段，不仅是学生学习文化知识的最后教育阶段，也是学生在精神、道德、人格方面逐步定型，进而走向社会的最后准备阶段。大学阶段的教育目标是促进人在德智体美劳等方面更高质量的全面发展。德是做人的根本，课程思政应将德育置于课程目标之首。其中，专业课程蕴含丰富的思政元素，一方面，专业知识本身具有明显的价值倾向、家国情怀等；另一方面，教师可以通过深度挖掘，在已有
思政元素的基础上实现进一步拓展和开发図。
物理化学作为化学的一门专业基础课，是在物理和化学两大学科基础上发展起来的。它以丰富的化学现象和体系为对象，大量采纳物理学的理论成就与实验技术，探索、归纳和研究化学的基本规律和理论，构成化学科学的理论基础。学习物理化学，可以了解化学变化过程中的一些基本规律，同时加深对前期所学课程如无机化学、有机化学、分析化学的理解，打好专业基础，并可以进一步扩大知识面。另外，本门课程还教会学生学习前人提出问题、考虑问题和解决问题的方法，培养学生独立思考和独立解题的能力。为贯彻落实教育的重要论述和全国教育大会精神，落实立德树人根本任务，深入挖掘各类课程和教学方式中蕴含的思想政治教育元素，现以锂离子电池为例，就物理化学中电化学部分内容的课程思政教学进行初步的探索。
1设计理念
电化学主要是研究电能和化学能之间的相互转化以及转化过程中相关规律的学科。能量的转变需要一定的条件（即要提供一定的装置和介质）。例如，化学能转变成电能必须通过原电池来完成，电能转变成化学能则需要借助于电解池来完成。物理化学这门课程着重于讨论电化学中的一些基本原理和共同规律闻。理论要联系实际，并服务于实际。培养学生用所学理论知识解决实际问题的能力。教育部关于一流本科课程建设的实施意见中指出，要提升高阶性和突出创新性：课程目标坚持知识、能力、素质有机融
合，培养学生解决复杂问题的综合能力和高级思维。课程内容强调广度和深度，突破习惯性认知模式，培养学生深度分析、大胆质疑、勇于创新的精神和能力；建设适应新时代要求的一流本
2021・04教学研究当代化工研究127
Modem Chemical Research■!J J
科课程，要求教学内容体现前沿性与时代性，及时将学术研究、科技发展前沿成果引入课程⑷。2019年诺贝尔化学奖授予美国固体物理学家约翰・巴尼斯特・古迪纳夫(John B Goodenough)>英国化学家斯坦利•威廷汉(Stanley Whittingham)和日本化学家吉野彰(Akira Yoshino)，以表彰他们发明锂离子电池方面做出的贡献。锂离子电池的出现彻底改变了能量存储技术，并促成了移动革命的实现，还使一个无化石燃料的世界成为可能。将锂离子电池这一前沿成果引入课堂，既体现了教学内容的前沿性与时代性，同时结合课程思政元素将原本枯燥的理论知识加以融会贯通，又可以加深对知识的理解，培养学生解决复杂问题的综合能力和高级思维。
2.具体案例：走进诺贝尔化学奖——锂离子电池
(1)课程学习内容
①导体及其分类；
②电池的结构、阴阳极和正负极；
③电池工作原理；
⑤极化作用；
⑥通过锂离子电池的充放电过程了解化学电源的二次电池。
我们日常生活中所使用的智能手机和笔记本电脑以及电动汽车的电池就是锂离子电池。锂离子电池由正负极材料、隔膜和电解质溶液组成。其中正负极材料作为电极材料属于第一类电子导体，此时可以引出导体的定义和分类，以及第一类导体和第二类导体的不同，通常电极材料都是第一类导体，依靠自由电子的定向运动而导电，而电解质溶液都是第二类导体，依靠离子的定向迁移而导电。锂电中正极材料一般为钻酸锂(LiCo02)材料，负极材料为石墨或活性炭；隔膜位于正极和负极之间，主要作用是将正负极活性物质分隔开，防止两极因接触而短路，一般采用高强度薄膜化的聚烯坯多孔膜，其含有微孔结构，可以让锂离子自由通过，而电子不能通过；电解质溶液是在有机溶剂中溶有电解质锂盐的离子型导体，常用的锂盐，如六氟磷酸锂(LiPF6).四氟硼酸锂(LiBF/、高氯酸锂(LiClOp，由于电池的工作电压远高于水的分解电压，因此锂离子电池常釆用有机溶剂，如乙烯碳酸酯、丙烯碳酸酯、二乙基碳酸酯等。
图1锂离子电池工作原理示意图
在电池中如何区分正负极，根据物理学中的定义，以正电荷的运动方向为电流方向，且电流总是从电势高的正极流向电势低的负极，这与电子的流向刚好相反。而《物理化学》教材中一般采用电化学中公认的约定，把发生氧化作用的电极称为阳极，把发生还原作用的电极称为阴极。结合实际的锂离子电池，要区分正负极还是阴阳极需要了解实际的电子流向，因此可以结合电池的工作原理来解释(图1)。锂离子电池充电过程：钻酸锂电极一侧有锂离子生成，生成的锂离子通过电解质溶液穿过隔膜运动到对电极的一侧，并嵌入碳层的微孔中。两侧电极反应方程式可写为方程式(1)和(2)，电池总反应方程式为(3)。此处涉及的知识点是电极反应及电池总反应的书写方式。此时的电池是电解池，带正电的锂离子从钻酸锂一侧运动到碳电极，与电流方向相同，电势高的一侧是钻酸锂，因此，钻酸锂电极为负极，碳电极应该为负极，同时钻酸锂发生氧化反应为阳极，而碳电极发生还原反应为阴极。放电过程也就是我们使用过程的电池是原电池，与充电过程正好相反。放电过程中嵌在碳层中的锂离子脱出，又穿过电解液运动回钻酸锂电极中，同时电子通过外电路与锂离子的运动同向，也是从负极的碳电极运动到正极的钻酸锂电极，电势高的钻酸锂是正极，碳电极为负极，电极反应方程式如(4)和(5)及电池总反应方程式(6)o由此可见，电池的正负极与阴阳极并无直接关系，二者只是定义的方式不同。
充电过程(电解池)
正极(阳极)：LiCo02^Li^^oO^xLi++xe"(1)
负极(阴极)：C+xLi++xe-二CLix(2)
电池总反应：LiCo02+C=Li1_x Co02K：Li x(3)
放电过程(原电池)
正极(阴极)：Li T x Co02+xLi++xe"^LiCo02(4)
负极(阳极)：CLi x^C+xLi++xe_(5)
电池总反应：Li^CoO^CLi^LiCoO^C(6)
理论上，若电池的充放电过程在可逆条件下进行，则充电时外加电源的电压等于原电池的电动势就可以完成充电过程，但实际外加的电压往往比电池的电动势大得多，这就造成能源的浪费，出现这种现象的原因就是由于极化作用导致超电势的存在。此处涉及的知识点是可逆电池及不可逆电池，电解及极化作用。
锂离子电池作为化学电源的二次电池，可以在充、放电过程反复多次循环利用。由此引出化学电源的定义及其分类。化学电源的性能通常用电池容量等参数来衡量，引出几种参数的定义及其单位。锂离子电池在充电过程中，嵌入负极的锂离子越多，充电容量越高；而放电过程中，回正极的锂离子越多，放电容量就越高。通常我们所说的电池容量指的就是放电容量。
锂离子电池最大的优点是离子能嵌入到电极上。其他大多数电池都是基于化学反应，而在化学反应中，电极会缓慢而稳定地改变。当锂离子电池充电或放电时，离子在电极之间流动，不与周围环境发生反应。这意味着电池的寿命更长，在充电数百次后性能才会下降。
⑵思政元素
①
诺贝尔奖获得者背后的故事—
—学习榜样的力量约翰•巴尼斯特•古迪纳夫(John B.Goodenough)>斯坦利•威廷汉(Stanley Whittingham)和吉野彰(Yos-hino Akira)三位科学家因为在锂离子电池方面做出的贡献，共同获得了2019年诺贝尔化学奖。诺贝尔委员会的奥洛
当代化工研究
Modem Chemical Research
134教学研究2021・04
夫•拉姆斯特伦说，锂离子电池“使移动世界成为可能”。锂离子电池在全球为我们用来交流、工作、学习、听音乐和寻知识的便携式电子设备提供动力。古迪纳夫，美国固体物理学家，现在，年过九旬的古迪纳夫仍坚持每天上班，希望能在有生之年研发出超级电池。苏联作家法捷耶夫说过，青年的思想愈被榜样的力量所激动，就愈会发出强烈的光辉。诺贝尔化学奖作为化学领域的至高荣誉，本身就代表了所有化学工作者奋斗的最高目标，而诺贝尔化学奖获得者古迪纳夫的这种把解决全球能源危机的超级电池作为毕生追求的目标更是我们所有科研工作者（不仅仅是学生）学习的榜样。
②我国锂离子电池的发展一树立民族自信心
我国90年代初开始研究锂离子电池电极材料和电池，1996年研制成功移动电话、摄像机用18650型电池，电池的容量达到日本索尼公司的电池水平，但到2000年，锂离子电池的生产尚处于起步时期，还没有一家企业进入规模化生产阶段。但是，由于国家鼓励发展锂离子电池的生产，将其列入“863”计划及“九五”重点攻关项目，并投入大量的财力和物力，极大地促进了民族锂离子电池工业的发展固。之后，许多企业开始大规模生产锂离子电池，我国的锂离子电池产量呈现逐年增长的良好趋势，并且出口额也逐年上升，根据国家海关统计，2018年我国锂离子电池出口额达到10&25亿美元间。近年来，我国锂离子电池行业骨干企业高度重视创新能力建设，研发投入保持了高速增长。宁德时代、国轩高科、天津力神等企业先后研发出能量密度超过300Wh/kg的单体三元电池。此外，国内磷酸铁锂电池单体能量密度也己突破190Wh/kgo2019年锂离子电池出口持续增长，出口金额130.3亿美元，同比增长20.3%，
延续高速增长态势。我国锂离子电池进出口贸易顺差持续扩大。众多锂离子电池企业逐步走向国际化
2020年3月29日比亚迪发布的刀片电池，是拥有我国自主知识产权的新的锂电产品。“刀片电池”通过结构创新，在成组时可以跳过“模组”，大幅提高了体积利用率，最终达成在同样的空间内装入更多电芯的设计目标。相较传统电池包，“刀片电池”的体积利用率提升了50%以上，也就是说续航里程可提升50%以上，达到了高能量密度三元锂电池的同等水平。中国科学院院士欧阳明高分析指出，“刀片电池”的设计使得它在短路时产热少、散热快，并且评价其在“针刺试验”中的表现“非常优异”
与此同时，国内的科学家团队也在此领域做出了不凡的成就。复旦大学夏永姚团队开发出一种可在零下70°C条件下使用的锂离子电池，采用凝固点低、可在极端低温条件下导电的乙酸乙酯作为电解液，并使用两种有机化合物作为电极，分别为PTPAn阳极和PNTCDA阳极。传统锂电池在零下20°C时性能只有其最优水平的50%，零下40°C时只有最优水平的12%。俄罗斯和加拿大等极寒地区温度低于零下50°C；在太空中，温度甚至低至零下1579。这款电池未来有望在地球极寒地区甚至外太空使用，这部分工作发表在著名的美国能源学术期刊《焦耳》上闻。
③锂离子电池技术未来的发展方向一确定奋斗目标
尽管锂离子电池得到了长足的发展，但依然还存在许多挑战。包括有：A.有机液态电解液易燃性在电化学器件中的安全隐患；B.锂离子电池的充电速度受到限制，快速充电会引起金属锂在石墨负极的不均匀
沉积造成枝晶的形成和电池
短路问题；C.锂离子电池的过度充电会导致正极材料氧气的析出，引起电池的爆炸。此外，电池单元和电池组的匹配和监测问题，大规模电池系统（如特斯拉7000个电池单元）高昂的检测和制造成本问题。单一提高碳基负极材料的比表面积并不能解决主要矛盾“叭了解了锂离子电池存在的挑战可以确定未来的奋斗目标，利用现在学过的知识及掌握的解决复杂问题的能力去迎接这些挑战。确定奋斗目标就为未来指明了方向，心中有明灯，前行的路更亮！
3结语
物理化学中电化学部分讲述了电化学的基本原理和共同规律，本文以锂离子电池为例，将课程中涉及的基本知识具体化，形象化，同时结合诺贝尔奖背后的故事及国内锂离子电池行业的发展情况引入了课程的思政元素，为学生树立学习的榜样，加强民族自信心，并根据锂离子电池未来发展的挑战，确立奋斗目标，化爱国之情为报国之行，做祖国现代化建设的接班人。
【参考文献】
[1]习近平总书记在全国高校思想政治工作会议重要讲话.新华社,2016-12-8.
[2]许涛.构建课程思政的育人大格局.人民网,2019-10-18.
[3]傅献彩，沈文霞，姚天瓠侯文华.物理化学（第五版）下册.北京：高等教育出版社,2018:1-2.
[4]教育部关于一流本科课程建设的实施意见.[2019-10-24] v/gongbao/content/2020/content_5480494. htm
[5]蔡民生.我国锂离子电池行业的发展现状及趋势[J].通信电源,2000,14:18-21.
[6]林虹，曹开颜.2018年我国锂离子电池市场现状与发展趋势[J].电池工业，2019,23:216-223.
[7]余雪松.我国锂离子■电池产业国际竞争力明显提升[J].中国计算机扌艮,2020-7-20.
[8]比亚迪发布“刀片电池”.中国E）报网,2020-3-29.
[9]Xiaoli Dong,Zhaowei Guo,Ziyang Guo,Yonggang Wang, Yongyao Xia.Organic Batteries Operated at-70X2!.Joule,2018, 2:902-913.
[10]John B.Goodenough特邀撰文：锂电发展的前世今生及未来应重点关注的研究方向.[2019-10-12]xw.qq/ cmsid/20191012A05E6400
【基金资助】
工科物理化学混合式教学研究与探索，哈尔滨工业大学混合式教学模式改革项目
【作者简介】
颜美（1984-），女，黑龙江哈尔滨人，博士，副教授，哈尔滨工业大学化工与化学学院.；研究方向：微生物燃料电池，材料化学.
【通讯作者】
果崇申（1982-），男，黑龙江哈尔滨人，博士，教授，哈尔滨工业大学化工与化学学院；研究方向：纳米生物，纳米催化，纳米医学.
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议