王芳，高亞輝，于海峰，王龍，張攔

（洛陽理工學(xué)院環(huán)境工程與化學(xué)學(xué)院，河南洛陽471023）

黨的“十八大”以來，以習(xí)近平同志為核心的黨中央高度重視教育工作，堅持把教育擺在優(yōu)先發(fā)展戰(zhàn)略地位。建設(shè)高等教育強國必須堅持“以本為本”，把本科教育放在人才培養(yǎng)的核心地位，放在教育教學(xué)的基礎(chǔ)地位，放在新時代教育發(fā)展的前沿地位?！熬G色化學(xué)”作為高?；瘜W(xué)、化工及其相關(guān)專業(yè)開設(shè)的一門專業(yè)選修課，它具有明確的社會需求和科學(xué)目標，是實現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟和可持續(xù)發(fā)展的重要科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)。該課程包含綠色化學(xué)基本原理、綠色化學(xué)品生產(chǎn)過程中涉及的原料、催化劑、溶劑及合成技術(shù)以及綠色材料等內(nèi)容，具有內(nèi)容涉及面廣和新穎等特點。為建設(shè)“綠色化學(xué)”一流課程，圍繞以“學(xué)生發(fā)展為中心，產(chǎn)出導(dǎo)向，持續(xù)改進”理念，做好每節(jié)課的教學(xué)設(shè)計，再采用靈活多樣的教學(xué)方法和手段組織和實施，是實現(xiàn)教學(xué)目標的基礎(chǔ)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文以鋰離子二次電池（LIB）教學(xué)內(nèi)容為例，在確立教學(xué)目標的基礎(chǔ)上，明晰了教學(xué)設(shè)計的思路，采用問題導(dǎo)入、分組討論、視頻等多元化的課堂教學(xué)策略進行組織和實施，并以潤物無聲的形式將勇于創(chuàng)新、民族自信等思政元素有機地融入教學(xué)過程中，達到了知識傳授、能力培養(yǎng)、價值觀引領(lǐng)“三位一體”的教學(xué)目標。

1 教學(xué)目標

1.1 知識目標

通過對本節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解新型能源類型、綠色能源材料，掌握新能源材料種類，鋰離子二次電池的結(jié)構(gòu)原理、優(yōu)缺點及其應(yīng)用領(lǐng)域。

1.2 能力目標

培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際，培養(yǎng)基于綠色化學(xué)基本原理，對新型能源和能源材料進行分析評價的能力。

1.3 素質(zhì)目標

強化綠色、可持續(xù)發(fā)展、生態(tài)平衡的意識，培養(yǎng)學(xué)生熱愛專業(yè)、勇于創(chuàng)新，培養(yǎng)人文情懷、民族自信的愛國精神，樹立正確的價值觀。

2 教學(xué)設(shè)計思路

“綠色化學(xué)”課程授課對象為應(yīng)用型本科院校應(yīng)用化學(xué)專業(yè)大三學(xué)生，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了“物理化學(xué)”“無機化學(xué)”和“有機化學(xué)”等課程，對知識的實際應(yīng)用感興趣，已具有一定的分析和解決問題的能力。通過對教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)和優(yōu)化，使之更貼近專業(yè)培養(yǎng)目標。教學(xué)過程注重激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，注重理論聯(lián)系實際和應(yīng)用能力的培養(yǎng)，以潤物無聲的方式將科學(xué)精神、創(chuàng)新意識、民族自信和專業(yè)責(zé)任感的思政元素融入課堂，使學(xué)生樹立正確世界觀、人生觀和價值觀，見圖1。

圖1 教學(xué)設(shè)計思路

3 教學(xué)組織與實施

3.1 問題導(dǎo)入

首先回顧“綠色化學(xué)”十二條原則里涉及資源和能源充分利用的兩條知識：合理使用和節(jié)省能源，即生產(chǎn)過程應(yīng)在溫和的溫度和壓力下進行，使能耗最低，高效率地使用能量；利用可再生資源合成化學(xué)品，即盡量采用可再生的原料，特別是用生物質(zhì)代替化石能源。然后提出兩個問題：一是日常生活、工業(yè)上用到的能源有哪些？煤、石油、天然氣、水能（海洋能）、核能、風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能、地?zé)崮?、氫能、生物柴油、綠色電池；二是這些能源中哪些是新型能源、綠色能源、可再生能源？為什么要發(fā)展新能源、綠色能源?

教學(xué)策略：從大家熟悉的日常生活和工業(yè)上用的能源提出問題，引導(dǎo)學(xué)生思考，使教學(xué)內(nèi)容更加“接地氣”，更加貼近生活，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，從而引出本節(jié)課所要學(xué)習(xí)的內(nèi)容。

3.2 能源現(xiàn)狀與新能源材料

目前，世界能源消耗還是以煤、石油、天然氣之類的礦物能源為主，不但嚴重破壞生態(tài)環(huán)境，而且礦物能源不可再生，能源枯竭已成為共識。我國作為發(fā)展中大國，能源消耗巨大，能源利用率不高，能源結(jié)構(gòu)也不合理。2009年，中國風(fēng)力發(fā)電量達到了25.8億瓦，超過了德國的25.77億瓦，僅次于美國35億瓦。2020年，中國將投入足以實現(xiàn)年發(fā)電量150億瓦的風(fēng)力渦輪機，成為世界最大的風(fēng)能生產(chǎn)國。盡管在新能源領(lǐng)域有了大規(guī)模的增長，但風(fēng)力發(fā)電量只占據(jù)中國電力消耗總量的1%。為緩解和解決能源危機，科學(xué)家提出資源與能源最充分利用技術(shù)和環(huán)境最小負擔(dān)技術(shù)。新能源與新能源材料是兩大技術(shù)的重要組成部分。新能源的發(fā)展必須依靠利用新的原理來發(fā)展新的能源系統(tǒng)，同時還必須依靠新材料的開發(fā)與利用，才能使新系統(tǒng)得以實現(xiàn)，并提高其利用效率，降低成本。發(fā)展新能源材料是解決能源危機的根本途徑。新能源材料指能實現(xiàn)新能源的轉(zhuǎn)化和利用以及發(fā)展新能源技術(shù)所需的關(guān)鍵材料，它是發(fā)展新能源的核心和基礎(chǔ)。新能源材料分類包括：儲氫合金為代表的儲氫材料，嵌鋰碳負極和LiCoO正極為代表的鋰離子電池材料，質(zhì)子交換膜電池為代表的燃料電池材料，硅半導(dǎo)體為代表的太陽能電池材料，生物質(zhì)能及鈾、氘、氚為代表的反應(yīng)堆核能材料。

由圖2對比可以看出，核能具有最高的體積能量密度和質(zhì)量能量密度，但核能屬于不可再生能源；其次是煤等傳統(tǒng)能源或者由傳統(tǒng)能源生產(chǎn)的燃料；然后就是電化學(xué)能源載體，也就是我們熟悉的電池等。可以看出這些能源載體具有較好的體積能量密度和質(zhì)量能量密度，而且相比于火力發(fā)電（熱水）是一種高效的能量利用方式。因此，發(fā)展綠色二次電池是解決能源危機的根本途徑。

圖2 不同能源載體的能量密度對比圖

教學(xué)策略：著重介紹能源危機的現(xiàn)狀，新能源材料的概念和分類，說明發(fā)展新能源材料是解決能源危機的根本途徑。將新能源材料的類型與學(xué)生已有知識聯(lián)系起來，使學(xué)生學(xué)習(xí)興趣盎然。同時學(xué)生也能體會到，可以用化學(xué)專業(yè)知識解決能源危機，培養(yǎng)專業(yè)責(zé)任感。

3.3 分組討論與分享

首先提出“什么是電池？你能說出幾種常用的電池類型嗎？”的問題，回顧物理化學(xué)中學(xué)習(xí)的電池的概念，將事先準備好的鎳氫電池、扣式鋰電池、鋰離子二次電池和普通堿性干電池按小組發(fā)放給學(xué)生，以小組形式討論：①電池的類型是什么？②簡單介紹電池的工作原理；③說明電池的優(yōu)缺點以及如何回收，然后分組進行匯報分享。每組學(xué)生匯報后，教師對匯報內(nèi)容進行總結(jié)和點評。

教學(xué)策略：采用分組討論和講解，教師點評的教學(xué)方式，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)其自主學(xué)習(xí)和歸納總結(jié)能力。

3.4 教師講解重點難點

3.4.1 教學(xué)重點

由于Li是最輕的金屬元素，它的標準電極電位是-3.045 V，是金屬中負電位最大元素，因此鋰離子二次電池的開發(fā)受到極大重視，與鎳氫電池（Ni/MH）性能的比較如表1所示。通過對比可知，與鎳氫電池還有鎳鉻電池相比，鋰離子二次電池具有更高的工作電壓、比能量和充放電壽命。

表1 普通Ni/MH，LIB及Ni/Cd電池性能比較

鋰離子電池結(jié)構(gòu)和原理：鋰離子電池內(nèi)部由四部分組成，包括Li的供體正極、受體負極、將正負極隔離的隔膜，以及負責(zé)離子傳輸?shù)碾娊庖?，如圖3所示。鋰離子二次電池（Lithium Ion Battery，LIB）也被稱為搖椅電池，是通過鋰離子的嵌入和脫嵌而存儲電荷，因此是一種鋰離子濃度差電池。充放電中，Li在正負極之間往返嵌入和脫嵌。以商業(yè)化的鋰離子電池為例，充電時，Li從正極脫嵌，通過電解質(zhì)和隔膜嵌入負極，使負極處于富鋰態(tài)，正極處于貧鋰態(tài)；放電時，Li從負極脫嵌進入正極。鋰電池的主要材料由正負極材料和電解質(zhì)構(gòu)成，電解液目前主要采用有機電解液，譬如六氟磷酸鋰，因此電化學(xué)電位窗口比水系要寬，工作電壓可以達到3 V以上。鋰離子電池還需要隔膜材料將正負極分開，需要有耐有機溶劑的隔膜材料，一般采用高強度薄膜化的聚烯烴多孔膜。

圖3 鋰離子二次電池的工作原理[5]

當(dāng)LIB電池以碳材料替代Li負極，高電位的LiCoO作正極的二次電池后，循環(huán)性能和安全性能得到大幅度提高，其電池反應(yīng)為：

LIB負極材料：目前商品化的鋰離子電池主要采用石墨作為負極材料，理論能量密度為372 mAh/g，但由于LIB主要用于電動汽車上，需要長的續(xù)航里程，故受限于石墨負極理論能量密度，鋰離子電池最高比能量只有150 wh/kg左右，即使使用更好的正極材料，也只能接近于200 wh/kg，仍無法滿足實際應(yīng)用的需要，因此需要開放更多的負極材料，實現(xiàn)整體電池達到300 wh/kg的目標。除此之外還有其他負極材料，例如金屬鋰、鋰合金、新型碳材料、金屬氧化物，最近研究較多的還有硅碳負極材料。目前只有特斯拉電動汽車上采用了Si基負極材料，其他大多用的是石墨負極材料，見表2。

表2 LIB負極材料的演變過程

雖然金屬Li容量最高，但在LIB電池的長期充放電中，Li與有機電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，發(fā)生枝晶生長，并形成樹枝狀沉積物（如圖4），導(dǎo)致電池內(nèi)部短路。納米碳材料具有傳統(tǒng)碳材料無法比擬的高比容量。納米碳管由于特殊的管狀結(jié)構(gòu)，鋰離子不僅可嵌入管內(nèi)，還可嵌入管壁縫隙，具有嵌入深度小、過程短、嵌入位置多等優(yōu)點，可提高Li電池的充放電容量。用納米碳管作負極，電池理論容量超過石墨嵌Li化合物理論容量一倍以上。

圖4 鋰枝晶的掃描電鏡圖[8]

LIB正極材料：LIB電池的Li離子源由正極材料提供。LiCoO是最早商品化的正極材料，由于Co資源少(地球已探明Co儲量為1 000萬噸，而Mn量是Co的500倍)，人們開發(fā)了LiNiO、LiMnO材料，如表3所示。

表3 LIB正極材料的性能

教學(xué)策略：著重講解鋰離子二次電池的結(jié)構(gòu)原理、正負極材料演化及與其他幾類電池的容量對比和區(qū)別，以圖表形式展示，使學(xué)生更直觀理解和掌握本節(jié)課的重點知識，提升教學(xué)效果。

3.4.2 思政元素與教學(xué)內(nèi)容融合

鈷酸鋰是最早商品化的正極材料，它的發(fā)現(xiàn)者Goodenough先生（圖5）在2019年以97歲高齡獲得諾貝爾化學(xué)獎，除了層狀結(jié)構(gòu)的鈷酸鋰(LiCoO)，他以一己之力還發(fā)現(xiàn)了尖晶石結(jié)構(gòu)的錳酸鋰(LiMnO)、橄欖石結(jié)構(gòu)的磷酸鐵鋰(LiFePO)。

圖5 John Bannister Goodenough

Goodenough先生起初在耶魯大學(xué)學(xué)習(xí)古典文學(xué)，之后轉(zhuǎn)到哲學(xué)，為了補學(xué)分，選修了2門化學(xué)課，教授看中其數(shù)學(xué)天賦，建議他學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)，最終取得了數(shù)學(xué)學(xué)士學(xué)位；二戰(zhàn)爆發(fā)，先生參加美國空軍，退役后到芝加哥大學(xué)進修學(xué)習(xí)物理，后來牛津大學(xué)化學(xué)系出現(xiàn)空缺，得到了這個職位，成為了無機化學(xué)實驗室主任，這期間他開始了鋰離子電池的研究，彼時他已54歲，但鋰離子電池三個重要的正極材料都是出自他之手；90歲之后提出全固態(tài)鋰電池，也是目前鋰離子電池提高比能量的出路所在。他的名氣雖然足夠高，但他從來沒有覺得自己足夠好，還在不斷前行。

教學(xué)策略:介紹諾貝爾化學(xué)獎獲得者Goodenough先生在鋰離子電池領(lǐng)域的貢獻和生平，培養(yǎng)學(xué)生大膽創(chuàng)新和終身學(xué)習(xí)的意識。

3.4.3 教學(xué)難點

區(qū)別鋰離子電池和鋰電池：早期的是鋰電池，鋰離子電池是由鋰電池發(fā)展而來。鋰電池的正極材料是二氧化錳或亞硫酰氯，負極是鋰。電池組裝完成后即有電壓，不需充電。這種電池也可以充電，但循環(huán)性能不好，在充放電循環(huán)過程中，容易形成鋰結(jié)晶，造成電池內(nèi)部短路，所以一般情況下這種電池是禁止充電的。

教學(xué)策略：通過放發(fā)的電池實物，介紹區(qū)別鋰離子電池和鋰電池，使學(xué)生更好地區(qū)分和理解本節(jié)課所學(xué)鋰離子電池的工作原理。

3.5 教學(xué)內(nèi)容拓展

3.5.1 教學(xué)團隊研究成果

介紹課程團隊老師最新研究成果金屬有機骨架化合物（MOFs）來源的超級碳負載的過渡金屬及其轉(zhuǎn)化物，材料設(shè)計思路為采用外延生長對ZIF-8進行包覆，實現(xiàn)了中空結(jié)構(gòu)；將Ni和Co的離子交換，實現(xiàn)了CoNi雙位點；在Co的催化作用下，形成的短碳納米管提高了材料的電池容量和循環(huán)穩(wěn)定性，見圖6。因為我們知道當(dāng)顆粒小到原子級別，原子利用率幾近于100%，從而提高材料的利用率。該材料組裝的電池能量密度可以達到400 mAh/g，比商品化的石墨負極性能明顯提高。

圖6 材料制備過程示意圖[11]

教學(xué)策略：將課程團隊教師相關(guān)的最新研究成果引入課堂，使學(xué)生了解目前研究動態(tài)，拓寬視野，培養(yǎng)科研興趣和創(chuàng)新意識，增強自信心。

3.5.2 為何要研發(fā)“無鈷電池”？

（1）鈷價格貴：相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2018年探明的全球鈷金屬的總儲量只有710萬噸，而特斯拉一輛Model3的動力鋰電池用鈷量可能就會達到10 kg以上，所以假如不考慮回收的話，最多到2026年全球就會出現(xiàn)“無鈷可用”的狀態(tài)。所以鈷的價格就顯得十分昂貴，大約占動力鋰電池成本的10%。

（2）鈷的開采問題：在已經(jīng)探明的710萬噸鈷中有52%都在剛果，而剛果的政局比較混亂，用“黑工”、童工等問題嚴重，絲毫不符合人道主義，馬斯克甚至描述三元鋰離子電池是“帶血的電池”。所以從各個方面來看“無鈷電池”也是大家都要努力去研發(fā)的。

（3）鈷作為稀缺資源，其價格波動將很大程度上影響三元材料的價格。假如新能源汽車產(chǎn)量進一步上升，意味著鈷價可能重新暴漲。寧德時代、松下、LG化學(xué)等電池廠商都在努力推行電池?zé)o鈷化，不過還未實現(xiàn)。

（4）無鈷電池不僅可以提高電性能，提升壽命和提高安全性，而且可以降低成本，擺脫正極材料對鈷的依賴。在現(xiàn)有三元體系的鋰離子動力鋰電池中，正極材料的成本占比達到30%~45%。以523體系為例，鈷在其中的占比達20%。作為戰(zhàn)略性資源，鈷的價格波動將會直接影響到鋰電池的成本。

教學(xué)策略：結(jié)合目前開發(fā)“無鈷電池”的研究熱點，延伸教學(xué)內(nèi)容，拓寬學(xué)生的認知范疇，培養(yǎng)專業(yè)責(zé)任感。

3.6 鋰離子電池的應(yīng)用

鋰離子二次電池目前主要用于便攜電子產(chǎn)品、電動汽車、能量存儲及其他如心臟起搏器等小型電子器件，航空航天，航海領(lǐng)域等等。然后播放電動汽車小視頻《了不起，我的國》，了解國產(chǎn)比亞迪電動汽車的發(fā)展狀況及所采用技術(shù)在國際上的發(fā)展水平。

教學(xué)策略：本部分通過重點講授的鋰離子電池在日常生活、公共交通和航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用，通過《了不起，我的國》短視頻展示我國電動汽車發(fā)展的狀況，增加學(xué)生的自信心，培養(yǎng)勇于創(chuàng)新、砥礪奮斗精神和家國情懷。

3.7 本節(jié)課小結(jié)

3.7.1 新能源材料

為緩解和解決能源危機，發(fā)展新能源材料是實現(xiàn)新能源的轉(zhuǎn)化和利用以及發(fā)展新能源技術(shù)的關(guān)鍵，是發(fā)展新能源的核心和基礎(chǔ)。

3.7.2 鋰離子電池

鋰離子電池由鋰電池發(fā)展而來，是通過鋰離子的嵌入和脫嵌而存儲電荷，因此是一種鋰離子濃度差電池，充放電中，Li在正負極之間往返嵌入和脫嵌。充電時，Li從正極脫嵌，通過電解質(zhì)和隔膜，嵌入負極，使負極處于富鋰態(tài)，正極處于貧鋰態(tài)；放電時，Li從負極脫嵌進入正極。在LIB電池的長期充放電中，Li與有機電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，發(fā)生枝晶生長，并形成樹枝狀沉積物，導(dǎo)致電池內(nèi)部短路。而硅碳負極和三元正極材料為目前最有潛力的電極材料。

3.7.3 應(yīng)用領(lǐng)域

鋰離子電池主要應(yīng)用在便攜電子產(chǎn)品、電動汽車、能量存儲和心臟起搏器等小型電子器件、航空航天、航海領(lǐng)域等。

教學(xué)策略：總結(jié)本節(jié)課所學(xué)內(nèi)容，再次強調(diào)重難點知識，加深學(xué)生的印象。

3.8 隨堂測驗與課后作業(yè)

3.8.1 隨堂測驗

通過“學(xué)習(xí)通”發(fā)布隨堂測驗：①敢上九天攬月，嫦娥五號靠什么動力電源?A.鉛酸蓄電池；B.鎳氫電池；C.鋰離子電池；D.太陽能電池；E.燃料電池；②通過今天的課程學(xué)習(xí)，你知道現(xiàn)在特斯拉電動汽車上所用的鋰離子電池的正負極材料是哪種嗎？A.正極磷酸鐵鋰，負極石墨；B.正極三元材料，負極硅碳材料；C.正極鈷酸鋰，負極硅碳材料；D.正極鈦酸鋰，負極二氧化錫。

教學(xué)策略：通過“學(xué)習(xí)通”平臺發(fā)布隨堂練習(xí)，所選題目與嫦娥五號登月和現(xiàn)有特斯拉電動汽車使用的電池結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際、分析問題的能力，同時也能檢驗學(xué)習(xí)效果，反饋對重點知識的掌握程度。

3.8.2 課后作業(yè)

下節(jié)課學(xué)習(xí)燃料電池和太陽能電池能源轉(zhuǎn)化的原理、分類及結(jié)構(gòu)，請同學(xué)們觀看“學(xué)習(xí)通”上的視頻并查閱資料了解燃料電池和太陽能電池與本節(jié)所學(xué)鋰離子二次電池的區(qū)別。

教學(xué)策略：本節(jié)課學(xué)習(xí)鋰離子電池使學(xué)生對新能源產(chǎn)生了濃厚的興趣，布置課后作業(yè)既預(yù)習(xí)了下節(jié)課知識，又將前后學(xué)習(xí)內(nèi)容有機地聯(lián)系起來，培養(yǎng)學(xué)生融會貫通的能力。

4 教學(xué)總結(jié)與反思

（1）本節(jié)課通過精心的教學(xué)設(shè)計，采用問題導(dǎo)入、分組討論、圖表、視頻等一系列的教學(xué)方法和手段，簡明形象地介紹鋰離子電池的結(jié)構(gòu)原理及其與其他電池性能區(qū)別、存在問題、正負極材料研究現(xiàn)狀及應(yīng)用領(lǐng)域。結(jié)合生活中常用的電源類型，理論聯(lián)系實際，引導(dǎo)學(xué)生思考，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，也使比較枯燥無味的專業(yè)授課變得興趣盎然，學(xué)生能較好理解掌握本節(jié)課的重點和難點，提升教學(xué)效果，同時培養(yǎng)了自主學(xué)習(xí)和歸納總結(jié)能力。

（2）結(jié)合課程團隊最新研究成果和開發(fā)“無鈷電池”的研究熱點，延伸教學(xué)內(nèi)容，拓寬學(xué)生的認知范疇，培養(yǎng)科研興趣、創(chuàng)新意識和專業(yè)責(zé)任感，增強自信心。結(jié)合諾貝爾化學(xué)獎獲得者Goodenough先生在鋰離子電池領(lǐng)域的貢獻和生平介紹，激發(fā)學(xué)生熱情，培養(yǎng)學(xué)生大膽創(chuàng)新和終身學(xué)習(xí)的意識。通過《了不起，我的國》短視頻展示我國電動汽車發(fā)展的狀況，增加學(xué)生的民族自信心，培養(yǎng)學(xué)生勇于創(chuàng)新、砥礪奮斗精神和家國情懷，引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的世界觀、人生觀、價值觀。

（3）通過“學(xué)習(xí)通”平臺發(fā)布隨堂練習(xí)，檢驗學(xué)習(xí)效果，反饋對重點知識的掌握程度，實現(xiàn)了閉環(huán)的教學(xué)形式。課后作業(yè)將理論與實際、前后學(xué)習(xí)內(nèi)容有機地聯(lián)系起來，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和融會貫通的能力。