课程思政融入“新能源材料与器件导论”课程初探索
——以“特种化学电源”为例

2022-03-16 21:45金传玉徐彩萍赵利民

科教导刊·电子版 2022年18期

金传玉，徐彩萍，赵利民，尹杰，李伟

（聊城大学材料科学与工程学院，山东聊城 252000）

0 引言

新能源技术是21世纪世界经济发展中最具有决定性影响的五个技术领域之一，新能源材料与器件是实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术的关键，是由材料、物理、化学、电子、机械等多学科交叉，以能量转换与存储材料及其器件设计、制备工程技术为培养特色的战略性新兴专业[1]。“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，是新能源材料与器件专业大学生进入大学以后所学的第一门与专业紧密相关的课程，具有很强的理论性和实践性[2]。因此，将该课程与社会热点话题和思想政治教育相结合，不仅能够提高学生的专业认同感和荣誉感，而且能够培养他们的国家意识、社会责任和献身科学的精神，引导、鼓励更多的毕业生到国家新能源行业和领域发挥作用。本文以特种化学电源这一课程主题为例，论述如何在“新能源材料与器件导论”课程教学中将专业知识、社会热点话题和思政教育有机结合起来，让思政教育润物于无声[3]。

1 理论教学与课程思政

特种化学电源理论部分主要分为研究背景、典型特种化学电源特点及发展现状与趋势两部分，现分别从上述各部分进行理论讲解并挖掘其中的思政元素。

1.1 研究背景

近年来，我国在深空探测领域取得一系列重大成就。“嫦娥五号”探测器携带月球样品成功返航，“祝融号”火星探测器成功着陆火星表面，“天宫号”成功在轨部署并实现了航天员在轨工作多日，这不仅彰显了我国日益增强的综合国力，而且激发了全面科学热情，提升了国家创造力、探索力和民族信心。根据特定的任务类型和目的地，一次性电池和充电电池都可以作为航天器的能源供体。然而，在一些极端太空环境下，锂离子二次电池很难正常工作。例如，“神州”系列试验飞船在返回过程中，降落伞的准确开启关系到返回舱能否安全着陆。返回舱不仅要承受巨大的强震动和高自旋等问题，而且与大气的摩擦产生大量热量。这些极端环境对降落伞开启电源提出了苛刻要求，传统的锂离子电池由于其电解质等问题，很难在此环境下正常工作。特种化学电源虽然是一个不起眼的器件，但是其性能优劣却决定着空间任务能否顺利完成。

课程思政：自古代起，中国人就有着飞天揽月、遨游太空的梦想。新中国成立以后，中国科学家经过不懈的努力，终于在1970年将中国第一颗人造地球卫星“东方红一号”成功发射，开启了中国人探索宇宙奥秘、和平利用太空的序幕。这也使中国成为继苏、美、法、日之后世界上第五个独立研制并发射人造地球卫星的国家。“两弹一星”和航天精神鼓舞并引领着中国科研工作者克服困难，不断前进。中国航天精神具有五个特质，分别是忠诚爱国的政治品格、自力更生的创新精神、严慎细实的工作作风、大力协同的自觉意识、无私奉献的担当精神。习近平总书记在庆祝中国共产党成立一百周年大会上的讲话指出，要以更强大的能力、更可靠的手段捍卫国家主权、安全、发展利益。习近平总书记在首个“中国航天日”发表重要讲话指出，探索浩瀚宇宙，发展航天事业，建设航天强国，是我们不懈追求的航天梦。经过几代航天人的接续奋斗，我国航天事业创造了以“两弹一星”、载人航天、月球探测为代表的辉煌成就，走出了一条自力更生、自主创新的发展道路，积淀了深厚博大的航天精神。设立“中国航天日”，就是要铭记历史、传承精神，激发全民尤其是青少年崇尚科学、探索未知、敢于创新的热情，为实现中华民族伟大复兴的中国梦凝聚强大力量。中国航天要大力弘扬“两弹一星”精神，把党的政治优势、思想优势、组织优势转化为新的竞争优势、创新优势和发展优势，奋力建设航天强国。中国当代大学生站在“两个一百年”奋斗目标的历史交汇点上，要以“两弹一星”研制者为榜样，主动肩负起历史重任，坚定信心，开创未来、砥砺奋进，创造无愧于党、无愧于时代、无愧于人民的光荣成绩。

1.2 典型特种化学电源特点及发展现状与趋势

（1）热电池：热电池是典型的一次性电池，是以熔盐作为电解质，利用热源使其熔化而激活的贮备型高温熔盐电池。它的电解质是由两种或两种以上的无机盐组成的低共熔体。在常温下，是不导电的固体；而在使用时，激活电流点燃电池内部烟火热源，使电池内部温度迅速上升后，电解质迅速熔融形成高导电率的离子导体。热电池属于化学电源体系，通过氧化还原反应将电极活性物质中的化学能直接转化为电能，因此有较高的能量转换效率。热电池以熔融盐作为电解质相对于以水溶液/有机溶剂作为电解质的电池有很多优势。例如，高温下熔融盐具有高的离子电导率，能够使热电池在较高的电流密度下进行放电；以金属锂合金为负极使得热电池具有较高的比能量和比功率；熔融盐比水系或聚合物电解质具有更高的稳定性，能够承受苛刻的环境，因此热电池可在火箭强自旋、高震动等条件下正常工作；热电池采用热激活使其激活时间小于0.1s。热电池的这些优势使其一直被认为是探测器入轨、降落和着陆，降落伞部署，隔热罩分离和减速火箭点火的重要动力源。我国热电池技术研究比较晚，自20世纪70年代借鉴国外热电池研究基础上开始着手研究LiMX-FeS2热电池体系。目前，热电池的研究主要依靠国内军工企业单位，科研院所及大学研究较少，这也严重制约了热电池基础知识的发展，导致目前热电池性能很难满足重型探测器日益增加的能量需求[4]。

（2）锂-二氧化硫电池：锂-二氧化硫(Li-SO2)是航空航天中应用最广泛的一次电池系统，属于液体正极系统，二氧化硫溶解在1M溴化锂乙腈溶液中作为阴极(阴极和电解液)，锂金属作为阳极。二氧化硫在碳阴极集电器上被还原，形成不溶性的二硫酸锂作为放电产物。通常采用螺旋缠绕设计来实现高比能量、最小电压延迟、低至-40℃的良好低温性能、长寿命(＞10年)和高脉冲功率能力。NASA已经将Li-SO2电池用于伽利略1号和惠根斯2号探测器、创世和星尘样品返回舱，以及用于MER的着陆器。

（3）锂-亚硫酰氯电池：Li-SOCl2是一种常用于空间应用的高能锂一次系统。该体系以锂为阳极，以含四氯铝酸锂(LiAlCl4)盐的液态氯化亚砜(SOCl2)为阴极。螺旋缠绕设计通常是为了实现高比能量，特别是在中等放电率(390～410Wh/kg，875～925Wh/L，典型＜100W/kg)时。它在低温(-40℃)下性能较差，存在明显的电压延迟。NASA在几次太空任务中使用了这种高能电池系统，包括火星旅居者漫游者(1996)和深度撞击(1995)任务，以撞击坦普尔1号彗星。Li-SOCl2系统的一个改进版本被用于火星深空2号微探测器，设计用于承受大约8万克的高撞击，并能够在-80℃的温度下工作。

（4）锂-氟化碳电池：Li/CFx电池也是首先作为商品的一种固体正极锂电池，它的理论质量比能量约为2180Wh/kg，是固体正极体系中最高的。近期在军事领域被用作士兵便携式电源，受到了较大的关注。其开路电压大约为3.2V，小倍率放电时，其工作电压大约为2.5V-2.7V。Li/CFx电池以金属锂为负极，以固态氟化碳为正极，电解液通常为丙烯碳酸酯（PC）、1,2-二甲氧基乙烷（DME）的LiBF4溶液，其中氟化碳是由F2和碳粉反应制得的夹层化合物。在有机电解液中，氟化碳的化学稳定性非常高，即使温度达到400℃，它也不会分解，所以Li/CFx电池具有很长的储存寿命[5]。

课程思政：以热电池、锂-二氧化硫电池、锂-亚硫酰氯电池和锂-氟化碳电池为代表的特种化学电源因其优异的比能量、比功率和耐苛刻环境等特点，被广泛地应用于太空探索领域。特种化学电源作为国防、航天、深海等领域的重要能源供体。因此，特种化学电源的性能也是国家综合实力的表现。特种化学电源的高新技术主要集中在美国、日本、法国和德国等西方国家，各国对特种化学电源的技术进行了封锁，以维持其在高端化学电源技术的垄断地位。自新中国成立以来，我国不仅在特种化学电源领域受到国家社会的技术封锁，在航天多个零部件如发动机、耐高温涂层和先进电子器材等领域均受到西方国家的技术封锁。我国科学家以特别能吃苦、特别能战斗、特别能攻关、特别能奉献的大无畏航天精神，经过无数次地探索,不断地追求实现了我国在特种化学电源等领域多个由0到1的突破[6]。习近平总书记指出“伟大事业都始于梦想”，“伟大事业都基于创新”和“伟大事业都成于实干”。中国科研工作者正是有了航天梦想，在面对西方国家的技术封锁的艰苦环境下，不断创新，默默实干，才成就了我国在太空探索领域如今的伟大成就。航天梦是强国梦的重要组成部分，中国太空探索工作者们的精神特质激励着一代代航天人，成就中国太空探索事业的一个又一个奇迹[7-8]。中国当代大学生站在迈向民族伟大复兴的新起点，要学习中国航天工作者们艰苦奋斗、勇于探索、开拓创新的精神，严谨的科学精神；要学习他们志存高远、无私奉献的精神和高度的责任感。新时代的青年要不忘初心、牢记使命，以航天人为榜样，以航天精神为代表的当代中国精神为坐标，不管从事什么职业，当以爱国为魂、务实为本、奉献为根，切实担当起党和人民赋予的新时代使命任务，未来在各自岗位上乘风破浪、逐梦前行，为实现中华民族伟大复兴的中国梦贡献自己的力量。

2 结论