課程思政融入“新能源材料與器件導論”課程初探索
——以“特種化學電源”為例

2022-03-16 21:45:06金傳玉徐彩萍趙利民

科教導刊·電子版 2022年18期

金傳玉，徐彩萍，趙利民，尹杰，李偉

（聊城大學材料科學與工程學院，山東聊城 252000）

0 引言

新能源技術是21世紀世界經(jīng)濟發(fā)展中最具有決定性影響的五個技術領域之一，新能源材料與器件是實現(xiàn)新能源的轉化和利用以及發(fā)展新能源技術的關鍵，是由材料、物理、化學、電子、機械等多學科交叉，以能量轉換與存儲材料及其器件設計、制備工程技術為培養(yǎng)特色的戰(zhàn)略性新興專業(yè)[1]?！靶履茉床牧吓c器件導論”是新能源材料與器件專業(yè)的一門基礎性綜合課程，是新能源材料與器件專業(yè)大學生進入大學以后所學的第一門與專業(yè)緊密相關的課程，具有很強的理論性和實踐性[2]。因此，將該課程與社會熱點話題和思想政治教育相結合，不僅能夠提高學生的專業(yè)認同感和榮譽感，而且能夠培養(yǎng)他們的國家意識、社會責任和獻身科學的精神，引導、鼓勵更多的畢業(yè)生到國家新能源行業(yè)和領域發(fā)揮作用。本文以特種化學電源這一課程主題為例，論述如何在“新能源材料與器件導論”課程教學中將專業(yè)知識、社會熱點話題和思政教育有機結合起來，讓思政教育潤物于無聲[3]。

1 理論教學與課程思政

特種化學電源理論部分主要分為研究背景、典型特種化學電源特點及發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢兩部分，現(xiàn)分別從上述各部分進行理論講解并挖掘其中的思政元素。

1.1 研究背景

近年來，我國在深空探測領域取得一系列重大成就?！版隙鹞逄枴碧綔y器攜帶月球樣品成功返航，“祝融號”火星探測器成功著陸火星表面，“天宮號”成功在軌部署并實現(xiàn)了航天員在軌工作多日，這不僅彰顯了我國日益增強的綜合國力，而且激發(fā)了全面科學熱情，提升了國家創(chuàng)造力、探索力和民族信心。根據(jù)特定的任務類型和目的地，一次性電池和充電電池都可以作為航天器的能源供體。然而，在一些極端太空環(huán)境下，鋰離子二次電池很難正常工作。例如，“神州”系列試驗飛船在返回過程中，降落傘的準確開啟關系到返回艙能否安全著陸。返回艙不僅要承受巨大的強震動和高自旋等問題，而且與大氣的摩擦產(chǎn)生大量熱量。這些極端環(huán)境對降落傘開啟電源提出了苛刻要求，傳統(tǒng)的鋰離子電池由于其電解質(zhì)等問題，很難在此環(huán)境下正常工作。特種化學電源雖然是一個不起眼的器件，但是其性能優(yōu)劣卻決定著空間任務能否順利完成。

課程思政：自古代起，中國人就有著飛天攬月、遨游太空的夢想。新中國成立以后，中國科學家經(jīng)過不懈的努力，終于在1970年將中國第一顆人造地球衛(wèi)星“東方紅一號”成功發(fā)射，開啟了中國人探索宇宙奧秘、和平利用太空的序幕。這也使中國成為繼蘇、美、法、日之后世界上第五個獨立研制并發(fā)射人造地球衛(wèi)星的國家?！皟蓮椧恍恰焙秃教炀窆奈璨⒁I著中國科研工作者克服困難，不斷前進。中國航天精神具有五個特質(zhì)，分別是忠誠愛國的政治品格、自力更生的創(chuàng)新精神、嚴慎細實的工作作風、大力協(xié)同的自覺意識、無私奉獻的擔當精神。習近平總書記在慶祝中國共產(chǎn)黨成立一百周年大會上的講話指出，要以更強大的能力、更可靠的手段捍衛(wèi)國家主權、安全、發(fā)展利益。習近平總書記在首個“中國航天日”發(fā)表重要講話指出，探索浩瀚宇宙，發(fā)展航天事業(yè)，建設航天強國，是我們不懈追求的航天夢。經(jīng)過幾代航天人的接續(xù)奮斗，我國航天事業(yè)創(chuàng)造了以“兩彈一星”、載人航天、月球探測為代表的輝煌成就，走出了一條自力更生、自主創(chuàng)新的發(fā)展道路，積淀了深厚博大的航天精神。設立“中國航天日”，就是要銘記歷史、傳承精神，激發(fā)全民尤其是青少年崇尚科學、探索未知、敢于創(chuàng)新的熱情，為實現(xiàn)中華民族偉大復興的中國夢凝聚強大力量。中國航天要大力弘揚“兩彈一星”精神，把黨的政治優(yōu)勢、思想優(yōu)勢、組織優(yōu)勢轉化為新的競爭優(yōu)勢、創(chuàng)新優(yōu)勢和發(fā)展優(yōu)勢，奮力建設航天強國。中國當代大學生站在“兩個一百年”奮斗目標的歷史交匯點上，要以“兩彈一星”研制者為榜樣，主動肩負起歷史重任，堅定信心，開創(chuàng)未來、砥礪奮進，創(chuàng)造無愧于黨、無愧于時代、無愧于人民的光榮成績。

1.2 典型特種化學電源特點及發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

（1）熱電池：熱電池是典型的一次性電池，是以熔鹽作為電解質(zhì)，利用熱源使其熔化而激活的貯備型高溫熔鹽電池。它的電解質(zhì)是由兩種或兩種以上的無機鹽組成的低共熔體。在常溫下，是不導電的固體；而在使用時，激活電流點燃電池內(nèi)部煙火熱源，使電池內(nèi)部溫度迅速上升后，電解質(zhì)迅速熔融形成高導電率的離子導體。熱電池屬于化學電源體系，通過氧化還原反應將電極活性物質(zhì)中的化學能直接轉化為電能，因此有較高的能量轉換效率。熱電池以熔融鹽作為電解質(zhì)相對于以水溶液/有機溶劑作為電解質(zhì)的電池有很多優(yōu)勢。例如，高溫下熔融鹽具有高的離子電導率，能夠使熱電池在較高的電流密度下進行放電；以金屬鋰合金為負極使得熱電池具有較高的比能量和比功率；熔融鹽比水系或聚合物電解質(zhì)具有更高的穩(wěn)定性，能夠承受苛刻的環(huán)境，因此熱電池可在火箭強自旋、高震動等條件下正常工作；熱電池采用熱激活使其激活時間小于0.1s。熱電池的這些優(yōu)勢使其一直被認為是探測器入軌、降落和著陸，降落傘部署，隔熱罩分離和減速火箭點火的重要動力源。我國熱電池技術研究比較晚，自20世紀70年代借鑒國外熱電池研究基礎上開始著手研究LiMX-FeS2熱電池體系。目前，熱電池的研究主要依靠國內(nèi)軍工企業(yè)單位，科研院所及大學研究較少，這也嚴重制約了熱電池基礎知識的發(fā)展，導致目前熱電池性能很難滿足重型探測器日益增加的能量需求[4]。

（2）鋰-二氧化硫電池：鋰-二氧化硫(Li-SO2)是航空航天中應用最廣泛的一次電池系統(tǒng)，屬于液體正極系統(tǒng)，二氧化硫溶解在1M溴化鋰乙腈溶液中作為陰極(陰極和電解液)，鋰金屬作為陽極。二氧化硫在碳陰極集電器上被還原，形成不溶性的二硫酸鋰作為放電產(chǎn)物。通常采用螺旋纏繞設計來實現(xiàn)高比能量、最小電壓延遲、低至-40℃的良好低溫性能、長壽命(＞10年)和高脈沖功率能力。NASA已經(jīng)將Li-SO2電池用于伽利略1號和惠根斯2號探測器、創(chuàng)世和星塵樣品返回艙，以及用于MER的著陸器。

（3）鋰-亞硫酰氯電池：Li-SOCl2是一種常用于空間應用的高能鋰一次系統(tǒng)。該體系以鋰為陽極，以含四氯鋁酸鋰(LiAlCl4)鹽的液態(tài)氯化亞砜(SOCl2)為陰極。螺旋纏繞設計通常是為了實現(xiàn)高比能量，特別是在中等放電率(390～410Wh/kg，875～925Wh/L，典型＜100W/kg)時。它在低溫(-40℃)下性能較差，存在明顯的電壓延遲。NASA在幾次太空任務中使用了這種高能電池系統(tǒng)，包括火星旅居者漫游者(1996)和深度撞擊(1995)任務，以撞擊坦普爾1號彗星。Li-SOCl2系統(tǒng)的一個改進版本被用于火星深空2號微探測器，設計用于承受大約8萬克的高撞擊，并能夠在-80℃的溫度下工作。

（4）鋰-氟化碳電池：Li/CFx電池也是首先作為商品的一種固體正極鋰電池，它的理論質(zhì)量比能量約為2180Wh/kg，是固體正極體系中最高的。近期在軍事領域被用作士兵便攜式電源，受到了較大的關注。其開路電壓大約為3.2V，小倍率放電時，其工作電壓大約為2.5V-2.7V。Li/CFx電池以金屬鋰為負極，以固態(tài)氟化碳為正極，電解液通常為丙烯碳酸酯（PC）、1,2-二甲氧基乙烷（DME）的LiBF4溶液，其中氟化碳是由F2和碳粉反應制得的夾層化合物。在有機電解液中，氟化碳的化學穩(wěn)定性非常高，即使溫度達到400℃，它也不會分解，所以Li/CFx電池具有很長的儲存壽命[5]。

課程思政：以熱電池、鋰-二氧化硫電池、鋰-亞硫酰氯電池和鋰-氟化碳電池為代表的特種化學電源因其優(yōu)異的比能量、比功率和耐苛刻環(huán)境等特點，被廣泛地應用于太空探索領域。特種化學電源作為國防、航天、深海等領域的重要能源供體。因此，特種化學電源的性能也是國家綜合實力的表現(xiàn)。特種化學電源的高新技術主要集中在美國、日本、法國和德國等西方國家，各國對特種化學電源的技術進行了封鎖，以維持其在高端化學電源技術的壟斷地位。自新中國成立以來，我國不僅在特種化學電源領域受到國家社會的技術封鎖，在航天多個零部件如發(fā)動機、耐高溫涂層和先進電子器材等領域均受到西方國家的技術封鎖。我國科學家以特別能吃苦、特別能戰(zhàn)斗、特別能攻關、特別能奉獻的大無畏航天精神，經(jīng)過無數(shù)次地探索,不斷地追求實現(xiàn)了我國在特種化學電源等領域多個由0到1的突破[6]。習近平總書記指出“偉大事業(yè)都始于夢想”，“偉大事業(yè)都基于創(chuàng)新”和“偉大事業(yè)都成于實干”。中國科研工作者正是有了航天夢想，在面對西方國家的技術封鎖的艱苦環(huán)境下，不斷創(chuàng)新，默默實干，才成就了我國在太空探索領域如今的偉大成就。航天夢是強國夢的重要組成部分，中國太空探索工作者們的精神特質(zhì)激勵著一代代航天人，成就中國太空探索事業(yè)的一個又一個奇跡[7-8]。中國當代大學生站在邁向民族偉大復興的新起點，要學習中國航天工作者們艱苦奮斗、勇于探索、開拓創(chuàng)新的精神，嚴謹?shù)目茖W精神；要學習他們志存高遠、無私奉獻的精神和高度的責任感。新時代的青年要不忘初心、牢記使命，以航天人為榜樣，以航天精神為代表的當代中國精神為坐標，不管從事什么職業(yè)，當以愛國為魂、務實為本、奉獻為根，切實擔當起黨和人民賦予的新時代使命任務，未來在各自崗位上乘風破浪、逐夢前行，為實現(xiàn)中華民族偉大復興的中國夢貢獻自己的力量。

2 結論