基于高中化学教学的生活电池资源的整合

基于高中化学教学的生活电池资源的整合

徐逸司 1，郑兴 2(通讯作者 )

（ 1延边大学理学院化学系 2020级研究生， 2延边大学师范学院 吉林 延吉 133002）

摘要：电化学联系着化学学科与社会生活应用的多个方面。根据高中化学教学内容与新课标教学要求，整合生活中的电池资源，体现了STS理念，有利于优化教学过程，培养学生核心素养。

关键词：电池；生活；高中化学；素养

基于化学学科核心素养的教学，是当前高中化学教学的研究重点。整合学科知识与生活经验是落实素养化教学的有效途径之一。电化学应用广泛，是高中化学的核心内容，从电池资源的生活应用角度出发，提供科学原理、化学思维、技术应用与社会需要的信息综合，有利于丰富教师的教学资源和对电化学的认识，在教学中整合用于教学活动，加深学生对电化学的理解。

1 高中化学电化学的内容分析

电化学内容是中学化学的一个重要组成部分，内容分布见表1。

表1 2019新版人教版高中化学教材中的教材编排

从教材内容编排可以看出，中学原电池从本质到理论，从理论到应用，从应用到迁移的进阶思维，强调原电池的生活性和前沿性。教师以生活中电池资源作为承载，依托知识原理素材和实验活动，引入电池的历史发展、生活应用和前沿知识，增加学生对电池认识的角度、广度和深度。

2生活中电池资源的整合

随着手机、电脑、电动自行车、电动清洁汽车的诞生与普及，人们对化学电池的要求日益增加，如：希望体积越小越好，使用时间越长越好，储存性能越来越好，能量密度越来越高，电压精度越来越精确^[1]。需要考虑的因素主要有电池的类型、电极材料、电解质溶液和电池的原理等。

2.1新型电池的类型

新型电池主要有燃料电池、超级电容器电池、太阳能电池。

1. 燃料电池 与传统电池相比，微型燃料电池以其具有高容量、轻便、环保等优点，正逐渐成为未来电池新技术发展的一个重点。燃料电池不再需要充电，只须加燃料。甲醇燃料电池的容量将是普通锂电池的10倍，手机可持续使用320小时，充电时只需往手机里注入特制的甲醇燃料，非常的方便。在环保方面，小型燃料电池还有巨大的优势，因为燃料来自可持续利用的有机资源，而副产品主要是水和二氧化碳。

2. 超级电容器电池 超级电容是容量可达到法拉级的电容器，具有十万次以上充电寿命、安培级电流充电、过充无危险等电容固有特性，又具有大能量体积比的特点，被许称为绿色能源。其中大电流充电的优点尤为突出，因为虽然有的锂电池也可以较大电流充电，但对电池的损耗相当严重，而电容则不会。由于等体积超级电容所含的电能已接近锂电池的容量，所以可以使用超级电容器其作为独立的电源使用。

3. 太阳能电池 随着智能手机的功能越来越多，比如观看电影、GPS导航、游戏等需要消耗大量的电力。让智能手机在阳光下充电，既时尚又环保、经济实用，太阳能电池因能解决户外充电难问而题备受关注。

2.2电极材料的选择

新型电池要选取高效的电极材料，正极材料决定了电池的重要指标，能量密度、稳定性，安全性等。正极材料需具有：(1)具有较高的电极电势，使电池达到较高的电动势；(2)结构稳定，不易分解、不易与其他物质发生副反应、不易产生热量，使电池安全性高、寿命长；(3)成本低、使电池价格易让人接受；(4)毒性小、废旧电池回收对环境的污染小。以锂离子电池为例，生活中普及的正极材料有钴酸锂(LiCoO₂)，锰酸锂(LiMn₂O₄）等，尖晶石结构的固溶体类等材料等，而有机化合物等成为了正极材料的热门研究领域^[2]。

电池负极材料的种类繁多，有金属材料，合金材料，过渡金属氧化物，软硬碳、硅及其化合物等。负极材料需具有：(l)电极电势低，使电池具有较高的电动势；(2)稳定性高，与电解质溶剂相容；(3)来源丰富、价格较低；(4)不产生热量、安全性好、环保。比如，以固体氧化物燃烧电池为例，由于发电效率高、较环保的优点，固体氧化物燃料电池（SOFC）成为使用最广泛的燃料电池。

2.3多种新型电解质添加剂

美国对锌锰电池的电极材料进行了详细的化学和结构分析，使用α-MnO₂ 纳米纤维作为正极、锌为负极，通过提高初始电解质中的锰离子浓度来抑制锌锰电池正极中锰的溶出，采用优化过的硫酸锌基溶液为电解质，开发出种新型锌锰电池，其充放电稳定性大幅提高，5000 个循环后电池容量仅损失 8%，大大延长了电池的寿命^[3]。

2.4锂离子电池的工作原理

在常见的锂离子电池中，含锂化合物通常为其正极材料，例如LiCoO₂、LiNiO₂或LiMn₂O₄等，负极材料通常采用锂－碳层间化合物（如Li_xC₆）、碳材料等，电解液为常见有机溶液。在充放电两种工况下，电池结构中发生不一样的离子运动过程：充电时，外界将一定量的能量输入进来，锂离子从该能量中获取适量能量后，摆脱正极材料晶格束缚，从其晶格骨架中逸出，穿过电解质溶液和隔膜，嵌入到负极材料晶格骨架中；放电时，上述过程逆向发生，锂离子释放自身所具有的能量，从负极材料晶格骨架中脱出，通过电解质溶液和隔膜，嵌入到正极材料晶格骨架中。在整个充放电过程中，电流随着锂离子在正负极之间的往返而形成，能够完成这样往返运动的锂离子数量及稳定性在宏观上则表现为所产生电流的大小与稳定性，这也是评价电池性能的重要参考，所以，正负极间锂离子的流动当量与流动速率成为该类电池性能优劣的重要指标^[4]。

3教学建议

首先，在教材原型素材的基础上，教师可以根据生活中的电池资源创设真实的问题情境。整合生活中的电池资源，让学生意识到电池在生活中的重要性。结合实验探究教学方式，让学生设计实验方案，分析解释电池的工作原理、性能。结合电池的不足，比如锂离子电池相对性能优异，但是锂离子电池的电解液易燃，这会减少它的安全系数；燃料电池与传统能源相比，放电效率高、对环境友好等，但氢的贮存依旧是没有完全解决的难题；自然资源中铝是地壳中丰富的元素且容易获取，但目前铝材料的开发较慢。教师要在教学中要提出这些不足，促使学生思考问题，倾听学生的想法，在科学探究中培养学生的创新思维。

参考文献：

[1]姜莉. 利用电化学研究成果优化中学原电池教学的实践研究[D].南京师范大学.2020.

[2]Xiao Liang,Connor Hart,Linda F. A Highly Efficient Polysulfide Mediator For Lithium-Sulfurbatteries[J].Nature Communications.2015,(4):29-34.

[3]Philip Ball. "Breathing Battery" Advance Holds Promise for Long-range Electric Cars[J].

Nature.2015,(2):25-27.

[4]马少宁,侯春平,贺超等．煤基软炭锂离子电池负极材料的低温性能研究[J].炭素技术.

2016,35(3):47-50．