本科阶段锂硫电池理论教育与研究的融合

本科阶段锂硫电池理论教育与研究的融合

胡忠利，胡学步

单位：重庆理工大学化学化工学院

摘要：锂硫电池因其高理论比容量（1675 mAh g−1）和高能量密度（2600 Wh kg−1）等优点，近年来备受动力电池应用领域和科研领域广泛关注。然而，硫的电绝缘性和多硫化锂的溶解穿梭效应等问题，使得锂硫电池在未来实际应用过程中仍然面临活性硫的利用率低、循环稳定性和倍率性能差等性能瓶颈。为充分施展锂硫电池的应用潜力，我们需要将教育与研究有机融合，以培养本科生的锂硫电池理论知识、实验技能和研究潜力，同时促进锂硫电池瓶颈的不断攻克。本文介绍了一种综合性教改方法，旨在提高本科同学的能源化学素养，鼓励他们参与锂硫电池领域的研究，从而推动锂硫电池技术的发展。

关键词：锂硫电池；能源化学教育；性能优化；创新思维

1引言

能源存储技术在现代社会中扮演着至关重要的角色，锂硫电池作为一种高能量密度和环保的电化学储能技术备受瞩目。然而，锂硫电池仍然存在着一系列技术挑战，包括硫本征电子导电性差、活性硫的利用率低和多硫化锂的溶解穿梭问题。要充分实现锂硫电池的潜力，我们需要培养具备扎实理论和实验技能的本科同学，并鼓励他们积极参与锂硫电池的科学研究和技术创新。为实现这一目标，我们提出将教育与研究融合的综合性教改方法，以培养学生对电化学储能领域的深入理解和对储能技术研究的兴趣。

2 锂硫电池的工作原理

2.1 锂硫电池组成

锂硫电池主要由硫正极、金属锂负极、电解液、隔膜和电池外壳等五部分组成。其中通常采用高导电载体材料负载活性硫（S）作为正极材料，硫能够与锂离子发生固-液-固多相反应，最终形成硫化锂（Li₂S）。负极材料通常使用高活性的金属锂，其具有高的理论比容量和低的氧化还原电位。锂硫电池通常采用1M双三氟甲基磺酰亚胺锂（LiTFSI+DOL/DME 1:1，v/v）且含2 wt% LiNO3添加剂作为电解液。

2.2 锂硫电池工作原理

锂硫电池的工作机理既是伴随多步多电子（e−）反应的锂离子（Li+）嵌入/脱嵌过程，同时涉及固-液-固多相变的反应历程（如图1所示）。放电时，金属Li失去电子形成Li+和e−，Li+和e−分别经电解液和外电路传输至S正极。正极S8得到Li+和e−被还原成可溶性多硫化锂（长链Li2S6和短链Li2S4），对应于放电曲线2.3 V左右的电压平台。进一步，短链Li2S4会得到Li+和e−转变为难溶的硫化锂（Li2S2/Li2S），对应于2.1 V左右的放电平台。最后，2.1-1.7 V电压区间对应于Li2S2得到Li+和e−生成最终产物Li2S。充电与放电过程相反。基于五步十六电子的反应历程，其理论比容量高达1675 mAh g−1。

图1 锂硫电池的充放电曲线图（a）和电化学反应历程（b）

2.3 工作原理的重要性

锂硫电池的工作原理反应了其高能量密度和相对较差的循环稳定性。掌握锂硫电池工作原理是解决其性能挑战和深入科学研究的关键，如开展S载体、电解液优化和隔膜改性等工作，为其性能优化和材料创新提供了基础。更为重要的是，锂硫电池工作原理的深入讲解对本科学生电化学理论知识的掌握和探索锂硫电池技术瓶颈的兴趣都至关重要，也为本科同学未来就业方向提供了新的思路。

3 教育与研究的融合

锂硫电池的教育与研究的融合是为了培养本科学生的理论知识、实验技能和研究潜力，同时激发创新思维。这一部分详细探讨如何将教育与研究相互融合，以培养出兼具理论和实践的本科同学。

3.1. 综合性课程设计

3.1.1 教学目标

引导学生深入理解锂硫电池的工作原理和电化学反应历程。增强学生对锂硫电池瓶颈问题的认识。激发学生对能源存储领域的兴趣，以促进创新思维和研究兴趣的培养。

3.1.2 教材和课程内容

理论授课：介绍锂硫电池的工作原理、电化学反应历程、关键瓶颈和性能优化策略。

材料选择：选用适合教材和资源，如教科书、科研论文和在线视频资源。

班内讨论：鼓励学生积极提问和参与讨论，深入理解锂硫电池。

3.2项目实践

本科学生参与锂硫电池正极材料设计、极片制备、电池组装、性能测试和数据分析，实践掌握锂硫电池的设计、工作原理和反应历程。其中实验设计包括活性S的宿主材料构建、电解液优化和不同倍率下的性能测试，以期同学深入理解锂硫电池。

强调实验室安全意识，包括正确使用实验设备、化学品安全和废物处理。提供必要的安全培训，确保学生和教师的安全。

3.3跨学科合作

3.3.1 教师合作

不同学科（尤其是物理、材料和半导体）领域的教师可共同教授课程，有助于综合不同领域的知识，从而促进知识交流，丰富课程内容。

3.3.2同学合作

学生分成小组，合作完成锂硫电池的研究设计。鼓励学生分享知识和项目经验，提高协作技能和加深对锂硫电池的掌握。

3.4 研究项目

3.4.1 学生研究提案

学生查阅文献，提出锂硫电池相关的研究方案，涵盖材料设计、电池组装、性能优化和数据分析。提供的项目方案应与教学内容和研究前沿相关。

3.4.2 教师指导

学生研究项目需要老师指导和支持，老师应积极帮助学生制定研究计划和实验方案。

3.5 教育与研究的互补性

教育和研究之间的互补性有助于将锂硫电池理论知识与实际应用相结合，学生通过研究项目深入理解锂硫电池和对科研培养浓厚兴趣。此外，学生的研究项目有助于缓解锂硫电池应用瓶颈，为学术界和产业界提供一定贡献。

4 教研融合的成果

本节将总结通过教育与研究的融合所取得的成果，包括学生的理论提升、实验技能的锻炼、学生兴趣的增加以及创新思维的培养。

4.1 学生的理论提升

学生通过课程学习和项目研究，深入掌握了锂硫电池的工作原理、电化学反应历程、关键瓶颈和性能优化策略。教育与研究的互补性帮助学生将理论知识转化为实际问题的解决能力。

4.2实验技能的锻炼

学生通过参与项目实践，掌握了锂硫电池的正极材料设计、电解液优化、极片制作、电池组装、性能测试和数据分析等实验技能。实验设计的多样性使学生能够了解不同条件下电池性能的改变，并学会解释实验现象。实验室安全培训增强了学生的实验技能，使他们能够负责任地操作实验设备。

4.3学生兴趣的增加

通过锂硫电池的教育与研究活动，培养了学生对锂硫电池关键瓶颈问题的解决、实际应用和发展前景的浓厚兴趣。同时，激发了学生对电化学储能领域的深切向往，愿意深入学习。学生的兴趣培养有助于促进他们参与未来科学研究和创新工作的积极性。

4.4 创新思维的鼓励

学生通过设计科研项目，解决锂硫电池的性能挑战，促进材料创新和工程应用，有助于培养学生的创新思维和创新热情，进而使学生更富创造力。

5结论

5.1 教育与研究的综合性

教育与研究的融合为学生提供了深入理解锂硫电池的机会，从而丰富他们的理论功底和实验技能。通过研究项目，有助于学生培养实验技能和创新思维，从而促使他们具有扎实的理论知识和应用能力。通过教育与研究的融合，学生可以积极参与锂硫电池技术的发展，为其不断改进和创新提供支持。

5.2教育教改的重要性

教育教改在培养具备扎实理论基础、实验技能和创新思维的学生方面具有重要意义。综合性课程设计、项目实践和跨学科合作等教改方法有助于激发学生的学习兴趣和热情以及提高学生的综合素质，为他们未来的职业和学术生涯做好准备。

5.3 未来发展方向和建议

未来的锂硫电池的教育应进一步深化锂硫电池的理论和项目研究有机融合。高等学校和研究实验室应继续鼓励本科同学参与锂硫电池领域的研究项目，为学生的综合发展提供基础。

通过综合性的教育与研究方法，我们可以为学生提供知识、实践和创新的机会，同时为锂硫电池技术的发展做出贡献。

参考文献：

[1] Fang Ruopian , Zhao Shiyong , Sun Zhenhua , Wang Da-Wei , Cheng Hui-Ming , Li Feng。 《More Reliable Lithium-Sulfur Batteries: Status, Solutions and Prospects》。Advanced Materials，2017, 29(48), 1606823.

[2] 张红，王建国。《锂硫电池工作原理与性能优化：教育与研究的融合》。电化学教育与研究，2022，43(3)，72-78。

[3] 李明，刘晓丽。《锂硫电池性能优化的综合教育与研究实践》。化学教育与研究，2021，42(2)，35-42。

重庆理工大学高等教育研究项目（2022YB01）、重庆市研究生教育教学改革研究项目（yjg202033）