基于復(fù)雜工程問題驅(qū)動(dòng)的鋰離子電池綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及實(shí)踐

沈雪陽,陳 淼,郭艷東

(1.南京郵電大學(xué) 電子與光學(xué)工程學(xué)院、柔性電子(未來技術(shù))學(xué)院,江蘇 南京 210046;2.金陵科技學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,江蘇 南京 211169)

工程教育認(rèn)證是針對(duì)高等教育機(jī)構(gòu)開設(shè)的工程類專業(yè)實(shí)施的專門性認(rèn)證,旨在提高工程教育的質(zhì)量,是國(guó)際通用的工程教育質(zhì)量保證制度[1]。專業(yè)認(rèn)證倡導(dǎo)“學(xué)生中心、成果導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”三大基本理念,和傳統(tǒng)的教育體系相比,工程教育認(rèn)證將畢業(yè)生的從業(yè)素質(zhì)及解決實(shí)際問題的能力置于首位目標(biāo),更為注重學(xué)生最終獲得的學(xué)習(xí)成果[2]。作為人才培育和產(chǎn)出的搖籃,高等學(xué)校工程教育應(yīng)圍繞《工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》,不斷提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。解決復(fù)雜工程問題能力是工程教育認(rèn)證中畢業(yè)要求的關(guān)鍵點(diǎn)。“復(fù)雜工程問題”具備以下特征:(1)必須運(yùn)用深入的工程原理,經(jīng)過分析才可能得到解決;(2)涉及多方面技術(shù)、工程和其它因素,并可能相互有一定沖突;(3)需要通過建立合適的抽象模型才能解決,在建模過程中需要體現(xiàn)出創(chuàng)造性;(4)不是僅靠常用方法就可以完全解決的;(5)問題中涉及的因素可能沒有完全包含在專業(yè)工程實(shí)踐的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中;(6)問題相關(guān)各方的利益不完全一致;(7)具有較高的綜合性,包含多個(gè)相互關(guān)聯(lián)的子問題[3-4]。

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是理工專業(yè)學(xué)生必修的實(shí)踐類課程,是大學(xué)物理理論教學(xué)的深化和補(bǔ)充,是一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課,適合作為培養(yǎng)理工科學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的課程載體,因此有必要對(duì)該課程的選題內(nèi)容和模式進(jìn)行改革和創(chuàng)新。電池技術(shù)目前正引領(lǐng)新一輪能源革命及科技創(chuàng)新,在電動(dòng)汽車、便攜式電子設(shè)備等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,具有綜合性和學(xué)科交叉性,滿足復(fù)雜工程問題的多項(xiàng)特征,可以作為大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的選題?；诠こ探逃J(rèn)證背景下復(fù)雜工程問題的驅(qū)動(dòng),文章探討了將鋰離子電池技術(shù)引入大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的可行性和有效性,并確立了鋰離子電池綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的教學(xué)內(nèi)容與實(shí)施方案。

1 鋰離子電池技術(shù)作為大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)選題的探討

我國(guó)新能源汽車產(chǎn)銷量屢創(chuàng)新高,產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)化邁向新階段。鋰離子電池作為新能源汽車的“心臟”,是電動(dòng)汽車發(fā)展的標(biāo)志性技術(shù),直接影響著車輛續(xù)航里程、整車壽命和安全性。鋰離子電池技術(shù)涵蓋了物理學(xué)、電子學(xué)、化學(xué)和工程學(xué)等多個(gè)學(xué)科,將其引入大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué),響應(yīng)了教育部要求各高校在實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新引領(lǐng)中,開展系統(tǒng)、深入的跨學(xué)科、跨領(lǐng)域交叉融合研究這一號(hào)召[5]。在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中開展鋰離子電池綜合實(shí)驗(yàn)具有以下優(yōu)點(diǎn)。

(1)引導(dǎo)大學(xué)生聚焦科技前沿,把握最新科技動(dòng)態(tài)

鋰離子電池技術(shù)是目前重要的新型綠色二次能源,是新能源汽車動(dòng)力電池和各種移動(dòng)儲(chǔ)能的主流技術(shù),也是當(dāng)下備受關(guān)注的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展前沿。國(guó)內(nèi)外眾多高校都在嘗試探索將這種技術(shù)應(yīng)用于課堂教學(xué),尤其是實(shí)驗(yàn)實(shí)踐類課程。鋰離子電池技術(shù)包括了基礎(chǔ)科學(xué)研究、電池材料設(shè)計(jì)研發(fā)、電池管理系統(tǒng)和電池機(jī)械包裝等,這些科學(xué)與技術(shù)問題都是科技前沿?zé)狳c(diǎn)。此外,鋰離子關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展被納入國(guó)務(wù)院印發(fā)的戰(zhàn)略文件《中國(guó)制造2025》,規(guī)劃中鋰離子動(dòng)力電池能量密度的目標(biāo)是300Wh/kg?？梢?將鋰離子電池技術(shù)引入高校實(shí)踐教學(xué)服從國(guó)家戰(zhàn)略計(jì)劃,關(guān)切經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需求,有助于大學(xué)生的格局、想象力和前瞻性的開闊。在鋰離子電池綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)教學(xué)過程中,引導(dǎo)學(xué)生瞄準(zhǔn)世界前沿科學(xué),掌握最新的科技發(fā)展動(dòng)態(tài),從而能夠更好地把握科技創(chuàng)新方向,為國(guó)家培養(yǎng)科技創(chuàng)新主力軍奠定基礎(chǔ)[6]。

(2)培養(yǎng)復(fù)合型創(chuàng)新人才,促進(jìn)交叉學(xué)科融合

培養(yǎng)高質(zhì)量的復(fù)合型創(chuàng)新人才是提高我國(guó)戰(zhàn)略科技力量的重要舉措,高校作為培養(yǎng)人才的搖籃,需要構(gòu)建完善復(fù)合型人才培養(yǎng)模式。如今科技的創(chuàng)新、突破和發(fā)展離不開交叉學(xué)科的融合,而電池技術(shù)是典型的交叉學(xué)科領(lǐng)域,技術(shù)集成度高,開發(fā)難度大,對(duì)人才的綜合素質(zhì)及解決復(fù)雜問題的能力要求較高[7,8]。自鋰離子電池被發(fā)明以來,其發(fā)展和能源、物理、電子、化學(xué)和機(jī)械等學(xué)科息息相關(guān)。交叉學(xué)科突破了單一學(xué)科對(duì)人才培養(yǎng)的局限,也開拓了高校對(duì)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的空間。將鋰離子電池技術(shù)納入大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,有助于培養(yǎng)一批思維活躍、知識(shí)面寬廣的復(fù)合創(chuàng)新型大學(xué)生。

(3)有助于提高大學(xué)生工程實(shí)踐及創(chuàng)新能力

實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)是高等教育的重要組成部分,大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)作為必修實(shí)踐性課程,旨在培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用物理領(lǐng)域?qū)I(yè)知識(shí)和技能,進(jìn)而解決復(fù)雜工程問題的能力。傳統(tǒng)單一的實(shí)驗(yàn)教學(xué)在學(xué)生的綜合能力及創(chuàng)新能力等方面的訓(xùn)練稍有欠缺。鋰離子電池綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)具有一定的開放性和自主性,例如在電池設(shè)計(jì)中正負(fù)極材料及集流體的選擇都給予了學(xué)生很大的自主發(fā)揮和思維空間,可以很好地調(diào)動(dòng)學(xué)生的能動(dòng)性和創(chuàng)新性。其次,在鋰離子電池裝配和測(cè)試過程中,需要使用涂布機(jī)、沖壓機(jī)、手套箱、藍(lán)電測(cè)試儀等設(shè)備,在此過程中學(xué)生的動(dòng)手實(shí)驗(yàn)?zāi)芰梢缘玫綄?shí)實(shí)在在地訓(xùn)練,發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力也得以形成和提升。鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的設(shè)計(jì)使用多物理場(chǎng)仿真軟件comsol完成,從而使大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)這門課程不僅局限于實(shí)驗(yàn)實(shí)踐,而是將其和軟件設(shè)計(jì)開發(fā)巧妙融合,使學(xué)生在電子設(shè)計(jì)分析、計(jì)算機(jī)軟件輔助設(shè)計(jì)、電子器件制作和數(shù)據(jù)處理等方面的能力都有一個(gè)質(zhì)的飛躍。

2 鋰離子電池綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐

鋰離子電池綜合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括鋰離子電池技術(shù)介紹、鋰離子電池總體設(shè)計(jì)、電池組裝及封裝、電池充放電測(cè)試分析以及電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的設(shè)計(jì)。本課程設(shè)置32學(xué)時(shí),教學(xué)大綱如表1所示。

表1 鋰離子電池綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱

2.1 鋰離子電池技術(shù)介紹

鋰離子電池是新一代的可充電二次電池,與其他蓄電池相比,鋰離子電池具有高比能量、無記憶效應(yīng)、循環(huán)壽命長(zhǎng)、工作溫度范圍較寬、綠色無污染和安全性好等優(yōu)點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于便攜設(shè)備電池和電動(dòng)汽車動(dòng)力電池等多個(gè)領(lǐng)域[9]。指導(dǎo)教師先利用多媒體課件向?qū)W生介紹鋰離子電池的發(fā)展歷程、組成結(jié)構(gòu)、工作原理、制備工藝、熱管理系統(tǒng)以及電池充放電性能的測(cè)試方法等基本知識(shí)。多媒體課件內(nèi)容包含文字、圖片、動(dòng)畫和短視頻等多種形式,比如鋰離子電池的工作原理是鋰離子在正極和負(fù)極之間的不斷嵌入和脫出產(chǎn)生電能,猶如擺動(dòng)的搖椅,所以也被稱為“搖椅式電池”。這個(gè)過程可以用動(dòng)畫生動(dòng)形象地演示,使學(xué)生能夠更為直觀和深入地理解原理。通過2個(gè)課時(shí)對(duì)鋰離子電池技術(shù)進(jìn)行圖文并茂的講解,使學(xué)生對(duì)鋰離子電池有一個(gè)初步的了解和認(rèn)識(shí),并激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和好奇心。

2.2 電池總體設(shè)計(jì)

電池總體設(shè)計(jì)的任務(wù)是根據(jù)用電設(shè)備的目標(biāo)需求,為設(shè)備提供工作儲(chǔ)能電源或動(dòng)力電源。因此,電池設(shè)計(jì)首先要根據(jù)用電設(shè)備需要的電池特性,來確定電池的正負(fù)電極、電解液、隔膜、外殼以及其他部件的參數(shù),并把它們組裝成符合一定指標(biāo)和規(guī)格的電池。電池設(shè)計(jì)的合理性直接關(guān)系到電池的使用性能,在此過程中學(xué)生的文獻(xiàn)資料查閱能力和科學(xué)思維能力都得到鍛煉。根據(jù)不同需求,學(xué)生可以從電池關(guān)鍵材料選擇、工作原理、制備工藝、封裝工藝等方面進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)研,并設(shè)計(jì)出合理科學(xué)的電池器件,鋰離子電池的設(shè)計(jì)根本在于對(duì)電池關(guān)鍵材料進(jìn)行選擇和設(shè)計(jì),電池材料主要包括了正極、負(fù)極、電解液和隔膜,常用電池材料的種類如圖1所示。

圖1 鋰離子電池關(guān)鍵材料

電池的設(shè)計(jì)還需要考慮用電設(shè)備對(duì)電池性能指標(biāo)的要求以及電池使用條件,主要包含電池工作電壓、電池工作電流、工作時(shí)間及工作溫度等。電池關(guān)鍵材料的選擇和電池的上述性能指標(biāo)息息相關(guān),表2列出了幾種常規(guī)鋰離子電池的設(shè)計(jì)參數(shù)。

表2 幾種常規(guī)鋰離子電池的設(shè)計(jì)參數(shù)

2.3 電池組裝和封裝

紐扣式鋰離子電池小型簡(jiǎn)單,裝配工藝成熟,目前實(shí)驗(yàn)室中對(duì)于鋰離子電池的研究通常采用扣式電池形式,因此在本次綜合實(shí)驗(yàn)中選擇紐扣式鋰離子電池作為研究對(duì)象。鋰離子扣式電池主要由以下幾個(gè)部分組成:正極殼、負(fù)極殼、正負(fù)極片、隔膜、墊片和電解液,其裝配流程和所需儀器設(shè)備如圖2所示。電池正/負(fù)極片的制備包括漿料制備、漿料涂布、壓片和裁片,主要用到的儀器有電子天平、瑪瑙研缽、磁力攪拌器、流延涂布機(jī)、沖壓機(jī)和真空干燥箱。將制備好的電池極片轉(zhuǎn)移到惰性氣氛手套箱內(nèi),按照負(fù)極殼、墊片、負(fù)極極片、隔膜、電解液、正極極片、墊片順序依次堆疊,最后蓋上正極殼完成電池的組裝。將組裝完畢的電池置于扣式電池封口機(jī)模具上,調(diào)整壓力至50 MPa最終完成電池的封裝。通過對(duì)電池進(jìn)行組裝和封裝,學(xué)生對(duì)于電池產(chǎn)品有了更為直觀和深層次的認(rèn)知,動(dòng)手能力得到了很好的檢驗(yàn)和提高。除此之外,有些操作如沖壓電極極片需要兩個(gè)人進(jìn)行配合,這有助于培養(yǎng)大學(xué)生的團(tuán)結(jié)協(xié)作精神。

圖2 電池組裝設(shè)備

2.4 電池充放電性能測(cè)試

鋰離子電池的充放電性能測(cè)試主要是對(duì)電池容量、庫倫效率、倍率性能、循環(huán)性能、電壓曲線等多種特性進(jìn)行測(cè)試,從而對(duì)電池性能進(jìn)行全方位的評(píng)價(jià)[10,11]。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室采用藍(lán)電(land)電池測(cè)試儀(圖3(a)對(duì)組裝好的扣式鋰離子電池進(jìn)行充放電測(cè)試。藍(lán)電測(cè)試系統(tǒng)允許用戶對(duì)多個(gè)通道設(shè)定多個(gè)“工作步驟”的過程編程。每個(gè)“工作步驟”由工作模式、結(jié)束條件、記錄條件和安全保護(hù)等4個(gè)部分組成?？凼诫姵夭捎眠m用的夾持和藍(lán)電測(cè)試儀連接后就可以在電腦上進(jìn)行充放電過程設(shè)置,程序啟動(dòng)后系統(tǒng)即開始記錄被測(cè)扣式電池的充放電行為,電池的充放電容量隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)輸出信息可以從測(cè)試軟件導(dǎo)出,再將原始數(shù)據(jù)拷貝到origin軟件中作圖即完成充放電曲線的繪制。以電池循環(huán)性能測(cè)試為例,圖3(b)即為鋰離子電池鈷酸鋰正極的充放電循環(huán)曲線,從圖中可以看出電池在充放電循環(huán)100周后放電和充電容量分別為153.5 mA h g-1和159.2 mA h g-1,相應(yīng)的庫倫效率為96.4%,具有較好的容量保持率和循環(huán)穩(wěn)定性。鋰離子電池充放電性能測(cè)試和分析對(duì)于關(guān)鍵材料選擇及制備、全電池設(shè)計(jì)和電池失效預(yù)判具有十分重要的意義。通過這一環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì),不僅可以提高學(xué)生對(duì)于測(cè)試系統(tǒng)軟件和繪圖軟件的操作應(yīng)用技能,還可以鍛煉學(xué)生處理并分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的綜合本領(lǐng)。

圖3 電池性能

2.5 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著電動(dòng)汽車動(dòng)力儲(chǔ)能的需求不斷增大,鋰離子電池開始逐步從小尺寸向大尺寸及模塊化方向發(fā)展,隨之而來的是電池產(chǎn)熱造成的安全性問題日益凸顯,因此電池?zé)峁芾硪渤蔀楫?dāng)下鋰離子電池技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。Comsol是一種多物理場(chǎng)仿真軟件,可以通過建立鋰離子電池三維模型并耦合電場(chǎng)和傳熱場(chǎng),對(duì)電池在充放電過程中的產(chǎn)熱特性進(jìn)行仿真和分析,從而可以有效地預(yù)估和管理電池工作狀態(tài)[12,13]。使用Comsol軟件對(duì)鋰離子電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)進(jìn)行建模和產(chǎn)熱性能模擬,結(jié)果如圖4所示?？梢?Comsol軟件具有色彩豐富的圖形用戶界面和強(qiáng)大的后處理功能,可以將電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)下的溫度分布生動(dòng)直觀地展現(xiàn)在學(xué)生面前,不僅開拓了學(xué)生的思維,也增強(qiáng)了學(xué)生解決實(shí)際工程問題的能力。此外,Comsol軟件內(nèi)嵌CAD建模工具、專業(yè)的物理模型庫以及強(qiáng)大的網(wǎng)格剖分能力,操作流程簡(jiǎn)單,用戶可以輕松上手,非常適宜作為物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的入門軟件供學(xué)生學(xué)習(xí)使用。

圖4 單體電池結(jié)構(gòu)與特性

2.6 考核及成績(jī)?cè)u(píng)定

鋰離子電池綜合實(shí)驗(yàn)的成績(jī)由理論基礎(chǔ)知識(shí)考核、實(shí)驗(yàn)操作技能考核及實(shí)驗(yàn)報(bào)告評(píng)價(jià)三個(gè)部分組成,三者所占比例分別為30%、30%和40%。理論知識(shí)考核通過試卷的形式考查學(xué)生對(duì)于鋰離子電池的基本概念、工作原理、組成結(jié)構(gòu)及應(yīng)用技術(shù)等方面的掌握情況。實(shí)驗(yàn)技能考核主要根據(jù)學(xué)生的儀器設(shè)備使用情況、電池組裝設(shè)備和測(cè)試儀器的操作表現(xiàn)以及最終的電池成品進(jìn)行評(píng)定。實(shí)驗(yàn)報(bào)告評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)包括預(yù)習(xí)報(bào)告、電池總體設(shè)計(jì)方案、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的規(guī)范性和科學(xué)性以及電池設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性等?？偝煽?jī)采取五級(jí)制,即優(yōu)秀、良好、中等、及格和不及格。

3 符合工程教育認(rèn)證要求的復(fù)雜工程問題特征

(1)鋰離子電池綜合實(shí)驗(yàn)要求完成一個(gè)鋰離子電池產(chǎn)品的完整功能,包括電池設(shè)計(jì)、裝配、測(cè)試和性能分析。在這個(gè)過程中,要綜合考慮電池設(shè)計(jì)指標(biāo)、電池可靠性和安全性以及成本等因素,要求學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握相關(guān)工程知識(shí)和原理,并經(jīng)過充分調(diào)研、思考分析和實(shí)驗(yàn)探索才能完成。以上符合了復(fù)雜工程問題的特點(diǎn):必須運(yùn)用深入的工程原理經(jīng)過分析才可能得到解決。

(2)鋰離子電池綜合實(shí)驗(yàn)涵蓋了電池設(shè)計(jì)、機(jī)理表征、電極工藝、材料改性以及電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)等多個(gè)不同層面的科學(xué)和工程問題,涉及物理學(xué)、材料學(xué)、電子學(xué)、熱學(xué)、機(jī)械力學(xué)等多學(xué)科交叉領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)分析和理論建模,技術(shù)集成度高,對(duì)人才的綜合素質(zhì)及解決復(fù)雜問題的能力要求較高。以上符合了復(fù)雜工程問題的特點(diǎn):涉及多方面技術(shù)、工程和其它因素,并可能相互有一定沖突。

(3)鋰離子電池綜合實(shí)驗(yàn)需要運(yùn)用多種現(xiàn)代工程工具,如電池正負(fù)極材料計(jì)算理論容量和改性模擬的Materials Studio軟件,電池充放電測(cè)試的land系統(tǒng),電池阻抗和循環(huán)伏安測(cè)試的電化學(xué)工作站,阻抗譜擬合軟件Zview以及熱管理系統(tǒng)建模仿真軟件comsol等。符合復(fù)雜工程問題的特征:需要通過建立合適的抽象模型才能解決,在建模過程中需要體現(xiàn)出創(chuàng)造性;不是僅靠常用方法就可以解決的。

(4)鋰離子電池綜合實(shí)驗(yàn)中電池組裝和封裝這一環(huán)節(jié),需要綜合考慮電池的電壓、內(nèi)阻、容量、倍率、壽命和體積比能量等具體要求指標(biāo),以及電池的工作溫度范圍和自放電等工程問題。除了理論計(jì)算分析之外,對(duì)于學(xué)生操作各種相關(guān)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的能力也有一定的要求。符合復(fù)雜工程問題的特征:具有較高的綜合性,包含多個(gè)相互關(guān)聯(lián)的子問題。

4 結(jié) 論

鋰離子電池技術(shù)作為新一輪能源革命及科技創(chuàng)新的代表,具有綜合性和學(xué)科交叉性,注重學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)?；诠こ探逃J(rèn)證背景下復(fù)雜工程問題的驅(qū)動(dòng),文章探討了將鋰離子電池綜合實(shí)驗(yàn)作為大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程選題的有效性,并提出相應(yīng)的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方案。通過鋰離子電池綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施,引導(dǎo)大學(xué)生聚焦科技前沿,把握最新科技動(dòng)態(tài);訓(xùn)練學(xué)生綜合運(yùn)用各種專業(yè)知識(shí),掌握鋰離子電池的設(shè)計(jì)理念、制備過程和測(cè)試方法;提高大學(xué)生工程實(shí)踐及創(chuàng)新能力,為培養(yǎng)一批思維活躍、知識(shí)面寬廣、實(shí)踐能力強(qiáng)的復(fù)合創(chuàng)新型大學(xué)生奠定基礎(chǔ)。