2024年3月7日发(作者：戴尔官网app下载)

《锂离子电池》实验案例教学设计与实施

本节课介绍了一个实验案例的教学设计和实践情况，锂离子电池原理的深度学习。实验案例包含理论和实践两个方面。一是以讲座的形式向学生介绍绿色化学及本研究课题设计的研究对象的工作原理、性能参数及测试方法等。二是设计研究对象的实验课程，营造真实的研究实践环境：例如通过组装锂离子电池和超级电容器，利用循环伏安法和恒流充放电法测量其电化学性能和点亮二极管以判断其电压大小等一系列的实验操作，锻炼学生的实践分析能力，开扩学科视野，培养学生化学实验素养和批判性思维的，增强学生的环保理念，使其切身感受绿色能源和绿色化学的魅力。所有的实验案例均先在绿色化学社团实施，实施后根据学生反馈改进后在班级实施。由于时间等因素，性能测试由学习小组学生操作完成，将测试好的数据提供班级上课学生。

教学安排

学生每两人一组完成该实验项目的学习。安排学时2学时，第1学时进行理论讲解，第

2学时实践操作。教师准备教学内容及实验药品器材等。

教学策略

本实验案例由创设情境、概念学习和探究原理、知识迁移、实践操作、学以致用五个环节构成(如下图）。

教学过程

（1）环节一、创设情境

师：以最新的新能源汽车为问题对象，引出新型电池主题。

生：找出乘坐的公交车中哪些是新能源公交车。

师：引导学生说出电池的种类，并进行分类。

生：电池的种类有哪些，试着分类，分类详见下图。

师：引导回顾原电池相关知识点。

生：回顾归纳原电池的构成条件和工作原理（电极反应式），粒子移动方向等。

设计意图：新能源汽车的电池涉及的“电化学知识”是人教版高中化学必修2和选修4的核心内容。以身边的新能源汽车为引入点，可以消除学生与电化学知识的隔阂；通过电池的举例分类，锻炼学生信息整合能力，对电池有一个清晰的认识；从汽车到它的工作原理体现了宏观辨识，微观探析的思想。

（2）环节二、锂离子电池工作原理及特点

师：向学生介绍锂电池的发展史，并引导学生写出锂一次电池工作原理。

生：回顾锂一次电池工作原理。

师：介绍锂电池的发展史，对比讲述锂一次电池和锂二次电池（锂离子电池）的区别（工作原理）。

生：学习锂离子电池的工作原理、书写电极反应方程式。

师：列出锂离子电池与其他电池的对比数据对比，让学生总结优点。

各电池性能对比

生：锂离子电池具有能量密度高、循环寿命好长、单体额定电压高、自放电率低、安全等优点，最主要的是无环境污染，是绿色电池。但是它的过充承受能力非常低。

师：为什么过充承受能力低？引导学生从锂离子电池的定义出发解释过充的原因，从碳材料的结构角度解释过放的坏处。

师：让学生推理三星手机电池爆炸事件可能存在的原因。

生 A：有可能过充导致电池内部温度过高，电池正负电极间的隔膜被破坏，发生了短路。

生 B：可能长出了锂离子被还原成了锂长出了锂晶枝。

师：如何给手机正确充电呢？

生：不过充过放，用手机专用充电头。

设计意图：了解电池的前世今生助于学生对电池有更深刻的理解，了解科研道路的漫长崎岖，但又永不言弃、追求更好。锂一次和锂离子电池的对比学习，让学生建立对比学习模

型。以数据的形式引导学生总结锂离子电池的优缺点，锻炼其信息整合能力，且对以前学习过的电池起到再认识的作用。分析三星手机爆炸案例，让学生学有所用，建立推理认知能力，增强学习的自信心。（注：据报道，三星为了提升手机电池的能量密度、放电时间，采用了超薄隔膜材料，因此当高温高压时，薄膜很容易破损，正负电极接触，造成短路）

（3）环节三、学习锂-空气电池和锂硫电池的工作原理

师：介绍锂-空气电池的结构，及其工作原理。放电时，金属锂失去电子变成锂离子，经过电解质到达正极，电子由外电路到达正极，氧气得电子发生还原反应，此过程化学能转化为电能；充电时，则相反。

锂-空气电池工作原理图

生：学生学出电池电极反应式：

a 水系电解质

负极：Li-e-⇌Li+

正极：O2+2H2O+4e-⇌4OH-

总反应式：4Li+O2+2H2O⇌4LiOH

b 固体电解质

负极：Li-e-⇌Li+

正极：O2+4e-⇌2O2-或 O2+2e-⇌2O-

总反应式：2Li+(1- x/2)O2⇌Li2O2-X（x=0或1）

师：介绍锂硫电池的结构，及其工作原理。锂硫电池是通过金属锂和硫之间的氧还原反应来存储、传递能量的。如下所示，在放电过程中，负极的金属锂锂被氧化，锂离子通电解液到达硫正极，电子则沿着外电路到达正极；正极的硫发生还原反应，形成多硫化锂，硫先被还原成易溶于有机电解液的长链硫化锂（S8→Li2S8→Li2S6→Li2S4），再被还原为沉积在表面的固体短链硫化物（Li2S4→Li2S2→Li2S）。充电时，过程反过来。

锂硫电池工作原理

生：写出电极反应方程式

放电过程

负极：Li→Li++e-

正极：S8+16Li++16e-→8Li2S

充电过程

阴极：Li++e-→Li

阳极：8Li2S→S8+16Li++16e-

设计意图：锂硫电池和锂-空气电池是为了弥补锂电池的短板而研发的新型电池，在高考中他们的身影并不陌生。从锂电池的工作原理到锂-空气电电池的原理的学习，学生的知识迁移能力及推理能力得到充分的锻炼。同时学生的看图分析能力也达到一定的锻炼，建立类比分析解题的模型。

（4）环节四、组装锂离子电池

该过程学生配置 1mol/L和6 mol/L的 KOH 溶液，让学生探究出电解质溶液浓度对电压窗口的影响。需要注意的是在配置6 mol/L的KOH 溶液时，教师及助手一定要全程监督，学生必须佩戴实验手套，以防止意外事故发生，因为高浓度的KOH溶液具有强腐蚀性。

师：讲述锂离子电池的组装顺序，如下图所示：

负电极壳→垫片→电解液→正电极片→电解液→隔膜→电解液→正电极片→负电极片

锂离子电池组装顺序

学生在探究锂离子电池的组装顺序

生：学生首先认识扣式锂电池的组件，学习组装顺序，配置电解质溶液，组装锂离子电池，点亮二极管。通过观察二极管的亮度判断电压大小。

设计意图：这个环节为学生提供了真实的实验平台和学习情境，使学生的创造力、探究能力得以发挥。让学生在科学创新的实践中培养创新意识。

（5）环节五、总结交流

该环节是自由讨论环节，由教师主持，各小组派代表分享实验心得。A小组表示实验失败，因为组装的过程中没注意把隔膜弄破了，造成短路。B小组表示他们使用1mol/L的电解质溶液组装的电池，只能使二极管发出微弱的光。C小组表示，他们使用的6 mol/L的电解质溶液组装的电池，能使二极管发出明亮的光。D小组同学说，他们使用的也是1 mol/L的电解质溶液组装的电池，虽然一个电池为二极管功能发光很弱，但是串联了几个电池后，发现二极管的明亮程度随着串联电池数量而增高。E 小组同学则用组装好的电池同时为多个二极管供电，是不过亮度不及一个二极管时。最后经过讨论学生们得出结论，电解质的浓

度与电池的电压在一定范围内成比例关系。

讨论完试验本次试验后，学生提出疑问新组装出来的锂离子电池的电压除了用电压计测量外，在科研实验室时怎么测量的？OPPO手机的快充是怎样做到的？为什么有的手机供电时间长，有的手机供电时间短？电极材料哪些，如何影响电池的性能？电池的寿命怎么测量，怎么才能提高电池的寿命，完善电池的性能，制作出寿命永恒的完美电池？教师一一为学生解答问题后，学生表示非常想去专业的实验室进行探究，比如在手套箱的无氧环境下用有机电解液组装电池，用不同的电极材料组装电池并测试效果等。

该环节表现了学生的科学态度和社会责任。也表现出学生对科研实验的强烈兴趣，体现了一定的科学素养。

（6）学以致用

案例实施结束后，向学生发放了关于锂离子电池、金属-空气电池及锂硫电池的试卷。发放试卷47份，回收47份，完成率100%，成绩统计如图 4-8所示。卷试卷满分为 100分，及格人数达到 33人，及格率高达70.2 %；90 分以上的人数为 8人，其中有两人得到得到了100分，优秀率为 17.02%；分数在80-90之间的人数是 4人，良好率为 8.5%；分数在70-80之间的人数最高，是12人，中等率占到25.5%。

不同载体原电池相关的成绩分布图

结 语

高二、高三学生已经在人教版必修一、必修二和选修四中学习过氧化还原反应和原电池相关的知识，因此本案例的开展非常顺利。从学生的课堂表现和反馈情况来看，学生非常喜欢这种类型的上课方式，贴近生活，解决了生活中常见的问题，并且对科研项目有了一定的认识，也感受到了“边做边学”“做中学”的乐趣。该案例的实施对发散学生的思维能力得到了充分的锻炼，同时也表现出了强烈的探究欲望，比如在实践环节，除了学生自己想到的通过串联的方式提高电压外，不少学生还提出，是否电解质的浓度、电解质的种类、还有电极材料的种类也在影响其电压的大小等等。

该案例的成功实施，为后续拓展案例的实施打下坚实的基础。根据学生反馈，他们希望加强实验的完整性，以便了解完整的科研实验过程。基于此，后面的拓展实验案例便加强了实验教学的内容。