清華大學(xué)基礎工(gōng)業訓練中(zhōng)心（來源：清華大學(xué)基礎工(gōng)業訓練中(zhōng)心官網）_客戶案例_走進科(kē)晶

清華大學(xué)基礎工(gōng)業訓練中(zhōng)心（來源：清華大學(xué)基礎工(gōng)業訓練中(zhōng)心官網）

發布時間：2021-08-05

能(néng)源和環境問題是21世紀人類面臨的兩大難題，它們嚴重制約着人類的生存和社會的可(kě)持續發展。這已不僅是科(kē)研人員關注的科(kē)學(xué)問題，更是全社會關心和支持的民(mín)生話題。推動新(xīn)能(néng)源材料的開發、新(xīn)能(néng)源産(chǎn)品制備裝(zhuāng)配技(jì )術不斷發展成為(wèi)解決這一困境的有(yǒu)效手段。其中(zhōng)，锂離子電(diàn)池産(chǎn)業的發展最為(wèi)突出。以新(xīn)能(néng)源汽車(chē)為(wèi)例，新(xīn)能(néng)源汽車(chē)産(chǎn)業是全球汽車(chē)産(chǎn)業的發展方向，也是我國(guó)重要的新(xīn)興戰略産(chǎn)業之一，未來10年将迎來全球汽車(chē)産(chǎn)業向新(xīn)能(néng)源汽車(chē)轉型和升級的戰略機遇。新(xīn)能(néng)源汽車(chē)主要包括純電(diàn)動汽車(chē)、插電(diàn)式混合動力汽車(chē)及燃料電(diàn)池汽車(chē)。其中(zhōng)，純電(diàn)動汽車(chē)完全使用(yòng)動力電(diàn)池驅動，對電(diàn)池容量要求可(kě)達到30kW·h的平均容量水平。而自2010年起，動力類锂離子電(diàn)池更是受益于技(jì )術提升和成本降低的巨大推動作(zuò)用(yòng)，逐漸替代鎳镉、鎳氫電(diàn)池，成為(wèi)新(xīn)能(néng)源汽車(chē)廣泛使用(yòng)的動力電(diàn)池。同時，随着全球4G移動通訊技(jì )術、互聯網、數字化娛樂便攜設備應用(yòng)的逐步普及，手機、筆(bǐ)記本電(diàn)腦、平闆電(diàn)腦、遊戲機、可(kě)穿戴式智能(néng)設備、移動電(diàn)源等數碼類電(diàn)子産(chǎn)品領域的需求也保持了持續的增長(cháng)，而智能(néng)手機已成為(wèi)锂離子電(diàn)池最大的應用(yòng)領域。此外，在規模儲能(néng)領域，我國(guó)儲能(néng)型锂離子電(diàn)池市場應用(yòng)總體(tǐ)呈增長(cháng)趨勢，并将有(yǒu)望成為(wèi)锂電(diàn)池新(xīn)增需求的重要來源。航空航天、船舶艦艇等領域也對锂離子電(diàn)池提出了更高能(néng)量密度和功率密度的要求，其應用(yòng)前景非常廣闊。锂電(diàn)池制造已成為(wèi)機械制造的重要分(fēn)支。因此，将锂電(diàn)池引入教學(xué)工(gōng)作(zuò)顯得尤為(wèi)重要。

軟包锂電(diàn)池由電(diàn)芯及聚合物(wù)外殼組成，是锂離子電(diàn)池常見的封裝(zhuāng)形式之一，具(jù)有(yǒu)重量輕、不易爆炸、循環次數多(duō)、能(néng)量密度高等優點，廣泛應用(yòng)于智能(néng)手機、平闆電(diàn)腦、新(xīn)能(néng)源汽車(chē)等領域。目前，使用(yòng)軟包锂電(diàn)池的新(xīn)能(néng)源汽車(chē)，續航裏程已可(kě)達600km，有(yǒu)效縮短了與燃油車(chē)的差距。同時，借助石墨烯等新(xīn)能(néng)源材料在軟包锂電(diàn)池中(zhōng)的應用(yòng)，已可(kě)實現充電(diàn)時間從數小(xiǎo)時縮短至不到一分(fēn)鍾，帶來了電(diàn)池與新(xīn)能(néng)源産(chǎn)業的革新(xīn)。軟包锂電(diàn)池具(jù)有(yǒu)可(kě)同時滿足實踐和科(kē)學(xué)探究的優勢，非常适合作(zuò)為(wèi)機械制造實習、材料類課程的實驗對象。

清華大學(xué)锂電(diàn)池裝(zhuāng)配教學(xué)，是新(xīn)能(néng)源領域的前沿技(jì )術向示範性教學(xué)轉變的一次探索。實驗選擇軟包锂電(diàn)池作(zuò)為(wèi)對象，教學(xué)有(yǒu)兩個特點：（1）軟包锂電(diàn)池制備的真實性。軟包锂電(diàn)池生産(chǎn)線(xiàn)，按照中(zhōng)試生産(chǎn)規模購(gòu)置。電(diàn)池生産(chǎn)流程與工(gōng)廠電(diàn)池制備流程一緻，保證了學(xué)生可(kě)以近距離、真實了解軟包锂電(diàn)池的生産(chǎn)過程。（2）軟包锂電(diàn)池的制備可(kě)以與新(xīn)能(néng)源材料和新(xīn)技(jì )術的引進相結合，鼓勵學(xué)生提出自己的理(lǐ)解、大膽創新(xīn)。然而，軟包锂電(diàn)池裝(zhuāng)配的教學(xué)工(gōng)作(zuò)也存在以下問題：（1）軟包锂電(diàn)池的制備過程包括塗極片、電(diàn)芯組裝(zhuāng)、注液、化成、性能(néng)測試等十餘道工(gōng)序，影響電(diàn)池性能(néng)的工(gōng)藝參數多(duō)達上百餘個。由于裝(zhuāng)配過程複雜，在現場實驗中(zhōng)，難以保證學(xué)生對相關流程的有(yǒu)效掌握，存在操作(zuò)不當所帶來的安(ān)全和設備損壞風險，以及耗材損耗嚴重等問題。（2）軟包锂電(diàn)池的制備過程對耗材的使用(yòng)量大，且成本較高。如果不能(néng)準确掌握軟包锂電(diàn)池的制備工(gōng)序，會直接影響最終産(chǎn)品的性能(néng)，造成不必要的浪費。（3）新(xīn)能(néng)源材料和新(xīn)技(jì )術的引進有(yǒu)助于進一步提高軟包锂電(diàn)池的性能(néng)，其效果的實現需要反複的實驗、數據記錄及驗證，實際應用(yòng)的成本昂貴。因而，借助虛拟仿真教學(xué)系統，學(xué)生可(kě)以掌握軟包锂電(diàn)池裝(zhuāng)配及設備操作(zuò)流程，學(xué)習相關知識點，開放探究思考；在此基礎上開展實操，并在系統中(zhōng)記錄現場實驗數據，形成虛拟仿真及現場實訓相結合的教學(xué)模式。

為(wèi)了幫助學(xué)生認知軟包锂電(diàn)池的生産(chǎn)流程及設備操作(zuò)規範。我們選擇深圳科(kē)晶軟包電(diàn)池制備設備，包括行星式攪拌機、自動塗布機、三輥機、切片機、卷繞機、鋁塑膜成型機、化成機等。同時，通過虛拟仿真技(jì )術，開發了設備的3D實景圖，便于學(xué)生可(kě)以在線(xiàn)操作(zuò)設備。該系統共分(fēn)為(wèi)實驗總覽、步驟介紹、操作(zuò)步驟、實驗記錄、探究單元、考核評價六大模塊。在實驗總覽中(zhōng)，學(xué)生能(néng)夠自主學(xué)習锂電(diàn)池的相關背景與理(lǐ)論知識、系統了解實驗内容，三維交互式地浏覽整個實驗場景和設備。學(xué)生還可(kě)以進一步認知每個實驗設備，通過交互式點選，了解相關按鈕和界面的操作(zuò)。實驗步驟介紹中(zhōng)，針對每步工(gōng)序，系統提供了操作(zuò)全流程的仿真動畫、相關描述與說明，輔助學(xué)生建立對該步工(gōng)序的系統認知。交互式操作(zuò)是整個虛拟仿真系統的核心内容。通過三維交互界面，學(xué)生按照正确的操作(zuò)步驟選擇操作(zuò)部件、實驗原料，在仿真環境中(zhōng)完成整個實驗，系統在後台實現對學(xué)生操作(zuò)情況的記錄。探究單元模塊采用(yòng)啓發式教學(xué)，引導并鼓勵學(xué)生，就如何通過石墨烯等新(xīn)材料的開發、新(xīn)技(jì )術的引用(yòng)，進一步提高電(diàn)池性能(néng)等主題進行開放式思考。