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清華大學(xué) （來源：基礎(chǔ)工業(yè)訓(xùn)練中心官網(wǎng)）

發(fā)布時間：2021-08-05

能源和環(huán)境問題是21世紀(jì)人類面臨的兩大難題，它們嚴(yán)重制約著人類的生存和社會的可持續(xù)發(fā)展。這已不僅是科研人員關(guān)注的科學(xué)問題，更是全社會關(guān)心和支持的民生話題。推動新能源材料的開發(fā)、新能源產(chǎn)品制備裝配技術(shù)不斷發(fā)展成為解決這一困境的有效手段。其中，鋰離子電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展最為突出。以新能源汽車為例，新能源汽車產(chǎn)業(yè)是全球汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向，也是我國重要的新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)之一，未來10年將迎來全球汽車產(chǎn)業(yè)向新能源汽車轉(zhuǎn)型和升級的戰(zhàn)略機(jī)遇。新能源汽車主要包括純電動汽車、插電式混合動力汽車及燃料電池汽車。其中，純電動汽車完全使用動力電池驅(qū)動，對電池容量要求可達(dá)到30kW·h的平均容量水平。而自2010年起，動力類鋰離子電池更是受益于技術(shù)提升和成本降低的巨大推動作用，逐漸替代鎳鎘、鎳氫電池，成為新能源汽車廣泛使用的動力電池。同時，隨著全球4G移動通訊技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字化娛樂便攜設(shè)備應(yīng)用的逐步普及，手機(jī)、筆記本電腦、平板電腦、游戲機(jī)、可穿戴式智能設(shè)備、移動電源等數(shù)碼類電子產(chǎn)品領(lǐng)域的需求也保持了持續(xù)的增長，而智能手機(jī)已成為鋰離子電池最大的應(yīng)用領(lǐng)域。此外，在規(guī)模儲能領(lǐng)域，我國儲能型鋰離子電池市場應(yīng)用總體呈增長趨勢，并將有望成為鋰電池新增需求的重要來源。航空航天、船舶艦艇等領(lǐng)域也對鋰離子電池提出了更高能量密度和功率密度的要求，其應(yīng)用前景非常廣闊。鋰電池制造已成為機(jī)械制造的重要分支。因此，將鋰電池引入教學(xué)工作顯得尤為重要。

軟包鋰電池由電芯及聚合物外殼組成，是鋰離子電池常見的封裝形式之一，具有重量輕、不易爆炸、循環(huán)次數(shù)多、能量密度高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、平板電腦、新能源汽車等領(lǐng)域。目前，使用軟包鋰電池的新能源汽車，續(xù)航里程已可達(dá)600km，有效縮短了與燃油車的差距。同時，借助石墨烯等新能源材料在軟包鋰電池中的應(yīng)用，已可實現(xiàn)充電時間從數(shù)小時縮短至不到一分鐘，帶來了電池與新能源產(chǎn)業(yè)的革新。軟包鋰電池具有可同時滿足實踐和科學(xué)探究的優(yōu)勢，非常適合作為機(jī)械制造實習(xí)、材料類課程的實驗對象。

清華大學(xué)鋰電池裝配教學(xué)，是新能源領(lǐng)域的前沿技術(shù)向示范性教學(xué)轉(zhuǎn)變的一次探索。實驗選擇軟包鋰電池作為對象，教學(xué)有兩個特點：（1）軟包鋰電池制備的真實性。軟包鋰電池生產(chǎn)線，按照中試生產(chǎn)規(guī)模購置。電池生產(chǎn)流程與工廠電池制備流程一致，保證了學(xué)生可以近距離、真實了解軟包鋰電池的生產(chǎn)過程。（2）軟包鋰電池的制備可以與新能源材料和新技術(shù)的引進(jìn)相結(jié)合，鼓勵學(xué)生提出自己的理解、大膽創(chuàng)新。然而，軟包鋰電池裝配的教學(xué)工作也存在以下問題：（1）軟包鋰電池的制備過程包括涂極片、電芯組裝、注液、化成、性能測試等十余道工序，影響電池性能的工藝參數(shù)多達(dá)上百余個。由于裝配過程復(fù)雜，在現(xiàn)場實驗中，難以保證學(xué)生對相關(guān)流程的有效掌握，存在操作不當(dāng)所帶來的安全和設(shè)備損壞風(fēng)險，以及耗材損耗嚴(yán)重等問題。（2）軟包鋰電池的制備過程對耗材的使用量大，且成本較高。如果不能準(zhǔn)確掌握軟包鋰電池的制備工序，會直接影響最終產(chǎn)品的性能，造成不必要的浪費。（3）新能源材料和新技術(shù)的引進(jìn)有助于進(jìn)一步提高軟包鋰電池的性能，其效果的實現(xiàn)需要反復(fù)的實驗、數(shù)據(jù)記錄及驗證，實際應(yīng)用的成本昂貴。因而，借助虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，學(xué)生可以掌握軟包鋰電池裝配及設(shè)備操作流程，學(xué)習(xí)相關(guān)知識點，開放探究思考；在此基礎(chǔ)上開展實操，并在系統(tǒng)中記錄現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)，形成虛擬仿真及現(xiàn)場實訓(xùn)相結(jié)合的教學(xué)模式。

為了幫助學(xué)生認(rèn)知軟包鋰電池的生產(chǎn)流程及設(shè)備操作規(guī)范。我們選擇深圳科晶軟包電池制備設(shè)備，包括行星式攪拌機(jī)、自動涂布機(jī)、三輥機(jī)、切片機(jī)、卷繞機(jī)、鋁塑膜成型機(jī)、化成機(jī)等。同時，通過虛擬仿真技術(shù)，開發(fā)了設(shè)備的3D實景圖，便于學(xué)生可以在線操作設(shè)備。該系統(tǒng)共分為實驗總覽、步驟介紹、操作步驟、實驗記錄、探究單元、考核評價六大模塊。在實驗總覽中，學(xué)生能夠自主學(xué)習(xí)鋰電池的相關(guān)背景與理論知識、系統(tǒng)了解實驗內(nèi)容，三維交互式地瀏覽整個實驗場景和設(shè)備。學(xué)生還可以進(jìn)一步認(rèn)知每個實驗設(shè)備，通過交互式點選，了解相關(guān)按鈕和界面的操作。實驗步驟介紹中，針對每步工序，系統(tǒng)提供了操作全流程的仿真動畫、相關(guān)描述與說明，輔助學(xué)生建立對該步工序的系統(tǒng)認(rèn)知。交互式操作是整個虛擬仿真系統(tǒng)的核心內(nèi)容。通過三維交互界面，學(xué)生按照正確的操作步驟選擇操作部件、實驗原料，在仿真環(huán)境中完成整個實驗，系統(tǒng)在后臺實現(xiàn)對學(xué)生操作情況的記錄。探究單元模塊采用啟發(fā)式教學(xué)，引導(dǎo)并鼓勵學(xué)生，就如何通過石墨烯等新材料的開發(fā)、新技術(shù)的引用，進(jìn)一步提高電池性能等主題進(jìn)行開放式思考。