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清華大學（來源：基礎工業訓練中心官網）

發布時間：2021-08-05

能源和環境問題是21世紀人類面臨的兩大難題，它們嚴重制約著人類的生存和社會的可持續發展。這已不僅是科研人員關注的科學問題，更是全社會關心和支持的民生話題。推動新能源材料的開發、新能源產品制備裝配技術不斷發展成為解決這一困境的有效手段。其中，鋰離子電池產業的發展最為突出。以新能源汽車為例，新能源汽車產業是全球汽車產業的發展方向，也是我國重要的新興戰略產業之一，未來10年將迎來全球汽車產業向新能源汽車轉型和升級的戰略機遇。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動，對電池容量要求可達到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、互聯網、數字化娛樂便攜設備應用的逐步普及，手機、筆記本電腦、平板電腦、游戲機、可穿戴式智能設備、移動電源等數碼類電子產品領域的需求也保持了持續的增長，而智能手機已成為鋰離子電池最大的應用領域。此外，在規模儲能領域，我國儲能型鋰離子電池市場應用總體呈增長趨勢，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，其應用前景非常廣闊。鋰電池制造已成為機械制造的重要分支。因此，將鋰電池引入教學工作顯得尤為重要。

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、循環次數多、能量密度高等優點，廣泛應用于智能手機、平板電腦、新能源汽車等領域。目前，使用軟包鋰電池的新能源汽車，續航里程已可達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用，已可實現充電時間從數小時縮短至不到一分鐘，帶來了電池與新能源產業的革新。軟包鋰電池具有可同時滿足實踐和科學探究的優勢，非常適合作為機械制造實習、材料類課程的實驗對象。

清華大學鋰電池裝配教學，是新能源領域的前沿技術向示范性教學轉變的一次探索。實驗選擇軟包鋰電池作為對象，教學有兩個特點：（1）軟包鋰電池制備的真實性。軟包鋰電池生產線，按照中試生產規模購置。電池生產流程與工廠電池制備流程一致，保證了學生可以近距離、真實了解軟包鋰電池的生產過程。（2）軟包鋰電池的制備可以與新能源材料和新技術的引進相結合，鼓勵學生提出自己的理解、大膽創新。然而，軟包鋰電池裝配的教學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多達上百余個。由于裝配過程復雜，在現場實驗中，難以保證學生對相關流程的有效掌握，存在操作不當所帶來的安全和設備損壞風險，以及耗材損耗嚴重等問題。（2）軟包鋰電池的制備過程對耗材的使用量大，且成本較高。如果不能準確掌握軟包鋰電池的制備工序，會直接影響最終產品的性能，造成不必要的浪費。（3）新能源材料和新技術的引進有助于進一步提高軟包鋰電池的性能，其效果的實現需要反復的實驗、數據記錄及驗證，實際應用的成本昂貴。因而，借助虛擬仿真教學系統，學生可以掌握軟包鋰電池裝配及設備操作流程，學習相關知識點，開放探究思考；在此基礎上開展實操，并在系統中記錄現場實驗數據，形成虛擬仿真及現場實訓相結合的教學模式。

為了幫助學生認知軟包鋰電池的生產流程及設備操作規范。我們選擇深圳科晶軟包電池制備設備，包括行星式攪拌機、自動涂布機、三輥機、切片機、卷繞機、鋁塑膜成型機、化成機等。同時，通過虛擬仿真技術，開發了設備的3D實景圖，便于學生可以在線操作設備。該系統共分為實驗總覽、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，學生能夠自主學習鋰電池的相關背景與理論知識、系統了解實驗內容，三維交互式地瀏覽整個實驗場景和設備。學生還可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。實驗步驟介紹中，針對每步工序，系統提供了操作全流程的仿真動畫、相關描述與說明，輔助學生建立對該步工序的系統認知。交互式操作是整個虛擬仿真系統的核心內容。通過三維交互界面，學生按照正確的操作步驟選擇操作部件、實驗原料，在仿真環境中完成整個實驗，系統在后臺實現對學生操作情況的記錄。探究單元模塊采用啟發式教學，引導并鼓勵學生，就如何通過石墨烯等新材料的開發、新技術的引用，進一步提高電池性能等主題進行開放式思考。