超级电容器原理与应用-电子信息工程 教学大纲

《超级电容器原理与应用》课程教学大纲一、课程基本信息课程名称超级电容器原理与应用PrincipleandApplicationofSupercapacitors课程代码0618007课程性质选修开课院部应用物理与材料学院课程负责人课程团队材料科学与工程教研室选修课教学团队授课学期7学分/学时2/32课内学时32理论学时32实验学时0实训（含上机）0实习0其他0适用专业2019级电子信息工程（新能源材料与器件模块）授课语言中文对先修的要求先修材料结构、制备的相关内容以及电化学的相关知识点，具有分析材料结构、电化学基本性能的能力，先修的主要课程包括《基础物理》、《大学化学》、《物理化学》、《材料科学基础》、《电化学基础及应用》。对后续的支撑《毕业设计（论文）》：提供超级电容器的基础理论知识以及测试、分析材料电化学性能的方法，培养学生综合判断超级电容器电极材料及器件电化学性能的能力以及针对具体问题提出解决方案的能力，具有环保意识基本素质。课程思政设计介绍超级电容器原理与实际应用，激发学生对新能源专业学习的热情；介绍我国超级电容器的发展历程，增强民族自信心和自豪感；讲授前沿科技进展，激发学生开拓创新、勇攀科学高峰的探究精神；通过文献解读，培养学生严谨的工作作风和科学素养；结合目前全球面临的能源危机和环境污染问题，介绍超级电容器在储能领域和环保方面所发挥的积极作用，培养学生的节能环保意识。创新创业教育设计将课本中的电极材料的设计与合成、超级电容器热行为、超级电容器测试系统与创新创业结合，培养学生对实际问题思考能力，如：如何利用生物质材料合成电极材料、如何提高碳材料的比表面积、如何解决储能器件在大电流密度下充放电散热问题等，加深对基础知识的理解与应用，培养学生独立自主的学习能力、团队合作及创新创业能力。课程简介课程定位：本课程是材料科学与工程专业的专业限选选修课。课程主要内容包括电化学电容器与电池、双电层及碳材料的电化学行为、准电容及氧化钌材料的电化学行为、导电聚合物膜的电容行为、影响电容器性能的电解质因素等内容。本课程重点介绍超级电容器的两种储能机制-双电层电容和准电容，以及这两种储能机制的典型代表材料的电化学行为。核心学习结果：通过本课程的学习使学生对超级电容器的基本概念、基本构成和工作原理有比较全面、系统的认识，理解超级电容器与电池的区别，掌握超级电容器的储能机制和其电极材料，进一步加深学生对电化学知识的理解，培养学生分析和解决工程技术问题的能力，并激发学生自主学习的素质能力。主要教学方法：本课程主要以教师讲解为主，同时也包含学生的自主学习以及文献调研报告等教学方式。

二、课程目标及对毕业要求指标点的支撑序号课程目标支撑毕业要求指标点毕业要求1目标1：通过了解超级电容器材料和技术的历史和现状，学生具有把握该领域发展方向的能力。指标点1.3：能将新能源材料与器件专业知识用于解决材料与器件的设计和工艺改进等复杂工程问题。毕业要求1（工程知识）：具有利用数学、自然科学、工程基础知识和新能源相关专业知识来解决新能源材料与器件行业中的复杂工程问题。目标2：学生理解超级电容器的相关基本概念、基本构成和工作原理，并掌握超级电容器的储能机制，了解超级电容器的应用领域，并且能够运用这些知识识别超级电容器在实际应用中的复杂工程问题。2目标3：学生能够运用超级电容器的相关知识，并通过文献调研对超级电容器体系中的应用问题进行研究与分析。指标点2.2：能结合文献，对新能源材料与器件中的设计、加工工艺和性能优化等复杂工程问题提出多种解决方案，进行研究。毕业要求2（问题分析）：能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，结合文献对新能源材料与器件行业中的设计、加工工艺和性能优化等复杂工程问题进行分析，以获得有效结论。3目标4：学生能够运用超级电容器的储能原理，完成对超级电容器电极材料与器件的需求分析，并明确电极材料与器件设计、加工和优化过程中的约束条件。指标点3.1：能完成对新能源材料与器件的结构和性能需求分析，并明确材料与器件设计、加工和优化过程中的约束条件。毕业要求3：能够针对新能源材料与器件行业中的复杂工程问题制定解决方案，设计满足特定需求的材料与器件，开发有效的加工工艺流程，并能够在材料与器件设计环节中体现创新意识，同时考虑社会、健康、安全、法律、文化及环境因素。三、教学内容及进度安排序号教学内容学生学习预期成果课内学时教学方式支撑课程目标1第一章绪论1.1电容器发展的历史1.2本书的内容教学重点及难点：初步了解超级电容器的工作原理及其特点。学生了解超级电容器的发展历史，以及本书的章节内容。1讲授目标1课程思政融入设计：介绍超级电容器原理与实际应用，激发学生对新能源专业学习的热情。2第二章电化学电容器与电池2.1概述2.2法拉第和非法拉第过程2.3电容器类型和电池类型2.4电容器与电池电荷存储密度的差别2.5电容器和电池充电曲线的比较2.6循环伏安法评估的电化学电容器和电池充放电行为的比较2.7Li嵌入电极-过渡行为2.8非理想极化电容器电极的充电2.9电化学电容器与电池性能的总体比较教学重点及难点：法拉第和非法拉第过程的区别以及电容器与电池电荷存储密度的差别。使学生理解超级电容和电池各自储能的特点和区别。5讲授目标2课程思政融入设计：介绍我国超级电容器的发展历程，增强民族自信心和自豪感。3第三章双电层及碳材料的电化学行为3.1概述3.2双层模型、结构及双层的性质3.3双层电容和理想极化电极3.4非水电解质中双层的行为和非水电解质电容器3.5用于电化学电容器的碳材料3.6碳材料的表面性质和官能团3.7碳材料的双层电容3.8用于双层型电容器的碳材料的材料学问题教学重点及难点：双电层模型、结构及性质；双电层电容和理想极化电极。案例教学（课堂讨论）：以实验室/商业碳材料的电化学性能为例，学生进行课堂讨论，提出改进其电化学性能的方法，在此过程中加深学生对双电层电容的理解理解双层的模型和结构，掌握超级电容器双电层电容的储能机制以及碳材料的电容储能机理，能够分析和判断超级电容器的双电层行为，能够根据超级电容器的特定应用需求进行相关文献调研，并能够提交调研报告，提出相关的解决方案。6讲授/案例/课堂讨论目标3目标4课堂思政融入：讲授前沿科技进展，激发学生开拓创新、勇攀科学高峰的探究精神。创新创业教育设计：引导学生思考如何利用生物质材料合成电极材料、如何提高碳材料的比表面积等企业面临的问题，运用课堂所学知识了解其科学原理。4第四章准电容及氧化钌材料的电化学行为4.1准电容的起因及其理论处理4.2几种重要的准电容4.3用于电化学电容器的氧化钌（RuO2）材料4.4氧化钌的制备、充放电机理及电化学行为4.5氧化钌的其它性质及其它氧化物膜的准电容行为教学重点及难点：理解准电容的起因及其理论处理，掌握几种重要的准电容和氧化钌的制备、充放电机理及电化学行为。案例教学（课堂讨论）：以实验室/商业氧化钌材料的电化学性能为例，学生进行课堂讨论，提出改进其电化学性能的方法，在此过程中加深学生对赝电容的理解。掌握超级电容器准电容的储能机制以及氧化钌材料的电化学行为，能够分析和判断超级电容器的准电容行为，并能够根据超级电容器的特定应用需求进行相关文献调研，并提交调研报告，提出相关的解决方案。6讲授/案例/课堂讨论目标3目标4课程思政融入设计：通过文献解读，培养学生严谨的工作作风和科学素养。5第五章导电聚合物膜的电容行为5.1概述5.2聚合工艺化学5.3导电聚合物与准电容有关的行为及循环伏安曲线的形式5.4以导电聚合物为活性材料的电容器系统的分类5.5其它方法的研究情况5.6其他进展教学重点及难点：聚合工艺化学以及导电聚合物与准电容有关的行为及循环伏安曲线的形式掌握导电聚合物膜的电容行为，并能够根据超级电容器的特定应用需求进行相关文献调研，并能够提交调研报告，提出相关的解决方案。4讲授目标3目标46第六章影响电容器性能的电解质因素6.1概述6.2电解质溶液的电导率及决定因素6.3电化学电容器研究中受到重视的电解质-溶剂体系6.4非水溶剂及用于电化学电容器的非水电解质溶液的性质6.5电解质传导性与电化学可用的表面积关系及多孔电极电化学电容器的功率性能6.6充电时阴阳离子的分离和其对电解质局部电导率的影响6.7离子溶剂化因素及溶液性质教学重点及难点：电解质溶液的电导率及决定因素、电化学电容器研究中受到重视的电解质-溶剂体系、非水溶剂及用于电化学电容器的非水电解质溶液的性质以及电解质传导性与电化学可用的表面积关系及多孔电极电化学电容器的功率性能。了解影响电解质溶液电导率的决定因素，以及影响电容器性能的电解质因素，并能够根据超级电容器的特定应用需求进行相关文献调研，并提交调研报告，提出相关的解决方案。4讲授目标3目标47第七章制备技术及评价方法7.1用于测试材料性能的小型碳基电容器电极的制备7.2基于RuOx的电容器电极的制备7.3采用聚合物电解质膜的RuOx电容器的制备7.4电容器的装配7.5电化学电容器的实验性评价7.6其它方面的测试教学重点及难点：用于测试材料性能的小型碳基电容器电极的制备和电化学电容器的实验性评价了解超级电容器电极的制备方法和超级电容器的组装工艺，掌握评估超级电容器性能的方法。4讲授/讨论目标1目标28第八章技术发展8.1电化学电容器的开发和技术发展情况8.2对材料的要求8.3技术现状8.4影响电容器的其它可变因素8.5使用电化学电容器的安全性和对健康的损害8.6材料利用方面的近期进展8.7电化学电容器的商品化开发8.8电容器-电池混合体系在电动车上的应用8.9其它8.10结束语课程思政教学内容：结合目前全球面临的能源危机和环境污染问题，介绍超级电容器在储能领域和环保方面所发挥的积极作用，培养学生的节能环保意识。教学重点及难点：电化学电容器的开发和技术发展情况、对材料的要求以及使用电化学电容器的安全性和对健康的损害了解超级电容器的技术现状及应用。2讲授/讨论目标1目标2课程思政融入设计：结合目前全球面临的能源危机和环境污染问题，介绍超级电容器在储能领域和环保方面所发挥的积极作用，培养学生的节能环保意识。四、课程考核序号课程目标（支撑毕业要求指标点）考核内容评价依据及成绩比例(%)成绩比例(%)作业案例教学/课堂讨论课程论文考试1目标1、目标2（支撑毕业要求指标点1.3）超级电容器的相关基本概念、基本构成和工作原理以及其储能机制，学生具有运用这些知识识别和解决超级电容器在实际应用中遇到的复杂工程问题的能力，并具有把握该领域发展方向的能力。4010142目标3（支撑毕业要求指标点2.2）学生具有运用超级电容器相关知识，并通过文献调研对分解后的超级电容器体系中的材料科学与工程问题进行正确表达的能力。81520433目标4（支撑毕业要求指标点3.1）学生根据专业知识、借助相关调研，对超级电容器具体使用或者应用目标完成相关需求分析的能力。8152043合计203050100注：各类考核评价的具体评分标准见《附录：各类考核评分标准表》五、教材及参考资料教材：《超级电容器及其在储能系统中的应用》王凯，李立伟，黄一诺编著，-北京：机械工业出版社，2019年12（2022.1重印），ISBN：978-7-111-64394-4。参考书：[1]《电化学电容器》袁国辉主编，-北京：化学工业出版社，2006年，第一版，ISBN：9787502582173。[2]《电化学超级电容器-科学原理及技术应用》[加]B.E.康维（B.E.Conway）著，陈艾，吴孟强，张绪礼，高能武等译，-北京：化学工业出版社，2005年，第一版，ISBN：9787502573751。[3]《电化学方法-原理和应用》[美]巴德（BardA.J.），[美]福克纳（FaulknerL.R.）著，邵元华等译，-北京：化学工业出版社，2005年，第一版，ISBN：9787502567040。[4]《超级电容器关键材料制备及应用》魏颖主编，-北京：化学工业出版社，2018.1（2018.9重印），ISBN：978-7-122-31157-3。六、教学条件课程所需硬件条件：教室、多媒体教学设备、课堂演示设备软件条件：文献检索数据库（WebofScience、知网等）、课堂互动手机软件大纲执笔人：王付鑫审核人(专业负责人/系主任)：制定时间：2022年8月29日

附录：各类考核评分标准表平时作业评分标准教学目标要求评分标准权重（%）90-10080-8960-790-59目标1、目标2（支撑毕业要求指标点1.3）书写认真，基本概念和原理把握准确，问题分析准确、计算基本无误。书写较为认真，分析基本准确、计算存在少量错误。分析、计算存在较多错误。书写不认真，分析、计算存在大量错误。4目标3（支撑毕业要求指标点2.2）书写认真，能够运用超级电容器的相关知识，并通过文献调研对分解后的超级电容器体系中的材料科学与工程问题进行正确表达。书写较为认真，能够运用超级电容器的相关知识，并通过文献调研对分解后的超级电容器体系中的材料科学与工程问题进行较为正确的表达。书写较为认真，能够运用超级电容器的相关知识，并通过文献调研对分解后的超级电容器体系中的材料科学与工程问题进行表达，但存在一些非原则性错误。书写不够认真，不能对分解后的超级电容器体系中的材料科学与工程问题进行正确表达。8目标4（支撑毕业要求指标点3.1）书写认真，能够运用超级电容器的储能原理，对超级电容器体系中的复杂工程问题进行相关调研，并根据具体使用或者应用目标完成相关需求分析。书写较为认真，能够运用超级电容器的储能原理，对超级电容器体系中的复杂工程问题进行相关调研，并根据具体使用或者应用目标较为合理的完成相关需求分析。书写较为认真，能够运用超级电容器的储能原理，对超级电容器体系中的复杂工程问题进行相关调研，并根据具体使用或者应用目标完成相关需求分析，但存在一些非原则性错误。书写不够认真，不能运用超级电容器的储能原理和相关调研对具体使用或者应用目标完成相关需求分析。8

课堂讨论评分标准教学目标要求评分标准权重（%）90-10080-8960-790-59目标3（支撑毕业要求指标点2.2）能够结合文献及所学知识对所讨论的问题/案例进行正确的表述、分析、提供相关解决方案，允许有少量非原则性错误。讨论过程中表现力较强。（发现并解决其他组讨论过程中存在的问题将予以加分。）能够结合文献及所学知识对所讨论的问题/案例进行较为正确的表述、分析、提供相关解决方案，有少量错误。讨论过程参与程度较高。（发现并解决其他组讨论过程中存在的问题将予以加分。）能够结合文献及所学知识对所讨论的问题/案例进行表述、分析，但存在较多错误。讨论过程参与程度一般。（发现并解决其他组讨论过程中存在的问题将予以加分。）结合文献及所学知识对所讨论的问题/案例进行表述、分析，但存在大量错误。不积极参与讨论。（发现并解决其他组讨论过程中存在的问题将予以加分。）15目标4（支撑毕业要求指标点3.1）学生在讨论前针对超级电容器中的复杂工程问题查阅较多恰当文献，并在讨论过程中能够体现出来，能够根据具体使用或者应用目标合理的完成相关需求分析。学生在讨论前针对超级电容器中的复杂工程问题查阅一定量的恰当文献，并在讨论过程中能够有所体现，能够根据具体使用或者应用目标较为合理的完成相关需求分析。学生在讨论前针对超级电容器中的复杂工程问题查阅较少文献，并在讨论过程中能够有所体现，能够根据具体使用或者应用目标在一定程度上完成相关需求分析。学生在讨论前针对超级电容器中的复杂工程问题查阅很少文献，但在讨论过程中能够有所体现，根据具体使用或者应用目标几乎不能完成相关需求分析。15课程论文评分标准教学目标要求评分标准权重（%）90-10080-8960-790-59目标1、目标2（支撑毕业要求指标点1.3