动力电池用硅碳电极材料制备、表征与性能虚拟仿真实验将依托虚拟仿真软件进行，软件将包含“高精密仪器认知与仿真操作”、“材料制备、表征及性能测试”、“自由设计微观结构及演变”、“实验报告”、“在线测试”五个主要内容。西北师范大学拥有自主知识产权，并获软件著作权（登记号：2022SR0872297）。

实验教学实施过程包括以下几个步骤：

① 课前布置预习任务

实验课前，布置预习任务，要求学生先认真阅读实验指导书、思政内容、模拟操作视频等实验相关资料和课外资料，了解实验背景，知晓国家碳达峰碳中和新发展理念、新能源汽车发展规划与技术路线、领域名人故事等；熟悉实验目的、实验内容、基本原理、实验方法、实验过程、注意事项以及虚拟仿真软件操作流程。学生在课前进行预习，根据实验目的和内容，设计实验方案，绘制出思维导图，提交预习报告和相关疑问或问题。

② 讲解与实验设计

实验课堂上，首先由教师讲解实验背景、原理和流程，融入思政教育内容；指导学生进入系统模块，讲解每个模块的功能和操作方法及注意事项；从锂离子动力电池性能需求出发，结合学生提交的课前预习报告和提出的相关问题，教师提出理论与技术问题，结合实验设计，引导学生进行交流讨论，形成共识或者确定产生的争议点，老师最终予以解答。给学生布置实验设计任务。

③ 指导学生进行自主实验

指导学生参考教学引导视频、虚拟仿真操作手册、模拟操作视频，登录系统、进入实验模块，按照流程和要求完成相应的学习及虚拟仿真实验操作；可指导教师通过QQ交流讨论群、学习通、软件平台等方式接受学生的在线咨询、交流与讨论；为了充分调动学生的积极性和主动性，阐明实验过程和实验结果数据均基于课程建设团队近年来科学研究成果而构建，让学生无约束地尝试自主实验虚拟仿真操作，并由系统给出测试结果与相应评价，均可获得符合规律的实验结果。

在实验操作过程中，指导学生以自上而下、自下而上、依照提示等多种形式自主认知高精密仪器构件、工作原理，并仿真操作样品准备、进样和表征，自由设计材料制备工艺流程和参数，提醒自主组装扣式电池及性能测试程序，要求连续设置材料形态、尺寸和复合结构并仿真工作状态下微观结构演变操作，并由系统评价操作的正确性和规范性；如操作不正确或不规范，系统要求重新操作，直至操作正确且规范时，才能进入下一步实验。

④ 指导学生进行自主实验探究与优化

针对前面自主实验引发的问题，结合实验目的及实验内容，指导学生开展虚拟操作仿真实验探究与优化，并提醒遇到困难或疑问时，可以打开解析参考；实验操作可反复进行相关参数优化，提醒可跳过已经学会或重复步骤自主选择步骤操作，直至获得预定性能，完成整个实验。

比如，结合理论学习结果，举例说明设计不同微观结构与形态来考察电极材料工作状态下的结构演变规律，设计不同的材料制备工艺及参数来观察所需的材料组成与结构的变化规律，通过不同的测试条件来考察材料的性能等等。

此外，虚拟仿真实验可采用开放型的教学模式。如果课上时间不足，或有任何问题，依靠网络平台的便利性，教学团队保证工作日期间为学生提供每天八小时在线服务，指导学生随时进行线上虚拟仿真实验操作，与学生就实验问题进行随时交流讨论。同时，告知学生可自主选择时间、地点登陆虚拟仿真实验平台，进行虚拟实验操作。提醒学生实验操作的任何中间结果可以暂存，此时不会产生实验操作成绩，学生可在不同的时段多次重复实验操作，直至完全掌握相关知识，提交正式的实验报告。给予学生充分的学习自由，有利于个性的发挥。

⑤ 实验报告及在线测试

布置实验报告撰写与提交、完成在线测试任务。当学生认为已经完全理解掌握了相关知识，并完成了实验操作、数据分析和讨论后，指导并要求学生在线填写实验报告及在线测试模块。

撰写实验报告时，系统提供word版实验报告模板，供学生在线填写，要求学生需将实验数据、实验结论和讨论等内容填入实验报告，再将填好的实验报告在线提交。考核测试试题由系统自动给出，学生完成实验考核测试后系统自动给出得分。此部分软件操作只能进行一次，也就是只能提交一次实验报告和考试测试一次。

图2 实验教学过程流程图

（2）实验方法

本虚拟仿真实验课程综合了微观结构演变模拟法、高温碳化法、镁热还原法、XRD/SEM/TEM表征方法、循环伏安法、恒电流充放电方法、归纳与工艺优化等材料制备、表征与性能测试有关的多种实验方法。具体的实验方法、实验目的与教学思路对应关系如图3所示。

图3 本实验课程采用的实验方法、目的和教学思路对应关系图

① 自由设计并自主调控材料组分、形态、尺寸和复合结构，形成相应微观结构，并模拟操作其在嵌锂、脱锂过程中微观结构演变过程，观察并记录实验结果，分析材料组成-结构-性能关系及影响机制，并获得如下认识和结论：随着硅材料颗粒尺寸的降低、形状维度的改变，硅碳电极材料的结构稳定性逐渐提高，未包覆的纯相结构、核桃结构、蛋黄蛋壳结构在演变过程中完整性依次增强；当硅为零维颗粒或一维线状、尺寸降低到150 nm以下、包覆碳形成蛋黄结构时，硅碳电极材料在工作状态下不会产生裂纹和粉碎现象，具有最优的结构稳定性。

② 完成原料准备和材料制备工艺流程选取，采用镁热还原法，自主调控镁热还原工艺参数，制备硅材料；当选取合适的材料制备工艺和镁热还原处理参数时，可以获得较高纯度和合适尺寸及复合结构的硅碳电极材料。如：当选取先碳化后还原工艺时，对于预处理后的坡缕石原料，当镁硅比为1:1、在750℃保温4h时，可以获得纯度比较高的蛋黄蛋壳结构硅碳纳米复合材料。

③ 采用高温碳化法，通过自主调控碳化工艺参数，制备得到硅碳复合材料；随着温度的提高，碳化程度增加；当选取先碳化后还原工艺时，经800℃碳化处理4h、750℃镁热还原4h处理后，可以获得具有内空隙的蛋黄蛋壳结构硅碳纳米复合材料。

④ 完成高精密仪器认知与仿真操作表征材料组成与结构。采用逐步拆解方式，对X射线衍射仪、扫描/透射电子显微镜等这些实际价值成百上千万的高精尖设备进行内部组成、工作原理进行观察和认知，并虚拟仿真操作仪器进行材料表征；采用XRD方法检测获得所制备材料的组成成分，如单质Si、未还原的SiO₂和杂质SiC等，并可以观察到相应组分的晶体结构和相关性质；采用SEM方法观察材料的外观形态和尺寸；采用TEM观察到材料的内部组织结构和硅、碳的分布状态，测量硅的颗粒尺寸等。

⑤将制备得到的材料制成电极片，并进行扣式电池器件模拟组装操作，采用循环伏安法和恒电流充放电等电化学性能测试方法，可以获得所得材料的工作机理、质量比容量和循环稳定性等电化学性能指标，评估材料的电化学性能。

⑥对材料组成、微观结构和性能测试数据进行归纳、分析和总结，依据性能指标，评估并优化材料制备相关工艺参数，并获得最佳性能硅碳电极材料。