聚合物电解质
聚合物电解质电池的原理与应用
聚合物电解质电池的原理与应用聚合物电解质电池是一种相较于传统电池技术新兴的电池技术，它采用聚合物电解质材料，具有高电化学稳定性，低漏电流，较高的电导率和较高的抗氧化性等优点。
它具有极高的安全性和耐久性，被广泛应用于电动汽车、储能系统、航空和太空，以及可穿戴设备等领域。
一、聚合物电解质电池的原理聚合物电解质电池的主要特征之一是使用聚合物电解质替代了传统的液态电解质或者是固态电解质。
聚合物电解质的本质是一种聚合物重复单元带有的离子基，可以将阳离子和阴离子移动，因此实现了电解质的作用。
相较于传统的电解质，聚合物电解质具有以下优点：1. 电化学稳定性高传统电池中的电解质在一定的条件下，可能会发生化学反应，进而导致电池自动放电甚至爆炸等问题。
而聚合物电解质由于材料稳定，电池的热稳定性和循环稳定性更高，同时也显著提高了电池的寿命。
2. 电导率高聚合物电解质具有独特的离子导电性，能够实现电子和离子的良好传递。
因此，与传统电解质相比，它使电池内部的电子流动更加顺畅，电池的输出功率也更大。
3. 漏电流低聚合物电解质不含游离离子，并不像液态电解质那样有溢出的风险，因而漏电流也要比传统电解质的漏电流低。
4. 抗氧化性高聚合物电解质耐受氧化、热平衡能力强，并能承受氧化破坏，能较有效地延长电池使用寿命。
二、聚合物电解质电池的应用1. 电动汽车目前，国内外的电动汽车发展快速，聚合物电解质电池在电动汽车上的应用是最为广泛的。
电动汽车中的电池系统需要满足高能量密度、高安全性、长循环寿命和高品质等要求，而聚合物电解质电池在这些方面几乎都有优化，因此得到了广泛的关注。
此外，电动汽车还采用了倒车充电功能，在电动汽车行驶时将汽车发动机切断电力来源，通过电机将车辆驱动。
2. 储能系统随着能源领域的不断发展，储能技术也日益成熟。
聚合物电解质电池的高能量密度和高功率密度，使其可以用于储能系统中。
与传统的蓄电池相比，聚合物电解质电池的高能效、高安全性、高可靠性使得其在储能领域的应用有着广泛的前景。
聚合物电解质
聚合物电解质旳性能
(3) 与电池电极和其他材料结合 时, 具有很好旳化学及电化学相 容性; (4) 具有很好旳热力学稳定性; (5) 具有一定旳机械强度; (6) 对环境无毒; (7) 聚合物材料易于合成且具有 良好旳加工性。
目前聚合物电解质大致可分为 4种：
1.全固态聚合物电解质 2.凝胶型聚合物电解质
复合型聚合物电解质
CSPE（氯横化聚乙烯）按照高分子材料增强理论, 在高 分子材料中加入某些无机填料,能增强高分子材料旳 机械性能.
研究者把纳米粉末应用于 SPE 旳研究中, 制备CSPE膜. 因为所添加旳惰性粉末为纳米材料, 使得SPE膜旳性 能更稳定.
何钟达、 陈艳玲等采用相转换法制备了以丙烯腈(AN) / 甲基丙烯酸甲酯(MMA)为基质, 添加纳米 Si O2旳复 合聚合物电解质膜,与空白隔膜相比, 复合隔膜具有较 致密旳构造,有利于提升聚合物旳电导率.
吴川、潘春花等采用了一种自制新型超支化聚醚 (PHEMO)与甲苯 2 , 4- 二异氰酸酯 (MDI)在电解液中 进行缩合反应, 制备了一种具有交联网状构造旳聚氨 酯(PEU)型凝胶态聚合物电解质. 在这种新型旳电解 质中,电解液小分子被聚合物大分子包裹在其中, 可有 效预防凝胶聚合物电解质旳漏液问题, 从而可提升锂 离子电池旳安全性.
聚合物电解质
聚合物
水溶液中或在熔融状态下就能够导电旳化合 物。
聚合物电解质
高聚物离子导体，其链节单元中具有可解离性离子基 团。
聚合物电解质不但具有很好旳导电性, 而且具有高分子材料所特有旳质量轻、 弹性好、 易成膜等特点, 在一定程度 上符合化学电源质轻、 安全、高效、 环境保护旳发展趋势,所以成为近几年 化学电源研究和开发旳热点。
聚合物电解质的缺点
聚合物电解质的缺点
聚合物电解质在电池和超级电容器等能源存储和转换设备中具有一些缺点。
以下是一些常见的缺点：
1. 低电导率：与传统液体电解质相比，聚合物电解质的电导率较低。
这可能导致电池或超级电容器的性能下降，限制其高功率输出和快速充放电能力。
2. 低机械强度：大多数聚合物电解质的机械强度相对较低。
在某些应用中，特别是在高温和高压力环境下，聚合物电解质可能会发生变形、破裂或失效。
3. 渗透性：某些小分子物质（如水分子、氧气等）可以通过聚合物电解质的孔隙结构渗透进入电池或超级电容器中，引起电化学反应的干扰或损害其他部件。
4. 热稳定性：部分聚合物电解质在高温环境下可能会分解或失去稳定性，从而影响设备的寿命和安全性能。
5. 湿度依赖性：聚合物电解质的性能可能会受到湿度的影响。
在低湿度环境下，聚合物电解质可能会变得脆硬或导电性下降，从而影响设备的可靠性。
6. 成本：与传统液体电解质相比，聚合物电解质的制备成本较高。
这主要是由于聚合物材料的制备和加工工艺相对复杂。
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聚合物作为电解质
聚合物作为电解质聚合物是一种由重复单元组成的巨大分子，它具有良好的导电性能。
近年来，聚合物作为电解质在电池、超级电容器、燃料电池等领域得到了广泛应用。
本文将重点介绍聚合物作为电解质的特点、应用以及未来发展方向。
聚合物作为电解质具有以下几个优点。
首先，聚合物电解质具有较高的离子导电性能。
聚合物中的离子可以通过聚合物链上的孔隙和溶剂中的电解质进行快速传递，从而实现电流的导电。
其次，聚合物电解质具有较高的机械强度和柔韧性，可以适应各种复杂的应力环境。
此外，聚合物电解质还具有较高的化学稳定性和热稳定性，能够在高温和高压等恶劣条件下工作。
最后，聚合物电解质具有较低的成本和易于加工的特点，能够满足大规模工业生产的需求。
在电池领域，聚合物作为电解质被广泛应用于锂离子电池和聚合物电池等。
锂离子电池是目前最常见的可充电电池，在手机、电动车、笔记本电脑等电子产品中得到广泛应用。
聚合物电解质可以提高锂离子电池的安全性和循环寿命，同时减少电解液的流动性，从而提高电池的能量密度和功率密度。
聚合物电解质还可以解决锂离子电池在高温下易熔化的问题，提高电池的工作温度范围。
在超级电容器领域，聚合物作为电解质可以提高超级电容器的能量密度和功率密度。
超级电容器具有高速充放电、长循环寿命和良好的耐高温性能等特点，被广泛应用于电动车、电子设备等领域。
聚合物电解质可以提高超级电容器的电化学性能和循环寿命，同时减少电解液的流动性，提高电容器的能量存储密度和输出功率。
在燃料电池领域，聚合物作为电解质可以提高燃料电池的导电性能和稳定性。
燃料电池是一种将氢气或可再生能源转化为电能的设备，具有高效率、低污染和可持续性的特点。
聚合物电解质可以提高燃料电池的工作温度范围，提高燃料电池的输出功率和稳定性。
未来，聚合物作为电解质的研究和应用仍然面临一些挑战。
首先，如何提高聚合物电解质的离子导电性能和机械强度是一个重要的问题。
目前，研究人员通过控制聚合物结构和添加导电剂等方法来解决这个问题。
聚合物电解质的最新研究进展
聚合物电解质的最新研究进展聚合物电解质是目前锂离子电池领域的热门研究方向之一。
与传统的无机电解质相比，聚合物电解质具有更高的离子导电性、更低的电导率与电化学稳定性，以及更好的安全性能等优点。
近年来，聚合物电解质的研究领域得到了极大的发展，其中的一些重要进展将在本文中进行介绍。
一、聚合物电解质的类型聚合物电解质主要分为两种类型：一种是聚合物单体基于共轭单元的电解质。
这种电解质通常由含有氧、氮、硫和磷等原子的共轭基元（如咔唑、噻吩、噻二唑、吡咯等）以及含有磺酸、磷酸、甲基磺酸等基团的低分子聚合体（如3-（丙烯氧基）丙基磺酸、对甲苯磺酸单酰亚胺等）组成。
另外一种是由聚合物和离子液体复合而成的电解质。
其中离子液体通常由有机或无机阳离子和含有磺酸、磷酸等功能基团的阴离子组成，而聚合物则可以是聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯等。
二、聚合物电解质的优势聚合物电解质相对于传统的无机电解质具有以下几个优势。
1.高离子导电性。
聚合物电解质中的离子不能通过直接离子传输的方式来完成电池中的化学反应，而需要通过间接传输的方式，即承载离子的聚合物分子传输离子。
由于聚合物分子的导电率通常比无机电解质高，因此聚合物电解质可以提供更高的离子传输速率。
2.可调电化学性质。
聚合物电解质的电特性（如电化学稳定性、聚合物分子的结构）可以通过化学结构的调整来进行优化，从而达到提升电池性能的目的。
3.良好的机械性能。
相对于无机电解质，聚合物电解质具有更好的柔性和高强度，这样可以提高电池的耐用性，从而为电池的实际应用提供了更多的可能性。
三、聚合物电解质的研究进展1.聚合物单体基于共轭单元的电解质。
首先是针对聚合物单体基于共轭单元的电解质的研究进展。
近年来，研究人员不断尝试改变共轭基元的结构，以增强其离子传输的能力。
例如，最近的研究表明，含硼镁键结构的聚合物可以提供更好的高温离子传输性能。
此外，与不含共轭单元的聚合物相比，这种聚合物还具有更好的电化学稳定性和更高的膨胀系数。
聚合物电解质
聚合物电解质
聚合物电解质，是高聚物离子导体，其链接单元中含有可解离性离子集团。
虽然几类性质不同但都含有聚合物的电解质材料。
早期的聚合物电解质是不含溶剂的，仅靠极性高分子网络中的离子导电的材料。
近年来出现的增塑化聚合物，实际上属于凝胶物质的一类。
它可在导电聚合物电解质中可加入少量的高介电常数溶剂增强导电性，这是与传统的聚合物电解质不同的地方。
离子导电橡胶和离子交换膜也统称为聚合物电解质。
不含增塑剂的聚合物电解质。
不含增塑剂的聚合物电解质可以看作是无机离子溶于聚合物这种特殊的溶剂中。
与一般的溶剂相比，聚合物这种溶剂是干态的，不具有流动性。
要使盐溶于聚合物中形成均匀溶液，聚合物链与盐之间必须存在相互作用。
聚氧乙烯是这类材料的最典型代表。
聚合物电解质不但具有较好的导电性，而且具有高分子材料所特有的质量轻，弹性好，易成膜等特点。
在一定程度上符合化学电源质轻，安全，高效，环保的发展趋势。
因此成为近几年化学电源研究和开发的热点。
凝胶电解质 聚合物电解质
凝胶电解质聚合物电解质凝胶电解质和聚合物电解质是电化学领域中两种常见的电解质材料，它们在电池、超级电容器等能源存储装置中发挥着重要的作用。
本文将分别介绍凝胶电解质和聚合物电解质的特点、应用以及发展前景。
凝胶电解质是一种由固态材料和电解液混合形成的胶体材料。
其主要特点是电解质以凝胶的形式存在，具有高离子传导性和良好的机械强度。
凝胶电解质可以分为有机凝胶电解质和无机凝胶电解质两类。
有机凝胶电解质是以有机聚合物为基础材料的凝胶电解质。
有机聚合物通常具有较高的机械强度和化学稳定性，可以通过调节聚合物的结构和组成来改变电解质的性能。
有机凝胶电解质的离子传导性能较好，可以达到10^-3 S/cm以上。
此外，有机凝胶电解质还具有较低的界面电阻和较好的耐高温性能，适用于高温环境下的能源存储装置。
无机凝胶电解质是以无机固体为基础材料的凝胶电解质。
无机凝胶电解质通常由氧化物、硅酸盐等无机材料制备而成。
这些无机材料具有较高的离子传导性能和化学稳定性，可以通过调节材料的组成和结构来改变电解质的性能。
无机凝胶电解质的离子传导性能可以达到10^-2 S/cm以上，同时具有较低的电阻和较好的抗电化学氧化性能。
聚合物电解质是一种由聚合物材料构成的电解质。
聚合物电解质具有良好的机械强度、柔韧性和化学稳定性，可以通过调节聚合物的结构和组成来改变电解质的性能。
聚合物电解质的离子传导性能较高，可以达到10^-4 S/cm以上。
此外，聚合物电解质还具有较低的界面电阻和较好的耐高温性能，适用于高温环境下的能源存储装置。
凝胶电解质和聚合物电解质在能源存储装置中有着广泛的应用。
它们可以作为锂离子电池、锂硫电池、锂空气电池等电池系统中的电解质材料。
凝胶电解质和聚合物电解质的高离子传导性能可以提高电池的功率密度和循环性能，同时减小电池的体积和重量。
此外，凝胶电解质和聚合物电解质还可以应用于超级电容器、光伏电池和电解水等能源转换和储存装置中，提高能量转换效率和储能密度。
电解质的主要部件及应用
电解质的主要部件及应用电解质是指在溶液中能够产生离子的物质。
它们主要由阳离子和阴离子组成，可以导电并影响溶液的电导性能。
电解质在很多领域都有重要的应用，下面将重点介绍电解质的主要部件及其应用。
1. 无机电解质：无机电解质主要由金属离子和非金属离子组成。
其中，金属离子具有正电荷，常见的有氢离子（H+）、钠离子（Na+）、钾离子（K+）、铵离子（NH4+）等；非金属离子有负电荷，常见的有氯离子（Cl-）、氢氧根离子（OH-）、硝酸根离子（NO3-）等。
无机电解质广泛应用于化工、冶金、电镀、电池等工业领域。
2. 有机电解质：有机电解质是指含有有机分子的电解质，常见的有机阴离子有甲酸根离子（HCOO-）、乙酸根离子（CH3COO-）；有机阳离子有胺阳离子（RNH3+）、铵盐阳离子（R4N+）等。
有机电解质被广泛应用于药物、染料、合成材料等领域。
3. 聚合物电解质：聚合物电解质是指由高分子化合物构成的电解质。
它们具有较高的电导率，广泛应用于锂离子电池、燃料电池、超级电容器等领域。
常见的聚合物电解质有聚合物酸（例如聚磺酸）和聚合物盐（例如聚合物电解质钠盐）等。
4. 生物电解质：生物电解质是指存在于生物体内的电解质。
它们在生物体内起着维持生命活动所必需的重要作用。
常见的生物电解质有钠离子（Na+）、钾离子（K+）、氯离子（Cl-）、钙离子（Ca2+）等。
生物电解质在医药领域具有重要应用价值，例如生理盐水被广泛用于补充体液、维持电解质平衡。
电解质在很多领域都有重要的应用。
例如，在化学工程中，电解质被广泛应用于电化学反应和离子交换等过程中。
在电镀工业中，电解质用于金属表面的镀覆和防腐处理。
在环境工程中，电解质被用于废水处理和电解沉积等过程。
此外，电解质还被应用于电池、燃料电池、超级电容器等储能设备中。
总之，电解质是具有离子性质的物质，主要由阳离子和阴离子组成。
根据组成成分的不同，电解质可以分为无机电解质、有机电解质、聚合物电解质和生物电解质等。
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课名：能源材料及技术工程基础题目：聚合物全固态锂离子电池研究现状与应用姓名：**学号： ********** 签名：摘要传统液态锂离子电池易泄露、易腐蚀、服役寿命短，具有安全隐患，逐渐不能满足大容量储能元件、电池薄膜化以及电动汽车的需求。
聚合物全固态锂离子电池有望解决安全性问题，越来越受到设计者们的青睐并将得到广泛应用。
本文对固态聚合物电解质的发展历程及研究现状进行了简要的概述，并阐述了聚合物全固态锂离子电池的应用及发展方向。
关键词：固态聚合物电解质；全固态锂电池一、引言能源和环境是人类进入21世纪必须面对的两个严峻问题，新能源和清洁可再生能源的不断开发是人类社会可持续发展的重要基础。
锂离子电池以其高能量密度、高工作电压、长循环寿命、可快速充放电和环境友好等诸多优点，在手机、笔记本电脑、电动工具、电动自行车等中小型电池领域应用广泛，已经成为21世纪能源经济中一个不可或缺的组成部分[1,2]。
但传统的液态锂二次电池中含有大量有机电解液，具有易挥发、易燃、易爆等缺点，会造成重大安全隐患。
与传统的液态电解质锂二次电池相比，基于聚合物电解质的全固态锂电池除了具有液态有机电解质锂离子电池的特点外，还在几何形状、容量、充放电、循环寿命和环保性能等方面更具优势[3]。
同时，不存在液态电解质电池所存在的漏液污染和燃烧爆炸，从根本上解决安全隐患。
本文就结合相关文献对全固态聚合物电解质进行简要介绍，并讨论了全固态锂离子电池的相关应用。
二、全固态聚合物电解质简介1、发展历程聚合物电解质的研究起源于1973年，当时Wright首次测量了聚氧乙烯(PEO)与碱金属盐(M x)络合的电导率，报道了聚氧化乙烯(PEO)-碱金属盐复合物具有较高的离子导电性[4]。
1983年，Berthier等利用核磁共振技术表明固态聚合物电解质中PEO低室温电导率的主要原因是由于其很高结晶度的缘故。
随后，Cheradame等利用交联与共聚的合成方法，获得了室温电导率达5×10-5S·cm-1的固态聚合物电解质，从此揭开了固体聚合物电解质研究的序幕。
20世纪90年代，Gozdz等利用P(VDF—HFP)共聚物制备了多孔型聚合物电解质最先实现了聚合物锂离子电池的产业化[5]。
经过20余年的开发与研究，目前已经出现了众多固态聚合物电解质体系。
2、全固态聚合物电解质的分类[6]根据基体的不同，可将全固态聚合物电解质（ASPEs）分为以下几类：1）PEO 基ASPEs 体系聚合物电解质基体的研究以聚环氧乙烷（PEO ）及其衍生物为主流。
图1为其结构单元及主要导锂机理示意图。
随着链段运动的进行, 锂离子与PEO 中的氧原子通过配位作用不断地进行络合与解离实现锂离子的迁移。
然而由于PEO 的高结晶度导致其导电率较差[7]。
目前对于PEO 基ASPEs 比较可行的改性方法有：将PEO 与其它聚合物进行共混、共聚或交联。
除此之外，赵旭东[8]还等总结了几种改善其性能的措施和方法，主要为：1）在PEO 基体中加入低分子溶剂作为增塑剂；2）添加离子液体；3）添加纳米粒子；4）共聚成嵌段共聚物。
通过大量的研究工作，全固态聚合物电解质室温电导率正逐步改善。
2）聚碳酸酯基体系PEO 存在介电常数低的弊端，不能使溶解在其中的离子完全分离，容易出现离子聚集影响Li +的迁移。
在聚合物分子结构中引入强极性的基团可以起到提高介电常数的作用，因此含有强极性碳酸酯基团[-O -(C=O)-O -]的聚合物引起研究人员的广泛关注，主要包括聚碳酸乙烯酯（PEC ）、聚三亚甲基碳酸酯（PTMC ）、聚碳酸丙烯酯（PPC ）等。
3）聚硅氧烷基体系除了传统碳链有机物可以作为ASPEs 基质，聚硅氧烷也是一种极具开发潜力的全固态聚合物电解质基质，它具有灵活多样的分子结构设计、易于合成、优异的电化学性能等特点。
聚硅氧烷的主链结构单元为Si -O 链节，各种有机基团可以作为侧链与硅原子相连。
4）聚合物锂单离子导体基体系聚合物锂单离子导体（SLIC ）基ASPEs 则是一类阴离子不发生迁移、t (Li +)接近1的电解质体系。
目前，被广泛研究的SLICs 大致有三类：一类是在有机骨架上接入有机阴离子；一类是在无机骨架（如Si -O -Si 链）上接入有机阴离子的有机-无机杂化体系；还有一类为最近有所报道的多孔性网状结构体系。
图1 PEO 的结构单元及其导电机理示意图图2 全固态锂电池的构造结构三、全固态锂离子电池简介1、全固态锂电池的原理全固态锂离子电池，即电池各单元，包括正负极、电解质全部采用固态材料的锂二次电池。
固态聚合物电解质除了传导锂离子，也充当了隔膜的角色，如图2 所示，全固态锂电池的工作原理与液态电解质锂离子电池的原理相通。
充电时正极中的锂离子从活性物质的晶格中脱嵌，通过固体电解质向负极迁移，电子通过外电路向负极迁移，两者在负极处复合锂原子、合金化或嵌入到负极材料中。
放电过程与充电过程恰好相反[9]。
2、全固态锂电池的应用全固态锂离子电池种类繁多且性质各异, 在高安全、长寿命的新能源汽车动力电池、高可靠性的智能电网储能电池、超微超薄电池、柔性电池等方面均有显著优势, 相比于传统液态电池更符合锂离子电池多元化、个性化的发展要求。
下面就其几种常见的应用进行介绍。
（1）大容量聚合物全固态锂电池[10]大规模储能系统已经成为未来智能电网的重要组成部分，随着我国新能源发电规模的快速扩大，电网与新能源发展的矛盾就越来越突出。
目前锂离子电池已经具备了长寿命、维护费用少、转换效率高等条件，但是现有的锂离子电池储能系统采用的液体电解质，存在着易泄露、易腐蚀、安全性差与可靠性低等问题，不能完全满足规模化工业储能在安全性方面的要求。
化学储能电池应用于局域储能与智能电网后，电池的安全性将显得越来越重要，尤其是容量放大到兆瓦级别。
以固态聚合物电解质取代传统有机电解液有望解决安全性问题。
因此，全固态锂离子电池可广泛应用于储能方面。
（2）薄膜型全固态锂电池[11]聚合物全固态锂离子电池可以被制成柔性材料，如图3所示。
该电池可以像纸一样任意被裁减，但和纸不同的是，在折弯、捶击、刺穿、700-1300℃的高温喷枪火烧下都不会图3 柔性材料起火或爆炸。
这种超薄电池共有3-5层组成，但厚度却只有1.5 mm，堪称可穿戴产品的理想元件(包括智能眼镜、头戴式显示装置、发光的衣服、发热元件、智能手表等)。
这种电池属于固态，这意味着它们不会像锂电池那样容易变性，同时，由于它们属于不易燃的材料，即便被撕成碎片，也不会起火或爆炸。
（3）在电动汽车方面的应用目前，电动汽车已成为未来交通工具的发展方向，动力电池的研发工作也如火如荼。
锂离子电池在电动汽车上的应用非常乐观，优越的综合性能使其成为电动汽车的首选高能动力电池之一。
由于安全性问题的存在，全固态锂离子电池也有望应用于电动汽车。
四、聚合物全固态锂离子电池的发展方向固态聚合物电解质与液态有机电解质锂离子电池相比，仍存在(1)高倍率充放电性能欠佳；(2)低温性能差；(3)生产线的改进相对滞后；(4)化成可能出现气胀问题，使包装工艺复杂等问题。
固态聚合物电解质电导率低是导致高倍率充放电性能及低温性能差的主要原因，因此提高聚合物锂离子电池性能是关键。
今后的努力将聚焦在：一方面继续寻找合适的锂盐(特别是大阴离子锂盐)；另一方面通过综合利用改善电导率的各种途径，如添加增塑剂或者室温离子液体时适当加入其他聚合物形成嵌段共聚物，纳米粒子也可以与室温离子液体同时使用，或者共同利用更多的改良方法等。
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吴老师非常博学，所讲述的内容几乎涵盖方方面面（崇拜~）。
不管是讲授理论知识，还是解剖特斯拉汽车都非常生动并且极富画面感；老师所采用的讲故事的形式亦是独有，很容易将内容串起来且极具逻辑性。
课程结束之余，学生就自己的实际情况向您提几点建议：1、课堂上可以适量增加互动哟（有时候不自觉走神~）；2、课后也可以给我们留给小小的思考题什么的啦；3、老师您的PPT已垂涎已久~（听课过后很容易就忘了）。