破解能源危機(jī)與環(huán)境問題的金鑰匙：新能源材料與器件

　　一、專業(yè)解析

　　新能源材料與器件是什么？

　　大家最近可能都被董明珠投資某新能源公司的消息“刷屏”了。該公司的核心技術(shù)是“鈦酸鋰負(fù)極電池”，而電池技術(shù)是決定電動(dòng)車成敗的重要因素。這是新能源材料與器件的一個(gè)好例子。

　　所謂新能源，是指區(qū)別于煤、石油、天然氣以及大中型水電等常規(guī)能源，尚未大規(guī)模利用、正在積極研究開發(fā)的能源。比如，太陽能、風(fēng)能、現(xiàn)代生物質(zhì)能、地?zé)崮�、海洋能以及氫能等都屬于新能源。而新能源材料就是�?shí)現(xiàn)這些新能源轉(zhuǎn)化和利用以及發(fā)展新能源技術(shù)過程中所使用的關(guān)鍵材料。

　　目前，研究得較多的、相對(duì)成熟的新能源材料主要是太陽能電池材料、動(dòng)力電池材料、燃料電池材料、生物質(zhì)能材料、風(fēng)能材料、超級(jí)電容器、核能材料等。

　　新能源材料與器件專業(yè)就是研究開發(fā)新能源轉(zhuǎn)化、利用的關(guān)鍵材料及其器件設(shè)計(jì)、制造的專業(yè)。這個(gè)專業(yè)是教育部2010年首批增設(shè)的國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)相關(guān)專業(yè)，是工學(xué)門類材料類中最年輕的專業(yè)之一。

　　李美成教授說，新能源材料與器件專業(yè)的內(nèi)涵就在于新能源材料與器件的一體化。與傳統(tǒng)的材料（如合金材料）不同，新能源材料不是簡單的材料，而是有結(jié)構(gòu)和功能特性的。像太陽能電池板的核心材料，不是單純的硅，而是要形成一定的結(jié)構(gòu)（如PN結(jié)等），并能實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)化功能。因此，新能源材料與器件研究的不僅是材料或元器件，而是要把兩者結(jié)合起來。也就是說，該專業(yè)研究的重點(diǎn)是如何打通新能源材料和器件之間的斷層。

　　還拿電動(dòng)汽車做例子，動(dòng)力電池技術(shù)的發(fā)展可謂日新月異。比如，鈦酸鋰負(fù)極電池具有快充性能、長壽命、高安全性等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是能量密度低、價(jià)格高，適用于公交車使用。但是，近來碳負(fù)極的快充電池進(jìn)步很快，其能量密度高、成本低，有望替代鈦酸鋰負(fù)極電池。無論是哪種電池，其材料和器件都是密不可分的，最終都要把材料做成電池。當(dāng)然，這只是新能源材料與器件研究領(lǐng)域中的一小塊內(nèi)容。

　　新能源材料與器件研究的領(lǐng)域有哪些？

　　李美成教授說，新能源材料與器件專業(yè)目前比較活躍的研究領(lǐng)域有：

　　一、能量的轉(zhuǎn)換過程。比如，光能轉(zhuǎn)化為電能，光能轉(zhuǎn)化為熱能，光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為電能，等等。比如，太陽能電池就是把光能轉(zhuǎn)化為電能，人工光合作用是把光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。

　　二、能量的捕獲與存儲(chǔ)。2016年11月，李克強(qiáng)總理主持召開國家能源委員會(huì)會(huì)議，審議通過了《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》。李克強(qiáng)提出，要集中力量在可再生能源開發(fā)利用，特別是新能源并網(wǎng)技術(shù)和儲(chǔ)能、微網(wǎng)技術(shù)上取得突破，全面建設(shè)“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源，提升電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力，增加新能源消納能力，發(fā)展先進(jìn)高效節(jié)能技術(shù)，搶占能源科技競爭制高點(diǎn)。2016年，國家能源局在全國范圍內(nèi)首次批準(zhǔn)建設(shè)國家級(jí)大型化學(xué)儲(chǔ)能示范項(xiàng)目，還針對(duì)大容量超級(jí)電容儲(chǔ)能技術(shù)等提出了具體的創(chuàng)新目標(biāo)。儲(chǔ)能技術(shù)將是未來五年研究的重點(diǎn)之一。另外，風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉輪的表面涂層（具有防腐等性能）、燃料電池等，都是新能源材料與器件研究的領(lǐng)域。

　　三、綜合能源系統(tǒng)中的傳感器。這是李美成教授最近認(rèn)識(shí)到新能源材料與器件能夠廣泛應(yīng)用的另一個(gè)領(lǐng)域。在電力體制改革持續(xù)深化的背景下，傳統(tǒng)電網(wǎng)的改造、綜合能源系統(tǒng)的建設(shè)已是大勢所趨，但其中還缺少關(guān)鍵的節(jié)點(diǎn)，或者說互通的開關(guān)。接入能源系統(tǒng)的能源越來越復(fù)雜，這就需要進(jìn)行智能調(diào)配。而目前的電網(wǎng)，還缺少“眼睛”和“耳朵”，無法迅速、準(zhǔn)確地調(diào)配能量。這些“眼睛”和“耳朵”，即傳感器，恰恰是新能源材料與器件專業(yè)的用武之地。很可能某一種新能源材料的運(yùn)用，就會(huì)引發(fā)一場巨大的革新。

　　新能源材料與器件學(xué)什么？

　　2012年7月，華北電力大學(xué)主辦了全國新能源材料與器件專業(yè)建設(shè)第三次研討會(huì)。全國三十多所高校新能源材料與器件專業(yè)的負(fù)責(zé)人、新能源企業(yè)和行業(yè)協(xié)會(huì)代表、新能源出版單位等，共70余人參加。清華大學(xué)倪維斗院士對(duì)新能源領(lǐng)域的發(fā)展和人才需求發(fā)表講話。他指出，新能源行業(yè)發(fā)展要走踏實(shí)之路，新能源專業(yè)的院校要立足自身特色，克服發(fā)展瓶頸，為新能源建設(shè)出力。中國可再生能源學(xué)會(huì)光伏專委會(huì)副主任、秘書長吳達(dá)成在會(huì)中指出，新能源人才培養(yǎng)應(yīng)加強(qiáng)普遍人才的基礎(chǔ)教育、師資的合理引進(jìn)、加強(qiáng)交流和聯(lián)合辦學(xué)。

　　各高校新能源材料與器件專業(yè)的背景有很大不同，所以課程也各具特色。以華北電力大學(xué)為例，其課程特色是復(fù)合型、專業(yè)交叉性強(qiáng)。李美成教授說，新能源材料與器件專業(yè)涉及以下三個(gè)方面的內(nèi)容：物理、化學(xué)機(jī)理是基礎(chǔ)，材料是主體，器件是材料的性能體現(xiàn)。各高校應(yīng)結(jié)合學(xué)校自身專業(yè)特色，通過合理的課程設(shè)置使三者有機(jī)結(jié)合。

　　主要課程設(shè)置：（綜合各校情況）

　　固體物理、物理化學(xué)、材料化學(xué)與物理、能源電化學(xué)、電源工藝學(xué)、半導(dǎo)體物理與器件、儲(chǔ)能材料與制備技術(shù)、材料分析與測試方法、能量轉(zhuǎn)換與應(yīng)用、先進(jìn)節(jié)能技術(shù)、太陽能電池原理與工藝、鋰離子電池原理與工藝、能源系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)、世界新能源發(fā)展態(tài)勢系列講座等。

　　與新能源科學(xué)與工程專業(yè)的區(qū)別

　　這兩個(gè)專業(yè)都屬于工學(xué)門類，但新能源材料與器件專業(yè)屬于材料類，新能源科學(xué)與工程屬于能源動(dòng)力類。新能源科學(xué)與工程面向新能源產(chǎn)業(yè)，其學(xué)科交叉性強(qiáng)、專業(yè)跨度大，學(xué)科基礎(chǔ)來自于多個(gè)理科和工科，與物理、化學(xué)、材料、機(jī)械、電子、信息、軟件、經(jīng)濟(jì)等諸多專業(yè)密切相關(guān)。各高校根據(jù)社會(huì)需求和自身已有專業(yè)積累，設(shè)立了各具特色的新能源科學(xué)與工程專業(yè)，培養(yǎng)目標(biāo)、課程設(shè)置、專業(yè)方向等都有較大差別。詳見《新能源新動(dòng)力》。