專(zhuān)業(yè)解讀——新能源材料與器件

　　一、專(zhuān)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“鈦酸鋰負極電池”，而電池技術(shù)是決定電動(dòng)車(chē)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，是指區別于煤、石油、天然氣以及大中型水電等常規能源，尚未大規模利用、正在積極研究開(kāi)發(fā)的能源。比如，太陽(yáng)能、風(fēng)能、現代生物質(zhì)能、地熱能、海洋能以及氫能等都屬于新能源。而新能源材料就是實(shí)現這些新能源轉化和利用以及發(fā)展新能源技術(shù)過(guò)程中所使用的關(guān)鍵材料。

　　目前，研究得較多的、相對成熟的新能源材料主要是太陽(yáng)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、超級電容器、核能材料等。

　　新能源材料與器件專(zhuān)業(yè)就是研究開(kāi)發(fā)新能源轉化、利用的關(guān)鍵材料及其器件設計、制造的專(zhuān)業(yè)。這個(gè)專(zhuān)業(yè)是教育部2010年首批增設的國家戰略性新興產(chǎn)業(yè)相關(guān)專(zhuān)業(yè)，是工學(xué)門(mén)類(lèi)材料類(lèi)中最年輕的專(zhuān)業(yè)之一。

　　李美成教授說(shuō)，新能源材料與器件專(zhuān)業(yè)的內涵就在于新能源材料與器件的一體化。與傳統的材料（如合金材料）不同，新能源材料不是簡(jiǎn)單的材料，而是有結構和功能特性的。像太陽(yáng)能電池板的核心材料，不是單純的硅，而是要形成一定的結構（如PN結等），并能實(shí)現光電轉化功能。因此，新能源材料與器件研究的不僅是材料或元器件，而是要把兩者結合起來(lái)。也就是說(shuō)，該專(zhuān)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(chē)做例子，動(dòng)力電池技術(shù)的發(fā)展可謂日新月異。比如，鈦酸鋰負極電池具有快充性能、長(cháng)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(chē)使用。但是，近來(lái)碳負極的快充電池進(jìn)步很快，其能量密度高、成本低，有望替代鈦酸鋰負極電池。無(wú)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。當然，這只是新能源材料與器件研究領(lǐng)域中的一小塊內容。

　　新能源材料與器件研究的領(lǐng)域有哪些？

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

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

　　二、能量的捕獲與存儲。2016年11月，李克強總理主持召開(kāi)國家能源委員會(huì )會(huì )議，審議通過(guò)了《能源發(fā)展“十三五”規劃》。李克強提出，要集中力量在可再生能源開(kāi)發(fā)利用，特別是新能源并網(wǎng)技術(shù)和儲能、微網(wǎng)技術(shù)上取得突破，全面建設“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源，提升電網(wǎng)系統調節能力，增加新能源消納能力，發(fā)展先進(jìn)高效節能技術(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首次批準建設國家級大型化學(xué)儲能示范項目，還針對大容量超級電容儲能技術(shù)等提出了具體的創(chuàng )新目標。儲能技術(shù)將是未來(lái)五年研究的重點(diǎn)之一。另外，風(fēng)力發(fā)電機葉輪的表面涂層（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、綜合能源系統中的傳感器。這是李美成教授最近認識到新能源材料與器件能夠廣泛應用的另一個(gè)領(lǐng)域。在電力體制改革持續深化的背景下，傳統電網(wǎng)的改造、綜合能源系統的建設已是大勢所趨，但其中還缺少關(guān)鍵的節點(diǎn)，或者說(shuō)互通的開(kāi)關(guān)。接入能源系統的能源越來(lái)越復雜，這就需要進(jìn)行智能調配。而目前的電網(wǎng)，還缺少“眼睛”和“耳朵”，無(wú)法迅速、準確地調配能量。這些“眼睛”和“耳朵”，即傳感器，恰恰是新能源材料與器件專(zhuān)業(yè)的用武之地。很可能某一種新能源材料的運用，就會(huì )引發(fā)一場(chǎng)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(zhuān)業(yè)建設第三次研討會(huì )。全國三十多所高校新能源材料與器件專(zhuān)業(yè)的負責人、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)倪維斗院士對新能源領(lǐng)域的發(fā)展和人才需求發(fā)表講話(huà)。他指出，新能源行業(yè)發(fā)展要走踏實(shí)之路，新能源專(zhuān)業(yè)的院校要立足自身特色，克服發(fā)展瓶頸，為新能源建設出力。中國可再生能源學(xué)會(huì )光伏專(zhuān)委會(huì )副主任、秘書(shū)長(cháng)吳達成在會(huì )中指出，新能源人才培養應加強普遍人才的基礎教育、師資的合理引進(jìn)、加強交流和聯(lián)合辦學(xué)。

　　各高校新能源材料與器件專(zhuān)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，其課程特色是復合型、專(zhuān)業(yè)交叉性強。李美成教授說(shuō)，新能源材料與器件專(zhuān)業(yè)涉及以下三個(gè)方面的內容：物理、化學(xué)機理是基礎，材料是主體，器件是材料的性能體現。各高校應結合學(xué)校自身專(zhuān)業(yè)特色，通過(guò)合理的課程設置使三者有機結合。

　　主要課程設置：（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)、半導體物理與器件、儲能材料與制備技術(shù)、材料分析與測試方法、能量轉換與應用、先進(jìn)節能技術(shù)、太陽(yáng)能電池原理與工藝、鋰離子電池原理與工藝、能源系統的集成設計、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(zhuān)業(yè)的區別

　　這兩個(gè)專(zhuān)業(yè)都屬于工學(xué)門(mén)類(lèi)，但新能源材料與器件專(zhuān)業(yè)屬于材料類(lèi)，新能源科學(xué)與工程屬于能源動(dòng)力類(lèi)。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、專(zhuān)業(yè)跨度大，學(xué)科基礎來(lái)自于多個(gè)理科和工科，與物理、化學(xué)、材料、機械、電子、信息、軟件、經(jīng)濟等諸多專(zhuān)業(yè)密切相關(guān)。各高校根據社會(huì )需求和自身已有專(zhuān)業(yè)積累，設立了各具特色的新能源科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)，培養目標、課程設置、專(zhuān)業(yè)方向等都有較大差別。詳見(jiàn)《新能源 新動(dòng)力》。


　　二、專(zhuān)業(yè)與就業(yè)

　　涉及領(lǐng)域廣、新增就業(yè)崗位多

　　陽(yáng)光高考平臺統計數據顯示，截至2015年12月30日，新能源材料與器件專(zhuān)業(yè)全國普通高校畢業(yè)生規模為600-700人，連續兩年就業(yè)率在85%-90%�？傮w來(lái)看，該專(zhuān)業(yè)規模較小，就業(yè)率較高。

　　合肥工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院項宏發(fā)老師說(shuō)，我國新能源材料與器件行業(yè)目前的發(fā)展勢頭良好，處于快速發(fā)展期。我國鋰電池產(chǎn)業(yè)近年來(lái)發(fā)展快速，特別是動(dòng)力鋰電池的發(fā)展充分結合國家戰略需求，打破了日本一統天下的局面，成為世界第二生產(chǎn)大國。我國自主開(kāi)發(fā)的鈷鎳錳酸鋰成本僅為鈷酸鋰的一半，高溫穩定性也大幅度改善，改性天然石墨球負極材料已研制開(kāi)發(fā)并投入批量生產(chǎn)。近年來(lái)，我國太陽(yáng)能電池發(fā)展很快，納晶太陽(yáng)能電池材料研究取得了重要進(jìn)展，其成本估算0.5-1$/pW。如果效率達到5%，性能價(jià)格比將超過(guò)非晶硅，有很強的市場(chǎng)競爭能力，成為值得關(guān)注的新型太陽(yáng)能電池。

　　2017年1月5日，國家能源局發(fā)布《能源發(fā)展“十三五”規劃》和《可再生能源發(fā)展“十三五”規劃》，要求“十三五”期間非化石能源消費比重提高到15%以上。到2020年，水電裝機達3.8億千瓦（含抽水蓄能電站0.4億千瓦）、風(fēng)電裝機2.1億千瓦以上、太陽(yáng)能發(fā)電裝機1.1億千瓦以上、生物質(zhì)能發(fā)電裝機1500萬(wàn)千瓦、地熱供暖利用總量達4200萬(wàn)噸標準煤。

　　可再生能源中就包括風(fēng)能、太陽(yáng)能和生物質(zhì)能等新能源。該產(chǎn)業(yè)涉及領(lǐng)域廣，可有力帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，可大幅增加新增就業(yè)崗位，也是實(shí)現脫貧攻堅的重要措施，對宏觀(guān)經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生積極影響，更是實(shí)現經(jīng)濟發(fā)展方式轉變的重要推動(dòng)力。2020 年，全國可再生能源部門(mén)就業(yè)人數超過(guò) 1300 萬(wàn)，其中“十三五”時(shí)期新增就業(yè)人數超過(guò)300萬(wàn)。

　　在國家戰略大力支持的背景下，新能源材料與器件專(zhuān)業(yè)畢業(yè)生的發(fā)展前景十分廣闊。本專(zhuān)業(yè)學(xué)生畢業(yè)后能勝任新能源材料設計與制備、能源器件設計與制造以及新能源技術(shù)開(kāi)發(fā)等方面的技術(shù)與管理工作，并能從事相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)開(kāi)發(fā)和管理等專(zhuān)業(yè)技術(shù)工作，成為富有創(chuàng )新精神的高素質(zhì)復合型人才。畢業(yè)生適宜在新能源、新材料、新能源汽車(chē)、節能環(huán)保、高端裝備制造等國家戰略性新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域以及電力、航天航空、信息、交通等領(lǐng)域的研究機構、企事業(yè)單位從事研究、技術(shù)開(kāi)發(fā)、工藝和器件設計及相關(guān)管理工作。

　　新能源材料與器件專(zhuān)業(yè)畢業(yè)生可謂是趕上了潮流，大有可為。

　　建議畢業(yè)生繼續深造

　　以華北電力大學(xué)為例，該校新能源材料與器件專(zhuān)業(yè)每年只招收一個(gè)班。2015屆畢業(yè)生26人，其中出國3人，讀研8人，就業(yè)15人，就業(yè)率96.15%，深造率42.31%。2016屆畢業(yè)生27人，其中讀研10人，就業(yè)17人，就業(yè)率96.3%，深造率37%。2017屆畢業(yè)生就業(yè)工作還在進(jìn)行中，目前除了出國和考研的同學(xué)之外均已簽約，就業(yè)形勢持續向好。具體的去向有電力系統、中電投、中能源、北京新能源公司等大型國企，還有民營(yíng)的新能源公司等。

　　李美成教授建議畢業(yè)生能夠繼續深造，將來(lái)進(jìn)入新能源的高端領(lǐng)域。這是個(gè)源頭創(chuàng )新的行業(yè)，中國必將產(chǎn)生全球領(lǐng)先的企業(yè)，對高端人才的需求會(huì )十分旺盛。當然，該專(zhuān)業(yè)畢業(yè)生也可以去新能源研究院等從事研究，或者選擇出國。

　　該專(zhuān)業(yè)學(xué)生考研時(shí)，可以考慮華北電力大學(xué)“可再生能源與清潔能源”博士學(xué)位授權點(diǎn)和碩士學(xué)位授權點(diǎn)，十分對口。另外，該專(zhuān)業(yè)學(xué)生考研時(shí)選擇較多的專(zhuān)業(yè)還有動(dòng)力工程、電氣工程、電子科學(xué)與技術(shù)等。


　　三、報考指南

　　2010年，教育部首批公布同意設置該“國家戰略性新興產(chǎn)業(yè)”相關(guān)專(zhuān)業(yè)的高校有15所，其中包括華北電力大學(xué)、華東理工大學(xué)、東南大學(xué)、中南大學(xué)、電子科技大學(xué)、四川大學(xué)等。后續逐漸增加，目前全國開(kāi)設該專(zhuān)業(yè)的高校共38所（據陽(yáng)光高考平臺數據）。各校的專(zhuān)業(yè)特色十分明顯。

　　例如，華北電力大學(xué)新能源材料與器件專(zhuān)業(yè)的特色是，不受傳統背景影響，具有純粹的新能源血統。該專(zhuān)業(yè)的師資團隊也是一個(gè)亮點(diǎn)，老師們分別來(lái)自能源動(dòng)力工程、電氣工程、化學(xué)、物理、材料等不同學(xué)科，組成了復合式團隊。該專(zhuān)業(yè)實(shí)行導師制，優(yōu)秀的學(xué)生在本科階段就能得到教授的親自指導。這個(gè)專(zhuān)業(yè)包括太陽(yáng)能電池材料與器件、鋰離子電池材料與器件和燃料電池材料與器件專(zhuān)業(yè)方向。2017年計劃與新能源科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)放在一起，按大類(lèi)招生。

　　再如，合肥工業(yè)大學(xué)是第一批開(kāi)設新能源材料與器件專(zhuān)業(yè)的11所高校之一。項宏發(fā)老師介紹，該專(zhuān)業(yè)重點(diǎn)是研究與開(kāi)發(fā)高性能新能源材料、技術(shù)和器件（如手機和筆記本中使用的鋰電池、電動(dòng)汽車(chē)用動(dòng)力電池、太陽(yáng)能電池等），發(fā)展“新能源材料”（鋰電池材料、燃料電池材料、太陽(yáng)能電池材料和儲能材料等），主要做的事情是上述新材料的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)，以鋰電池和太陽(yáng)能電池為代表的相關(guān)器件的設計、制造與生產(chǎn)，面向通訊電子產(chǎn)品、電動(dòng)汽車(chē)和電網(wǎng)儲能等領(lǐng)域的設計與應用。該校具有很強的工科背景，重視應用開(kāi)發(fā)，與大中型企業(yè)都有良好的合作平臺，這利于培養學(xué)生的應用能力。

　　李美成教授建議，有志于學(xué)習新能源材料與器件專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，可以從以下幾個(gè)方面來(lái)選擇大學(xué)。第一，大學(xué)的傳統優(yōu)勢領(lǐng)域和行業(yè)背景。同樣開(kāi)設該專(zhuān)業(yè)，不同大學(xué)依托的學(xué)科背景是不一樣的。比如，中南大學(xué)該專(zhuān)業(yè)設在冶金科學(xué)與工程學(xué)院，有冶金背景；等等。第二，大學(xué)所在的地域�？紤]到離家遠近、生活習慣、就業(yè)需求等因素，地域也是很多學(xué)生關(guān)心的問(wèn)題。比如，北方的學(xué)生可以考慮北京等地的大學(xué)，南方的學(xué)生可以考慮上海等地的大學(xué)。

　　考生還要注意的是，該專(zhuān)業(yè)是一個(gè)工科專(zhuān)業(yè)，考生要對能源、電子、物理、化學(xué)等學(xué)科感興趣。另外，該專(zhuān)業(yè)偏實(shí)驗科學(xué)，對動(dòng)手能力要求較高。例如，某高校的實(shí)踐環(huán)節包括太陽(yáng)電池的制備與測試實(shí)訓、LED制備實(shí)訓、電工電子實(shí)訓、儲能材料制備實(shí)訓等。

　　除了開(kāi)設新能源材料與器件專(zhuān)業(yè)的大學(xué)外，某些其他大學(xué)也進(jìn)行相關(guān)領(lǐng)域的研究。如清華大學(xué)電力、材料、化學(xué)等院系，北京大學(xué)工學(xué)院，北京航空航天大學(xué)的化工與環(huán)境學(xué)院，等等�？忌�可以向有關(guān)院校進(jìn)行咨詢(xún)。