破解能源危機與環(huán)境問(wèn)題的金鑰匙：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》。