破解能源危機與環境問題的金鑰匙：新能源材料與器件

　　一、專業解析

　　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。該公司的核心技術是“鈦酸鋰負極電池”，而電池技術是決定電動車成敗的重要因素。這是新能源材料與器件的一個好例子。

　　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、正在積極研究開發的能源。比如，太陽能、風能、現代生物質能、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現這些新能源轉化和利用以及發展新能源技術過程中所使用的關鍵材料。

　　目前，研究得較多的、相對成熟的新能源材料主要是太陽能電池材料、動力電池材料、燃料電池材料、生物質能材料、風能材料、超級電容器、核能材料等。

　　新能源材料與器件專業就是研究開發新能源轉化、利用的關鍵材料及其器件設計、制造的專業。這個專業是教育部2010年首批增設的國家戰略性新興產業相關專業，是工學門類材料類中最年輕的專業之一。

　　李美成教授說，新能源材料與器件專業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，新能源材料不是簡單的材料，而是有結構和功能特性的。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構（如PN結等），并能實現光電轉化功能。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。也就是說，該專業研究的重點是如何打通新能源材料和器件之間的斷層。

　　還拿電動汽車做例子，動力電池技術的發展可謂日新月異。比如，鈦酸鋰負極電池具有快充性能、長壽命、高安全性等優點，缺點是能量密度低、價格高，適用于公交車使用。但是，近來碳負極的快充電池進步很快，其能量密度高、成本低，有望替代鈦酸鋰負極電池。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。當然，這只是新能源材料與器件研究領域中的一小塊內容。

　　新能源材料與器件研究的領域有哪些？

　　李美成教授說，新能源材料與器件專業目前比較活躍的研究領域有：

　　一、能量的轉換過程。比如，光能轉化為電能，光能轉化為熱能，光能轉化為化學能，風能轉化為電能，生物質能轉化為電能，等等。比如，太陽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能。

　　二、能量的捕獲與存儲。2016年11月，李克強總理主持召開國家能源委員會會議，審議通過了《能源發展“十三五”規劃》。李克強提出，要集中力量在可再生能源開發利用，特別是新能源并網技術和儲能、微網技術上取得突破，全面建設“互聯網+”智慧能源，提升電網系統調節能力，增加新能源消納能力，發展先進高效節能技術，搶占能源科技競爭制高點。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儲能示范項目，還針對大容量超級電容儲能技術等提出了具體的創新目標。儲能技術將是未來五年研究的重點之一。另外，風力發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領域。在電力體制改革持續深化的背景下，傳統電網的改造、綜合能源系統的建設已是大勢所趨，但其中還缺少關鍵的節點，或者說互通的開關。接入能源系統的能源越來越復雜，這就需要進行智能調配。而目前的電網，還缺少“眼睛”和“耳朵”，無法迅速、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業的用武之地。很可能某一種新能源材料的運用，就會引發一場巨大的革新。

　　新能源材料與器件學什么？

　　2012年7月，華北電力大學主辦了全國新能源材料與器件專業建設第三次研討會。全國三十多所高校新能源材料與器件專業的負責人、新能源企業和行業協會代表、新能源出版單位等，共70余人參加。清華大學倪維斗院士對新能源領域的發展和人才需求發表講話。他指出，新能源行業發展要走踏實之路，新能源專業的院校要立足自身特色，克服發展瓶頸，為新能源建設出力。中國可再生能源學會光伏專委會副主任、秘書長吳達成在會中指出，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、加強交流和聯合辦學。

　　各高校新能源材料與器件專業的背景有很大不同，所以課程也各具特色。以華北電力大學為例，其課程特色是復合型、專業交叉性強。李美成教授說，新能源材料與器件專業涉及以下三個方面的內容：物理、化學機理是基礎，材料是主體，器件是材料的性能體現。各高校應結合學校自身專業特色，通過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、材料化學與物理、能源電化學、電源工藝學、半導體物理與器件、儲能材料與制備技術、材料分析與測試方法、能量轉換與應用、先進節能技術、太陽能電池原理與工藝、鋰離子電池原理與工藝、能源系統的集成設計、世界新能源發展態勢系列講座等。

　　與新能源科學與工程專業的區別

　　這兩個專業都屬于工學門類，但新能源材料與器件專業屬于材料類，新能源科學與工程屬于能源動力類。新能源科學與工程面向新能源產業，其學科交叉性強、專業跨度大，學科基礎來自于多個理科和工科，與物理、化學、材料、機械、電子、信息、軟件、經濟等諸多專業密切相關。各高校根據社會需求和自身已有專業積累，設立了各具特色的新能源科學與工程專業，培養目標、課程設置、專業方向等都有較大差別。詳見《新能源新動力》。