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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(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(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、制造的專業(yè)。這個專業(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。

還拿電動汽車做例子，動力電池技術(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。2016年11月，李克強(qiáng)總理主持召開國家能源委員會會議，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)國家級大型化學(xué)儲能示范項(xiàng)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(biāo)。儲能技術(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)識到新能源材料與器件能夠廣泛應(yīng)用的另一個領(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。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。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)會光伏專委會副主任、秘書長吳達(dá)成在會中指出，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、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 新動力》。

涉及領(lǐng)域廣、新增就業(yè)崗位多

合肥工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院項(xiàng)宏發(fā)老師說，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)近年來發(fā)展快速，特別是動力鋰電池的發(fā)展充分結(jié)合國家戰(zhàn)略需求，打破了日本一統(tǒng)天下的局面，成為世界第二生產(chǎn)大國。我國自主開發(fā)的鈷鎳錳酸鋰成本僅為鈷酸鋰的一半，高溫穩(wěn)定性也大幅度改善，改性天然石墨球負(fù)極材料已研制開發(fā)并投入批量生產(chǎn)。近年來，我國太陽能電池發(fā)展很快，納晶太陽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(dá)到5\%，性能價格比將超過非晶硅，有很強(qiáng)的市場競爭能力，成為值得關(guān)注的新型太陽能電池。

2017年1月5日，國家能源局發(fā)布《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》和《可再生能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，要求“十三五”期間非化石能源消費(fèi)比重提高到15\%以上。到2020年，水電裝機(jī)達(dá)3.8億千瓦（含抽水蓄能電站0.4億千瓦）、風(fēng)電裝機(jī)2.1億千瓦以上、太陽能發(fā)電裝機(jī)1.1億千瓦以上、生物質(zhì)能發(fā)電裝機(jī)1500萬千瓦、地?zé)峁┡每偭窟_(dá)4200萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤。

可再生能源中就包括風(fēng)能、太陽能和生物質(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(xiàn)脫貧攻堅的重要措施，對宏觀經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生積極影響，更是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變的重要推動力。2020 年，全國可再生能源部門就業(yè)人數(shù)超過 1300 萬，其中“十三五”時期新增就業(yè)人數(shù)超過300萬。

在國家戰(zhàn)略大力支持的背景下，新能源材料與器件專業(yè)畢業(yè)生的發(fā)展前景十分廣闊。本專業(yè)學(xué)生畢業(yè)后能勝任新能源材料設(shè)計與制備、能源器件設(shè)計與制造以及新能源技術(shù)開發(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)開發(fā)和管理等專業(yè)技術(shù)工作，成為富有創(chuàng)新精神的高素質(zhì)復(fù)合型人才。畢業(yè)生適宜在新能源、新材料、新能源汽車、節(jié)能環(huán)保、高端裝備制造等國家戰(zhàn)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(jī)構(gòu)、企事業(yè)單位從事研究、技術(shù)開發(fā)、工藝和器件設(shè)計及相關(guān)管理工作。

新能源材料與器件專業(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(xù)深造

以華北電力大學(xué)為例，該校新能源材料與器件專業(yè)每年只招收一個班。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(xù)向好。具體的去向有電力系統(tǒng)、中電投、中能源、北京新能源公司等大型國企，還有民營的新能源公司等。

李美成教授建議畢業(yè)生能夠繼續(xù)深造，將來進(jìn)入新能源的高端領(lǐng)域。這是個源頭創(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十分旺盛。當(dāng)然，該專業(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。

該專業(yè)學(xué)生考研時，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(quán)點(diǎn)和碩士學(xué)位授權(quán)點(diǎn)，十分對口。另外，該專業(yè)學(xué)生考研時選擇較多的專業(yè)還有動力工程、電氣工程、電子科學(xué)與技術(shù)等。

2010年，教育部首批公布同意設(shè)置該“國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)”相關(guān)專業(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(xù)逐漸增加，目前全國開設(shè)該專業(yè)的高校共38所（據(jù)陽光高考平臺數(shù)據(jù)）。各校的專業(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業(yè)的特色是，不受傳統(tǒng)背景影響，具有純粹的新能源血統(tǒng)。該專業(yè)的師資團(tuán)隊也是一個亮點(diǎn)，老師們分別來自能源動力工程、電氣工程、化學(xué)、物理、材料等不同學(xué)科，組成了復(fù)合式團(tuán)隊。該專業(yè)實(shí)行導(dǎo)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(dǎo)。這個專業(yè)包括太陽能電池材料與器件、鋰離子電池材料與器件和燃料電池材料與器件專業(yè)方向。2017年計劃與新能源科學(xué)與工程專業(yè)放在一起，按大類招生。

再如，合肥工業(yè)大學(xué)是第一批開設(shè)新能源材料與器件專業(yè)的11所高校之一。項(xiàng)宏發(fā)老師介紹，該專業(yè)重點(diǎn)是研究與開發(fā)高性能新能源材料、技術(shù)和器件（如手機(jī)和筆記本中使用的鋰電池、電動汽車用動力電池、太陽能電池等），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發(fā)和生產(chǎn)，以鋰電池和太陽能電池為代表的相關(guān)器件的設(shè)計、制造與生產(chǎn)，面向通訊電子產(chǎn)品、電動汽車和電網(wǎng)儲能等領(lǐng)域的設(shè)計與應(yīng)用。該校具有很強(qiáng)的工科背景，重視應(yīng)用開發(fā)，與大中型企業(yè)都有良好的合作平臺，這利于培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力。

李美成教授建議，有志于學(xué)習(xí)新能源材料與器件專業(yè)的學(xué)生，可以從以下幾個方面來選擇大學(xué)。第一，大學(xué)的傳統(tǒng)優(yōu)勢領(lǐng)域和行業(yè)背景。同樣開設(shè)該專業(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)該專業(yè)設(shè)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(yuǎn)近、生活習(xí)慣、就業(yè)需求等因素，地域也是很多學(xué)生關(guān)心的問題。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，該專業(yè)是一個工科專業(yè)，考生要對能源、電子、物理、化學(xué)等學(xué)科感興趣。另外，該專業(yè)偏實(shí)驗(yàn)科學(xué)，對動手能力要求較高。例如，某高校的實(shí)踐環(huán)節(jié)包括太陽電池的制備與測試實(shí)訓(xùn)、LED制備實(shí)訓(xùn)、電工電子實(shí)訓(xùn)、儲能材料制備實(shí)訓(xùn)等。

除了開設(shè)新能源材料與器件專業(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梢韵蛴嘘P(guān)院校進(jìn)行咨詢。