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新能源材料与器件:破解能源危机与环境问题的金钥匙

     阳光高考原创稿件 作者:姜殿军

人类的活动、经济的发展都离不开能源。我们对能源的需求远远超过以往时代,并且还在持续快速增长。石油、煤炭等化石燃料都是不可再生的,而且过度开发利用产生了当前的环境污染问题。据某些科学家估计,地球上现存的化石能源很快就会消耗殆尽。“能源危机” 是人类当前面临的最大挑战,而新能源材料与器件就是破解“能源危机与环境问题”的一把金钥匙。

我们采访了华北电力大学可再生能源学院副院长李美成教授,请他带领大家探索新能源材料与器件专业的来龙去脉。

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一、专业解析

新能源材料与器件是什么?

大家最近可能都被董明珠投资某新能源公司的消息“刷屏”了。该公司的核心技术是“钛酸锂负极电池”,而电池技术是决定电动车成败的重要因素。这是新能源材料与器件的一个好例子。

所谓新能源,是指区别于煤、石油、天然气以及大中型水电等常规能源,尚未大规模利用、正在积极研究开发的能源。比如,太阳能、风能、现代生物质能、地热能、海洋能以及氢能等都属于新能源。而新能源材料就是实现这些新能源转化和利用以及发展新能源技术过程中所使用的关键材料。

目前,研究得较多的、相对成熟的新能源材料主要是太阳能电池材料、动力电池材料、燃料电池材料、生物质能材料、风能材料、超级电容器、核能材料等。

新能源材料与器件专业就是研究开发新能源转化、利用的关键材料及其器件设计、制造的专业。这个专业是教育部2010年首批增设的国家战略性新兴产业相关专业,是工学门类材料类中最年轻的专业之一。

李美成教授说,新能源材料与器件专业的内涵就在于新能源材料与器件的一体化。与传统的材料(如合金材料)不同,新能源材料不是简单的材料,而是有结构和功能特性的。像太阳能电池板的核心材料,不是单纯的硅,而是要形成一定的结构(如PN结等),并能实现光电转化功能。因此,新能源材料与器件研究的不仅是材料或元器件,而是要把两者结合起来。也就是说,该专业研究的重点是如何打通新能源材料和器件之间的断层。

还拿电动汽车做例子,动力电池技术的发展可谓日新月异。比如,钛酸锂负极电池具有快充性能、长寿命、高安全性等优点,缺点是能量密度低、价格高,适用于公交车使用。但是,近来碳负极的快充电池进步很快,其能量密度高、成本低,有望替代钛酸锂负极电池。无论是哪种电池,其材料和器件都是密不可分的,最终都要把材料做成电池。当然,这只是新能源材料与器件研究领域中的一小块内容。

新能源材料与器件研究的领域有哪些?

李美成教授说,新能源材料与器件专业目前比较活跃的研究领域有:

一、能量的转换过程。比如,光能转化为电能,光能转化为热能,光能转化为化学能,风能转化为电能,生物质能转化为电能,等等。比如,太阳能电池就是把光能转化为电能,人工光合作用是把光能转化为化学能。

二、能量的捕获与存储。2016年11月,李克强总理主持召开国家能源委员会会议,审议通过了《能源发展“十三五”规划》。李克强提出,要集中力量在可再生能源开发利用,特别是新能源并网技术和储能、微网技术上取得突破,全面建设“互联网+”智慧能源,提升电网系统调节能力,增加新能源消纳能力,发展先进高效节能技术,抢占能源科技竞争制高点。2016年,国家能源局在全国范围内首次批准建设国家级大型化学储能示范项目,还针对大容量超级电容储能技术等提出了具体的创新目标。储能技术将是未来五年研究的重点之一。另外,风力发电机叶轮的表面涂层(具有防腐等性能)、燃料电池等,都是新能源材料与器件研究的领域。

三、综合能源系统中的传感器。这是李美成教授最近认识到新能源材料与器件能够广泛应用的另一个领域。在电力体制改革持续深化的背景下,传统电网的改造、综合能源系统的建设已是大势所趋,但其中还缺少关键的节点,或者说互通的开关。接入能源系统的能源越来越复杂,这就需要进行智能调配。而目前的电网,还缺少“眼睛”和“耳朵”,无法迅速、准确地调配能量。这些“眼睛”和“耳朵”,即传感器,恰恰是新能源材料与器件专业的用武之地。很可能某一种新能源材料的运用,就会引发一场巨大的革新。

新能源材料与器件学什么?

2012年7月,华北电力大学主办了全国新能源材料与器件专业建设第三次研讨会。全国三十多所高校新能源材料与器件专业的负责人、新能源企业和行业协会代表、新能源出版单位等,共70余人参加。清华大学倪维斗院士对新能源领域的发展和人才需求发表讲话。他指出,新能源行业发展要走踏实之路,新能源专业的院校要立足自身特色,克服发展瓶颈,为新能源建设出力。中国可再生能源学会光伏专委会副主任、秘书长吴达成在会中指出,新能源人才培养应加强普遍人才的基础教育、师资的合理引进、加强交流和联合办学。

各高校新能源材料与器件专业的背景有很大不同,所以课程也各具特色。以华北电力大学为例,其课程特色是复合型、专业交叉性强。李美成教授说,新能源材料与器件专业涉及以下三个方面的内容:物理、化学机理是基础,材料是主体,器件是材料的性能体现。各高校应结合学校自身专业特色,通过合理的课程设置使三者有机结合。

主要课程设置:(综合各校情况)

固体物理、物理化学、材料化学与物理、能源电化学、电源工艺学、半导体物理与器件、储能材料与制备技术、材料分析与测试方法、能量转换与应用、先进节能技术、太阳能电池原理与工艺、锂离子电池原理与工艺、能源系统的集成设计、世界新能源发展态势系列讲座等。

与新能源科学与工程专业的区别

这两个专业都属于工学门类,但新能源材料与器件专业属于材料类,新能源科学与工程属于能源动力类。新能源科学与工程面向新能源产业,其学科交叉性强、专业跨度大,学科基础来自于多个理科和工科,与物理、化学、材料、机械、电子、信息、软件、经济等诸多专业密切相关。各高校根据社会需求和自身已有专业积累,设立了各具特色的新能源科学与工程专业,培养目标、课程设置、专业方向等都有较大差别。详见《新能源 新动力》。

二、专业与就业

涉及领域广、新增就业岗位多

阳光高考平台统计数据显示,截至2015年12月30日,新能源材料与器件专业全国普通高校毕业生规模为600-700人,连续两年就业率在85%-90%。总体来看,该专业规模较小,就业率较高。

合肥工业大学材料学院项宏发老师说,我国新能源材料与器件行业目前的发展势头良好,处于快速发展期。我国锂电池产业近年来发展快速,特别是动力锂电池的发展充分结合国家战略需求,打破了日本一统天下的局面,成为世界第二生产大国。我国自主开发的钴镍锰酸锂成本仅为钴酸锂的一半,高温稳定性也大幅度改善,改性天然石墨球负极材料已研制开发并投入批量生产。近年来,我国太阳能电池发展很快,纳晶太阳能电池材料研究取得了重要进展,其成本估算0.5-1$/pW。如果效率达到5%,性能价格比将超过非晶硅,有很强的市场竞争能力,成为值得关注的新型太阳能电池。

2017年1月5日,国家能源局发布《能源发展“十三五”规划》和《可再生能源发展“十三五”规划》,要求“十三五”期间非化石能源消费比重提高到15%以上。到2020年,水电装机达3.8亿千瓦(含抽水蓄能电站0.4亿千瓦)、风电装机2.1亿千瓦以上、太阳能发电装机1.1亿千瓦以上、生物质能发电装机1500万千瓦、地热供暖利用总量达4200万吨标准煤。

可再生能源中就包括风能、太阳能和生物质能等新能源。该产业涉及领域广,可有力带动相关产业发展,可大幅增加新增就业岗位,也是实现脱贫攻坚的重要措施,对宏观经济发展产生积极影响,更是实现经济发展方式转变的重要推动力。2020 年,全国可再生能源部门就业人数超过 1300 万,其中“十三五”时期新增就业人数超过300万。

在国家战略大力支持的背景下,新能源材料与器件专业毕业生的发展前景十分广阔。本专业学生毕业后能胜任新能源材料设计与制备、能源器件设计与制造以及新能源技术开发等方面的技术与管理工作,并能从事相关领域的技术开发和管理等专业技术工作,成为富有创新精神的高素质复合型人才。毕业生适宜在新能源、新材料、新能源汽车、节能环保、高端装备制造等国家战略性新兴产业领域以及电力、航天航空、信息、交通等领域的研究机构、企事业单位从事研究、技术开发、工艺和器件设计及相关管理工作。

新能源材料与器件专业毕业生可谓是赶上了潮流,大有可为。

建议毕业生继续深造

以华北电力大学为例,该校新能源材料与器件专业每年只招收一个班。2015届毕业生26人,其中出国3人,读研8人,就业15人,就业率96.15%,深造率42.31%。2016届毕业生27人,其中读研10人,就业17人,就业率96.3%,深造率37%。2017届毕业生就业工作还在进行中,目前除了出国和考研的同学之外均已签约,就业形势持续向好。具体的去向有电力系统、中电投、中能源、北京新能源公司等大型国企,还有民营的新能源公司等。

李美成教授建议毕业生能够继续深造,将来进入新能源的高端领域。这是个源头创新的行业,中国必将产生全球领先的企业,对高端人才的需求会十分旺盛。当然,该专业毕业生也可以去新能源研究院等从事研究,或者选择出国。

该专业学生考研时,可以考虑华北电力大学“可再生能源与清洁能源”博士学位授权点和硕士学位授权点,十分对口。另外,该专业学生考研时选择较多的专业还有动力工程、电气工程、电子科学与技术等。

三、报考指南

2010年,教育部首批公布同意设置该“国家战略性新兴产业”相关专业的高校有15所,其中包括华北电力大学、华东理工大学、东南大学、中南大学、电子科技大学、四川大学等。后续逐渐增加,目前全国开设该专业的高校共38所(据阳光高考平台数据)。各校的专业特色十分明显。

例如,华北电力大学新能源材料与器件专业的特色是,不受传统背景影响,具有纯粹的新能源血统。该专业的师资团队也是一个亮点,老师们分别来自能源动力工程、电气工程、化学、物理、材料等不同学科,组成了复合式团队。该专业实行导师制,优秀的学生在本科阶段就能得到教授的亲自指导。这个专业包括太阳能电池材料与器件、锂离子电池材料与器件和燃料电池材料与器件专业方向。2017年计划与新能源科学与工程专业放在一起,按大类招生。

再如,合肥工业大学是第一批开设新能源材料与器件专业的11所高校之一。项宏发老师介绍,该专业重点是研究与开发高性能新能源材料、技术和器件(如手机和笔记本中使用的锂电池、电动汽车用动力电池、太阳能电池等),发展“新能源材料”(锂电池材料、燃料电池材料、太阳能电池材料和储能材料等),主要做的事情是上述新材料的开发和生产,以锂电池和太阳能电池为代表的相关器件的设计、制造与生产,面向通讯电子产品、电动汽车和电网储能等领域的设计与应用。该校具有很强的工科背景,重视应用开发,与大中型企业都有良好的合作平台,这利于培养学生的应用能力。

李美成教授建议,有志于学习新能源材料与器件专业的学生,可以从以下几个方面来选择大学。第一,大学的传统优势领域和行业背景。同样开设该专业,不同大学依托的学科背景是不一样的。比如,中南大学该专业设在冶金科学与工程学院,有冶金背景;等等。第二,大学所在的地域。考虑到离家远近、生活习惯、就业需求等因素,地域也是很多学生关心的问题。比如,北方的学生可以考虑北京等地的大学,南方的学生可以考虑上海等地的大学。

考生还要注意的是,该专业是一个工科专业,考生要对能源、电子、物理、化学等学科感兴趣。另外,该专业偏实验科学,对动手能力要求较高。例如,某高校的实践环节包括太阳电池的制备与测试实训、LED制备实训、电工电子实训、储能材料制备实训等。

除了开设新能源材料与器件专业的大学外,某些其他大学也进行相关领域的研究。如清华大学电力、材料、化学等院系,北京大学工学院,北京航空航天大学的化工与环境学院,等等。考生可以向有关院校进行咨询。

专业推荐

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四、录取数据

2015年部分高校新能源材料与器件专业的录取分数

(下图以北京市2015年部分高校录取数据为例。考生可自行修改查询条件。点击图片进入阳光高考“参考分数选志愿”系统。专业平均分需进入系统后,再点击查看。)

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参考资料:

材料人网:解读新能源材料与器件专业