專業(yè)解讀——新能源材料與器件

　　一、專業(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(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、風能、現(xiàn)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現(xiàn)這些新能源轉(zhuǎn)化和利用以及發(fā)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(zhì)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(yè)就是研究開發(fā)新能源轉(zhuǎn)化、利用的關鍵材料及其器件設計、制造的專業(yè)。這個專業(yè)是教育部2010年首批增設的國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)相關專業(yè)，是工學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(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，而是要把兩者結合起來。也就是說，該專業(yè)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(fā)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(yōu)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(nèi)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(yè)目前比較活躍的研究領域有：

　　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)化為化學能，風能轉(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(fā)展“十三五”規(guī)劃》。李克強提出，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)技術和儲能、微網(wǎng)技術上取得突破，全面建設“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源，提升電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力，增加新能源消納能力，發(fā)展先進高效節(jié)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(nèi)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(chuàng)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(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域。

　　三、綜合能源系統(tǒng)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(xù)深化的背景下，傳統(tǒng)電網(wǎng)的改造、綜合能源系統(tǒng)的建設已是大勢所趨，但其中還缺少關鍵的節(jié)點，或者說互通的開關。接入能源系統(tǒng)的能源越來越復雜，這就需要進行智能調(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用，就會引發(fā)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(yè)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(yè)的負責人、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。清華大學倪維斗院士對新能源領域的發(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(yǎng)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(lián)合辦學。

　　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。以華北電力大學為例，其課程特色是復合型、專業(yè)交叉性強。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、化學機理是基礎，材料是主體，器件是材料的性能體現(xiàn)。各高校應結合學校自身專業(yè)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(zhuǎn)換與應用、先進節(jié)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(tǒng)的集成設計、世界新能源發(fā)展態(tài)勢系列講座等。

　　與新能源科學與工程專業(yè)的區(qū)別

　　這兩個專業(yè)都屬于工學門類，但新能源材料與器件專業(yè)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(chǎn)業(yè)，其學科交叉性強、專業(yè)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(jīng)濟等諸多專業(yè)密切相關。各高校根據(jù)社會需求和自身已有專業(yè)積累，設立了各具特色的新能源科學與工程專業(yè)，培養(yǎng)目標、課程設置、專業(yè)方向等都有較大差別。詳見《新能源 新動力》。


　　二、專業(yè)與就業(yè)

　　涉及領域廣、新增就業(yè)崗位多

　　陽光高考平臺統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，截至2015年12月30日，新能源材料與器件專業(yè)全國普通高校畢業(yè)生規(guī)模為600-700人，連續(xù)兩年就業(yè)率在85%-90%。總體來看，該專業(yè)規(guī)模較小，就業(yè)率較高。

　　合肥工業(yè)大學材料學院項宏發(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展，其成本估算0.5-1$/pW。如果效率達到5%，性能價格比將超過非晶硅，有很強的市場競爭能力，成為值得關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）、風電裝機2.1億千瓦以上、太陽能發(fā)電裝機1.1億千瓦以上、生物質(zhì)能發(fā)電裝機1500萬千瓦、地熱供暖利用總量達4200萬噸標準煤。

　　可再生能源中就包括風能、太陽能和生物質(zhì)能等新能源。該產(chǎn)業(yè)涉及領域廣，可有力帶動相關產(chǎn)業(yè)發(fā)展，可大幅增加新增就業(yè)崗位，也是實現(xiàn)脫貧攻堅的重要措施，對宏觀經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生積極影響，更是實現(xiàn)經(jīng)濟發(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開發(fā)等方面的技術與管理工作，并能從事相關領域的技術開發(fā)和管理等專業(yè)技術工作，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、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)領域以及電力、航天航空、信息、交通等領域的研究機構、企事業(yè)單位從事研究、技術開發(fā)、工藝和器件設計及相關管理工作。

　　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)工作還在進行中，目前除了出國和考研的同學之外均已簽約，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，將來進入新能源的高端領域。這是個源頭創(chuàng)新的行業(yè)，中國必將產(chǎn)生全球領先的企業(yè)，對高端人才的需求會十分旺盛。當然，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)學生考研時，可以考慮華北電力大學“可再生能源與清潔能源”博士學位授權點和碩士學位授權點，十分對口。另外，該專業(yè)學生考研時選擇較多的專業(yè)還有動力工程、電氣工程、電子科學與技術等。


　　三、報考指南

　　2010年，教育部首批公布同意設置該“國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)”相關專業(yè)的高校有15所，其中包括華北電力大學、華東理工大學、東南大學、中南大學、電子科技大學、四川大學等。后續(xù)逐漸增加，目前全國開設該專業(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)的師資團隊也是一個亮點，老師們分別來自能源動力工程、電氣工程、化學、物理、材料等不同學科，組成了復合式團隊。該專業(yè)實行導師制，優(yōu)秀的學生在本科階段就能得到教授的親自指導。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與工程專業(yè)放在一起，按大類招生。

　　再如，合肥工業(yè)大學是第一批開設新能源材料與器件專業(yè)的11所高校之一。項宏發(fā)老師介紹，該專業(yè)重點是研究與開發(fā)高性能新能源材料、技術和器件（如手機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器件的設計、制造與生產(chǎn)，面向通訊電子產(chǎn)品、電動汽車和電網(wǎng)儲能等領域的設計與應用。該校具有很強的工科背景，重視應用開發(fā)，與大中型企業(yè)都有良好的合作平臺，這利于培養(yǎng)學生的應用能力。

　　李美成教授建議，有志于學習新能源材料與器件專業(yè)的學生，可以從以下幾個方面來選擇大學。第一，大學的傳統(tǒng)優(yōu)勢領域和行業(yè)背景。同樣開設該專業(yè)，不同大學依托的學科背景是不一樣的。比如，中南大學該專業(yè)設在冶金科學與工程學院，有冶金背景；等等。第二，大學所在的地域。考慮到離家遠近、生活習慣、就業(yè)需求等因素，地域也是很多學生關心的問題。比如，北方的學生可以考慮北京等地的大學，南方的學生可以考慮上海等地的大學。

　　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、化學等學科感興趣。另外，該專業(yè)偏實驗科學，對動手能力要求較高。例如，某高校的實踐環(huán)節(jié)包括太陽電池的制備與測試實訓、LED制備實訓、電工電子實訓、儲能材料制備實訓等。

　　除了開設新能源材料與器件專業(yè)的大學外，某些其他大學也進行相關領域的研究。如清華大學電力、材料、化學等院系，北京大學工學院，北京航空航天大學的化工與環(huán)境學院，等等�？忌�可以向有關院校進行咨詢。