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破解能源危机与环境问题的金钥匙:新能源材料

发布:admin06-05分类: 电力

  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。

  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。

  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。

  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。

  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》。

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