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材料类专业—新能源材料与器件解读

2019-03-25 11:03 | 来源:网络

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材料类专业—新能源材料与器件解读


20世纪70年代,人们把材料、能源和信息誉为现代文明的三大支柱。80年代以高技术群为代表的新技术革命,又将新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。这主要是因为材料与国民经济建设、国防建设和人民生活密切相关。可以说,大千世界,材料无所不包,无处不在。吃、穿、住、行,每个人每天都会碰到诸如金属、橡胶、陶瓷等众多材料,小到一张纸、一根针、一个塑料袋、一件衣服,大到医疗器械、交通工具、工程建筑,处处都有材料的身影。事实上,人类文明发展史,就是一部如何更好地利用材料和创造材料的历史,材料的不断创新和发展,也极大地推动了社会经济的发展。材料虽小,却发挥着巨大的作用。近期我们就来解读材料类专业。

新能源材料与器件

【是什么】

人类的活动、经济的发展都离不开能源。当下,我们对能源的需求远远超过以往任何时代,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,过度开发利用已产生了严重的环境污染问题。据科学家估计,地球上现存的化石能源将在不久的未来消耗殆尽。能源危机是当前人类面临的最大挑战,而新能源材料与器件专业就是破解能源危机与环境问题的一把金钥匙。

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。例如太阳能、风能、核能、现代生物质能、地热能、海洋能、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,研究较多、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。该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。例如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。以电动汽车为例,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。但是,近年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。

总的来说,新能源材料与器件目前比较活跃的研究领域主要有:一、能量的转换过程,如光能转化为电能、光能转化为热能、风能转化为电能、生物能转化为电能等;二、能量的捕获与存储,即利用新能源并网技术和储能、微网技术,增强新能源的消纳能力;三、综合能源系统中的传感器,即利用传感器迅速、准确地调配能量。

正是为了迎合时代的快速发展以及解决能源危机带来的各种问题,同时基于新能源材料的性能优势和不可替代性,满足国家对新能源领域高素质人才的需求,教育部于 2010 年同意在高等学校设置与战略性新兴产业相关的 140 个本科新专业,新能源材料与器件专业就是其中之一,可以说它是工学门类材料类中最年轻的专业之一。

【学什么】

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等课程。

【做什么】

一、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,从事新能源材料设计与制备、新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。二、在新能源相关的科研部门从事科学研究工作。

【看前景】

据阳光高考平台统计数据显示,新能源材料与器件专业的就业率在 85%-90%,总体来看,专业规模较小,就业率较高。

目前,我国新能源材料与器件行业发展势头良好,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也很快,纳晶太阳能电池材料研究取得了重要进展,性价比有望超过非晶硅,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、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。可以说,该产业涉及领域广,能够有力带动相关产业发展,可大幅增加新增就业岗位。预计 2020 年全国可再生能源行业就业人数将超过 1300 万,其中“十三五”时期新增就业人数将超过 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发展前景十分广阔,该专业毕业生可以说是赶上了发展潮流,未来大有可为。

【提个醒】

目前,全国开设新能源材料与器件专业的高校近 40 所,各校的专业特色十分明显。例如,华北电力大学该专业不受传统背景影响,具有纯粹的新能源血统;中南大学该专业设在冶金科学与工程学院,具有冶金背景;合肥工业大学重点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),等等。该专业是一个工科专业,考生应在能源、电子、物理、化学等学科方面有所擅长或感兴趣。而且,该专业偏实验科学,对动手能力要求较高。考生报考时须根据自己的兴趣爱好和各校培养方向慎重选择。另外,除了开设新能源材料与器件专业的高校外,另有一些高校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,考生如有兴趣可向相关高校咨询。(图片来源摄图网)


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