1.2　新能源材料学科的任务及面临的课题

为了发挥材料的作用，新能源材料学科面临艰巨的任务。作为材料科学与工程学科的重要组成部分，新能源材料学科的主要研究内容同样也是材料的组成与结构、制备与加工工艺、材料的性质、材料的使用效能以及它们之间的关系。结合新能源材料的特点，新能源材料研究开发的重点有以下几方面。

①研究新材料、新结构、新效应以提高能量的利用效率与转换效率。例如，研究不同的电解质与催化剂以提高燃料电池的转换效率，研究不同的半导体材料及各种结构（包括异质结、量子阱）以提高太阳能电池的效率、寿命与耐辐照性能等。

②资源的合理利用。新能源的大量应用必然涉及新材料所需原料的资源问题。例如，太阳能电池若能部分地取代常规发电，所需的半导体材料要在百万吨以上，对一些元素（如镓、铟等）而言是无法满足的。因此，一方面尽量利用丰度高的元素，如硅等；另一方面实现薄膜化以减少材料的用量。又例如，燃料电池要使用铂作为催化剂（或触媒），铂的取代或节约是大量应用中必须解决的课题。当新能源发展到一定规模时，还必须考虑废料中有价元素的回收工艺与循环使用。

③安全与环境保护。这是新能源材料能否大规模应用的关键。例如，锂离子电池具有优良的性能，但由于锂二次电池在应用中出现短路造成的烧伤事件，以及金属锂因性质活泼而易于着火燃烧，因而影响了其应用。为此，研究出用碳素体等作为负极载体的锂离子电池，使上述问题得以避免，现已成为发展速度最快的锂离子二次电池。另外，有些新能源材料在生产过程中也会对环境造成污染；还有服务期满后的废弃物，如核能废弃物，也会对环境造成污染。这些都是新能源材料科学与工程学科必须解决的问题。

④材料规模生产的制作与加工工艺。在新能源的研究开发阶段，材料组成与结构的优化是研究的重点，而材料的制作与加工常使用现成的工艺与设备。到了工程化阶段，材料的制作与加工工艺及设备就成为关键的因素。在许多情况下，需要开发针对新能源材料的专用工艺与设备以满足材料产业化的要求，这些情况包括大的处理量、高的成品率、高的劳动生产率、材料及部件的质量参数的一致性和可靠性、环保及劳动防护、低成本等。

例如，在金属氧化物镍电池生产中开发的多孔镍材料的制作技术、开发锂离子电池的电极膜片制作技术等。在太阳能电池方面，为了进一步降低成本，美国能源部拨专款建立称之为“光伏生产工艺” （Photovoltaic Manufacturing Technology）的项目，力求通过完善大规模生产工艺与设备，使太阳能电池发电成本能与常规发电成本相比拟。

⑤延长材料的使用寿命。现代发电技术、内燃机技术是众多科学家与工程师在几十年到上百年间的研究开发成果。采用新能源及其装置对这些技术进行取代所遇到的最大问题在于成本有无竞争性：从材料的角度考虑，要降低成本，一方面要靠从上述各研究开发关键方面进行努力；另一方面还要靠延长材料的使用寿命。上述方面的潜力是很大的，这要从解决材料性能退化的原理着手，采取相应措施，包括选择材料的合理组成或结构、材料的表面改性等；并要选择合理的使用条件，如降低燃料中的有害杂质含量以提高燃料电池催化剂的寿命就是一个明显的例子。