课程简介和教学大纲格式-浙江大学材料科学与工程学院

课程简介和教学大纲格式

课程代码：课程名称：能源与环境材料概论

学分： 2 周学时： 4

面向对象：材料学院本科生

预修课程要求：

一、课程介绍（100-150字）

（一）中文简介

本课程主要介绍当前世界能源与环境现状以及各种新能源转换方式的基本原理、关键材料及技术要点，包括太阳能、风能、水电、生物质能、半导体照明、直接热电转换、燃料电池、能量存储以及新能源技术对环境的影响等，使学生了解当前新能源与环境材料的特点、研究现状与趋势。

（二）英文简介

This course introduces the principles, current status and environmental assessment of various energy conversion technologies, including solar energy, wind energy, waterpower, biomass, thermoelectricity, fuel cells and energy storage and so on. The related materials will be discussed.

二、教学目标

(一)学习目标

能源与环境材料的开发与发展与人类社会的可持续发展密切相关，是21世纪前沿科学技术的重要组成部分。因此，了解新能源、新能源与环境材料的必要性与取得的主要进展，掌握一些新能源及环境材料的原理、关系、研究现状和存在的问题至关重要。通过对本课程的学习，使学生了解目前国内外能源与环境面临的形势和新能源材料与环境材料的发展现状，一些重要的新能源与环境材料的作用原理、需要克服的关键科学技术问题等，在系统学习的基础上了解新能源研究开发的主要内容与方向，掌握能源与环境材料领域的前沿动态。（二）可测量结果

通过对本课程的学习，使学生：

（1）了解目前国内外能源与环境面临的形势和能源、环境材料与技术的发展现状；

（2）掌握一些重要的能源与环境材料的作用原理、重要参数、需要克服的关键科学技术问题等；

（3）在系统学习的基础上了解新能源研究开发的主要内容与方向及其环境影响评价，掌握新能源与环境材料领域的前沿动态。

注：以上结果通过课堂讨论、课程作业以及论文等环节测量。

三、课程要求

（一）授课方式与要求

授课方式：a.教师讲授（讲授核心内容、按顺序提示今后内容、答疑、公布讨论主题等，约18个学时）；b.聘请来访能源材料领域专家学者讲授本领域最新研究进展（时间不固定,3学时）；c. 大作业（每人选定一个专题，撰写所设计方向的研究背景和现状，以及学生自己对该方向的理解与评述，作为评分重要依据）；d.总结和答疑课（3个学时，点评各学生大作业的情况，并进行适当讨论）。

课程要求：熟悉基本知识，培养查阅文献、阅读、组织和表达能力及合作精神，提高对专题进行研究总结的能力，形成对能源及环境材料的系统知识。

（二）考试评分与建议

本门课程的评分分为3个部分，每个部分分数分配如下：出勤：30％；课堂发言与讨论：30％；大作业或报告：40％。

四、教学安排

共32学时，每次课2个学时。

第一次：全球能源与环境概述

主要内容：

当前世界发展面临的能源挑战与气候变化，能源可持续性，能源材料成本与经济性以及CO2的捕获与掩埋。

阅读材料：

T.M. Letcher, Future Energy: Improved, Sustainable and Clean Options for Our Planet, Elsevier, 2008

思考题：能源与环境危机的成因是什么？

第二次：国内外传统能源现状

主要内容：

能源是生物界存在的基础。能源关联人类社会生存和发展的模式与方向。煤、石油、天然气等化石燃料在世界各地的储量和分布极不均衡，人类对各种能源的消耗也存在不同的依赖性，并随科技的发展各种能源消耗的比例不断变化。然而，总体来讲，化石能源即将消耗殆尽，各国出台各种政策鼓励能源高效利用和新能源的开发和应用。本部分将重点介绍传统

能源的分布情况以及煤电、水电等传统发电技术的原理以及对材料的要求。使学生了解能源现状以及新能源材料与技术产生的原因。

阅读材料：

T.M. Letcher, Future Energy: Improved, Sustainable and Clean Options for Our Planet, Elsevier, 2008

Harnessing Materials for Energy, MRS Bulletin, 33(4), 2008

思考题：传统能源的困境是什么？

第三次：新能源分类及研究现状

主要内容：

新能源技术包括太阳能、风能、核能、生物质能、地热能和海洋能等。本部分介绍这些能源技术尤其是太阳能光伏技术的基本原理、特点以及研究现状。这些新能源技术的发展往往建立在相关新材料的突破，因此新材料技术的发展决定了新能源技术的发展水平与方向。伴随着新能源技术的发展，储能技术也受到了更多的关注，因此很多新能源技术具有周期性和间歇性。本部分目的是使学生对各种新能源技术及材料、以及相关其他能源技术有一整体上的了解，从而形成自己在新能源技术方面的认知和判断能力。

阅读材料：

Fundamentals of Materials for Energy and Environmental Sustainability, Cambridge University Press, 2012

Harnessing Materials for Energy, MRS Bulletin, 33(4), 2008

思考题：新型绿色能源有什么优势？

第四次：能源高效利用与节能技术

主要内容：

现有的各种新能源技术中没有一种具有绝对的优势，能取代现有的发电技术，而且大都不成熟，包括太阳能光伏发电等众所周知的转换技术。因此目前世界各国越来越重视已有能源的高效利用和节能技术，这也成为我国能源发展战略的重要内容之一。本部分介绍各种高效节能技术以及相关材料，包括余热废热利用、建筑节能、半导体照明（固体发光）以及一些相关产业的发展现状。

阅读材料：

Fundamentals of Materials for Energy and Environmental Sustainability, Cambridge University Press, 2012

Harnessing Materials for Energy, MRS Bulletin, 33(4), 2008

思考题：节能技术有哪些种类，有何优缺点？

第五次：能源存储技术及电池应用

主要内容：

能源存储技术在能源领域具有特殊的地位。目前开发的一些新能源技术大都具有间歇性、周期性等特点，比如太阳能光伏技术。因此开发能把多余能量储存起来的技术至关重要。电化学储能是这一技术的典型代表，电池技术不但可以储能，还能把化学能转换成电能，在电动车、混合动力汽车等新兴领域有广阔的前景。本部分重点介绍各种储能技术的发展现状以及电池技术及其材料的特点，使学生掌握这一重要领域的基础知识。

阅读材料：

《新能源材料》，雷永泉主编，天津大学出版社，2000年出版

Fundamentals of Materials for Energy and Environmental Sustainability, Cambridge University Press, 2012

思考题：储能器件如电池与绿色能源有什么样的相辅相成关系？

第六次：电化学发展史与储能技术

主要内容：

世界电化学材料与器件历经了从封建王朝时期的朴素发展到现代电化学的精细构建，其兴衰与世界能源格局的变革息息相关。本部分介绍电化学的世界发展史以及电化学储能器件的发展史，包括电池的起源以及现代电池如铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池的进化历史以及一些相关产业的发展现状。

阅读材料：《现代电化学》，龚竹青，王志兴，中南大学出版社，2010年出版

思考题：电化学储能和其他储能相比，优势和劣势是什么？

第七次：超级电容现状与存在问题

主要内容：

超级电容器是一种新型的绿色储能器件，具有高功率、长寿命、低成本、快速充放等优点，在现代电子信息、军事等领域具有良好的应用前景。超电容的性能取决于电容材料和器件构架。本部分介绍超级电容器发展历史，以及其材料种类和各自存在优缺点。同时介绍目前超级电容器的发展瓶颈和行业状况，以及学术难点和争论点。

阅读材料：《超级电容器工作原理》，(法)弗朗索瓦主编，机械工业出版社，2014年

出版

思考题：超级电容器分类是哪几种？其对应的材料种类有哪些？

第八次：锂离子电池材料及发展态势

主要内容：

高性能储能材料与器件是实现能源高效存储和利用的关键，也是现代交通运输、电子信息、国防军事等领域的重要能量支撑。锂离子电池是目前最具重要的长航时储能系统之一，其理论能量密度高达200 Wh/kg以上。本部分介绍锂电的正负极材料种类包括石墨负极、钴酸锂正极、三元正极、磷酸铁锂正极等，以及各种优缺点和今后发展趋势。

思考题：锂离子电池的正极种类有哪些？各自存在什么优缺点？

阅读材料：《电化学方法原理和应用》（第二版），[美]巴德（Bard A.J.），[美]福克纳（Faulkner L.R.），化学工业出版社，2005年

第九次：动力锂离子电池行业和国家政策

主要内容：

动力锂离子电池是电动汽车的核心部件，也是其核心技术。绿色长航时出行取决于动力电池的性能。我国是世界上电动汽车保有量最大的国家，也是电动车领域的领先者。本部分介绍不同类型的动力锂电以及行业发展，分析介绍我们国家的动力电池政策和我国的动力电池技术以及存在问题。

思考题：汽车动力电池的发展瓶颈是什么？

阅读材料：《动力电池技术与应用》，胡信国，化学工业出版社，2009年

第十次：新一代电化学储能器件

主要内容：

电化学储能系统在不断革新，体现在更高的能量密度和功率密度。在现有的电容、锂电的基础上，新一代的电化学储能系统在蓬勃发展，以期望将来替代现有的储能系统。本部分介绍新型的电化学储能系统包括锂硫电池、钠离子电池、钾离子电池等，以及相关材料和未来前景，并比较他们的优缺点。

思考题：锂硫电池工作原理是什么？存在什么问题？

阅读材料：《储能技术概论》，饶中浩，中国矿业大学出版社，2017年

第十一次：催化与能源技术一，燃料电池

主要内容：

燃料电池的起源、现状和发展前景。比较各类燃料电池工作原理、特征和各自的用途。介绍制氢技术及其发展现状，分析绿色、可持续的制氢技术。催化剂的种类、催化机制、催化剂的选择。新型催化剂的设计，包括贵金属催化剂使用原则，非贵金属催化剂的设计。燃料电池在新能源汽车上的应用前景。

思考题：简述燃料电池在新能源汽车应用的优势和缺陷

阅读材料：《氢与燃料电池-新兴的技术及其应用》，本特.索伦森，机械工业出版社，2016年

第十二次：催化与能源技术二，金属空气电池

主要内容：

空气电池的起源，现状和发展趋势，各类水系金属空气电池如铝空电池、镁空电池、锌空电池的工作原理，各自的用途及面临的问题，催化剂的选择及催化正极的设计，电池的可充性及挑战；碱金属-空气电池如锂空电池、钠空电池、钾空电池的工作原理，催化剂的选择和催化正极的设计原则，碱金属-空气电池的面临的问题和发展前景，潜在的应用。

思考题：简述和其他的锂电池相比，锂空电池的优点和缺点。

阅读材料：《锂空气电池》，（日）今西诚之等，化学工业出版社，2017年

第十三次：安全的储能技术

主要内容：

安全储能的重要性和迫切性，安全储能在智能电网中的应用，安全储能电池的设计原则；水系储能电池的优势与缺点，水系电池的种类和工作机理介绍。固态电池的优势和缺点，固态电池与液态电池的联系和区别，固态电解质的分类、工作原理和各自的优缺点。固态电池的现状，发展趋势和应用前景。

思考题：简述固态电池的优缺点，及发展固态电池的重要性。

阅读材料：《固态电化学》，杨勇，化学工业出版社，2017年

附：时间表

周次授课主题备注主讲人

1 气候变化与能源现状2课时

2 能源转换及能源材料2课时

3 传统能源现状：煤、石油、天然气2课时

4 煤电、水电等传统发电技术的原理及其材料2课时

5 太阳能利用原理、材料与技术2课时

6 风能、核能与生物质能等利用技术与材料2课时

7 地热、海洋能与直接热电转换2课时

8 交通运输与电动汽车2课时

9 发光与照明2课时

10 节能建筑与能源效率2课时

11 催化材料与寿命评估2课时

12 能源存储技术与应用2课时

13 燃料电池及智能电网简介2课时

14-16 报告与讨论6课时

五、参考教材及相关资料

主要参考书：

1、《新能源材料》，雷永泉主编，天津大学出版社，2000年出版

2、《新能源材料及其应用技术》，李敬峰，李建保主编，清华大学出版社，2005年版

3、Fundamentals of Materials for Energy and Environmental Sustainability, Cambridge University Press, 2012

4、T.M. Letcher, Future Energy: Improved, Sustainable and Clean Options for Our Planet, Elsevier, 2008

5、Harnessing Materials for Energy, MRS Bulletin, 33(4), 2008

六、课程教学网站：

将通过校内网络提供必要的课件和文字材料链接。

（要求至少A4纸4页）