中國石油勘探開發(fā)研究院儲能新材料研發(fā)團隊 鍛造蔚藍之“芯”

王碧清

今年4月，中國石油勘探開發(fā)研究院（簡稱“勘探院”）新能源研究中心儲能新材料研發(fā)團隊取得了突破性進展，研制出性能優(yōu)越的高功率鋰離子電池負極材料，為鋰離子電池快充研究開辟新的技術(shù)思路和發(fā)展方向，成果刊登在國際頂級期刊《先進材料》（Advanced Materials）中，并作為封面文章發(fā)表，引起廣泛關(guān)注。“你們的科研，是真正的創(chuàng)新！”同事的評價和肯定，讓王曉琦等人心頭一暖。王曉琦帶領(lǐng)的儲能團隊倍感喜悅，也得到了勘探院表彰。

2021年4月，中國石油天然氣集團有限公司（簡稱“中國石油”）組建油氣和新能源、煉化銷售和新材料、支持和服務(wù)、資本和金融四大業(yè)務(wù)板塊。油氣與新能源并舉、且列于四大業(yè)務(wù)板塊之首，中國石油蓄勢待發(fā)，向新能源領(lǐng)域堅定而行。儲能，除可實現(xiàn)能量存儲外，還具有能量轉(zhuǎn)換、調(diào)度、供給、保障等多種功能，可與風電、光伏發(fā)電、地熱能、氫能等新能源業(yè)務(wù)緊密結(jié)合，將成為能源核心中樞，在新能源系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。中國石油將儲能技術(shù)列入“十四五”科技規(guī)劃，推動儲能關(guān)鍵材料與核心技術(shù)與裝備的研發(fā)與應(yīng)用，支撐中國石油清潔替代、戰(zhàn)略接替與綠色轉(zhuǎn)型“三步走”的總體部署。

時鐘再往前撥轉(zhuǎn)，勘探院于2020年6月重新整合，新能源研究中心破土而出，下設(shè)地熱、伴生資源、氫能、儲能等業(yè)務(wù)板塊，加速新能源業(yè)務(wù)發(fā)展進程。在研究中心副主任金旭博士帶領(lǐng)下，王曉琦作為儲能與新材料研發(fā)部負責人，全力推動儲能技術(shù)的攻關(guān)研究工作。

儲能與新材料研發(fā)團隊是一支年輕的團隊，共10人，平均年齡35歲，他們懷著“為中國石油開發(fā)自主知識產(chǎn)權(quán)儲能裝備”夢想相聚到一起。2021年底，團隊在鋰電池電芯技術(shù)上獲得重要突破，并制得第一批新型鋰離子電池。也是這一年，儲能新材料相關(guān)課題確立，團隊在人才配置、實驗條件、經(jīng)費支持等步入快車道。

在不確定性中，享受科研樂趣

“當時，我們只準備了一些攪拌器、水熱釜等基礎(chǔ)研究器材”。2016年，在勘探院實驗區(qū)一區(qū)一間不起眼的實驗室內(nèi)，王曉琦、李建明等人的電化學儲能研究之路就此開始。

對于儲能技術(shù)而言，抽水蓄能、電化學儲能、壓縮空氣儲能、氫儲能等都是重要的技術(shù)方向。針對中國石油的應(yīng)用場景，王曉琦等人開啟了電化學儲能之路。電化學儲能技術(shù)是指通過化學電池，利用電化學反應(yīng)進行化學能與電能之間相互轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)電能的大規(guī)模儲存和釋放的技術(shù)。

彼時，清華大學材料學碩士研究生畢業(yè)的王曉琦與北京大學物理化學專業(yè)博士研究生畢業(yè)的李建明經(jīng)常探討新能源新材料領(lǐng)域的相關(guān)話題。盡管他們從事的是油氣儲層表征研究相關(guān)工作，主要工作內(nèi)容是研究地下油氣儲層巖心中的孔隙結(jié)構(gòu)、含油性等等，但相近學術(shù)背景、相似志趣的他們不約而同關(guān)注著材料學領(lǐng)域的前沿動態(tài)。

中國石油勘探開發(fā)研究院領(lǐng)導時常鼓勵院里年輕人積極接觸新領(lǐng)域、開闊思路，關(guān)注新能源發(fā)展，這都為院里年輕科研人員培植創(chuàng)新土壤和科研氛圍。2016年，在勘探院各級領(lǐng)導支持下，勘探院成立了“創(chuàng)客小組”，金旭、李建明、王曉琦等人主動加入，在工作之余，聚焦電池電極材料等新能源新材料方向開展探索和研究。

在金旭的帶領(lǐng)下，儲能小組與北京大學、中國科學技術(shù)大學、中國科學院化學研究所、北京理工大學等多名儲能研究專家學習交流，在三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池、鋰硫電池、鋰空氣電池等多種電化學儲能技術(shù)路徑中進行深入分析、優(yōu)選技術(shù)方向。

主力油田往往分布在野外偏遠地帶，氣候環(huán)境較為惡劣，對電池的安全性、耐低溫、耐高溫性能等提出較高要求。李建明在研究生階段，對鈦酸鋰電池有了一定認識，這類電池工作溫度范圍寬、能快速充放電、循環(huán)使用壽命長，很適合中國石油工程裝備的儲能需求。

經(jīng)過大量調(diào)研、數(shù)據(jù)比對，儲能小組確立了高功率鋰離子電池的技術(shù)方向，而電化學儲能最關(guān)鍵的是基礎(chǔ)材料，于是決定從材料研發(fā)開始做起?！安牧系暮铣膳c表征，也是我們較為擅長的領(lǐng)域”，王曉琦說。就這樣，選好切入點后，他們在10平方米左右的一處“小天地”，開啟電化學儲能的科研征程。

攻關(guān)初期，一度住在勘探院附近的李建明、王曉琦，常常在下班后和周末時間泡在實驗室。艱苦的實驗條件讓科研進程變得緩慢，他們曾參與建設(shè)過勘探院里一流的石油地質(zhì)研究實驗室——國家能源致密油氣研發(fā)中心，“儀器設(shè)備之先進可以說武裝到牙齒”，而回到研究鋰離子電池略顯局促的現(xiàn)實里，他們常常遭遇廉價設(shè)備溫度定不準、不穩(wěn)定等窘境，在一次次調(diào)試、校準中，不斷堅持、力求突破。遇到無法進行的測試，他們就將材料外送至高校測試中心，排隊等待測試。

2017年初，為了提升理論水平，王曉琦專門申請攻讀北京理工大學化學與化工專業(yè)在職博士，師從副校長、高能量物質(zhì)前沿科學中心主任王博。選擇專業(yè)方向時，他考慮到，“化學與化工知識既可以用于油氣領(lǐng)域，也可以做新能源領(lǐng)域的探索”。

讀博伊始，王曉琦常常奔波于大半個北京城，每逢晚間博士小組課題討論，他開車從北四環(huán)的工作地點，趕到位于北京市區(qū)南邊的良鄉(xiāng)校區(qū)，討論結(jié)束后，再披著月光回到東五環(huán)的居所，第二天一早再到工作崗位。身體的困倦，他并不太在意，縈繞于他腦中的，是如何將學到的技術(shù)應(yīng)用到油氣和新能源領(lǐng)域，以及如何將實驗室一點點搭建起來?！皩嶒炦€是要盡可能靠自己來做”，他和團隊成員日復一日堅持著。2018年，在勘探院院領(lǐng)導幫助下，儲能創(chuàng)客小組獲得第一筆啟動經(jīng)費，買來第一臺手套箱，這是制備電池的必備設(shè)備，團隊成員都很興奮。

優(yōu)化再優(yōu)化，“寶石花”里的回答

“我們必須要做出一款電池！”這是團隊成員鉚足了勁兒扎在實驗室時共同的心愿。制作一塊電池的工藝頗為復雜，需要正負極、隔膜、電解液、集流體、外殼等各類材料，以及十幾道工藝。開發(fā)一款新電池，最關(guān)鍵的是制備電極材料，然后將其變?yōu)闈{體，涂布在銅膜或鋁膜上，之后再進行烘烤、滾壓、切片、卷繞，再進行注液、封裝、測試……

制作電極材料可以說是第一步，也是最為關(guān)鍵的一步。王曉琦回憶，“一開始沒有那么難，但是比較花費時間。比較難的地方在于材料的優(yōu)化、實驗方法的優(yōu)化，以及如何最終獲得性能最優(yōu)的材料”。

為了獲得最優(yōu)性能的材料，李建明、王曉琦一次次進行實驗，不斷調(diào)控反應(yīng)物類型，溶液的濃度、溫度，攪拌速度，加入試劑的順序，做了大量實驗。在材料合成階段，李建明的“苛刻”和“完美主義”影響著團隊。當制作出的材料形貌基本符合要求，但卻不夠精細時，李建明要求“重新合成”。

關(guān)于初代電池樣品，團隊選定最常規(guī)的款式18650型（直徑為18毫米，長度65毫米，0表示圓柱形），這也是初代特斯拉公司采用的松下電池的型號。在獲得較為理想的克級實驗材料后，他們首先需要完成的是等效放大，獲得公斤級的材料。沒有專業(yè)的材料制備設(shè)備，他們就從市場上買來十幾個簡易的收納箱當作清洗設(shè)備，材料清洗環(huán)節(jié)靠人工完成。每一次材料制作，需要不斷沖洗，團隊成員焦航抱著重達30公斤的箱子反復移動、舉放、換液，就這樣堅持了近一個月，最終獲得了一公斤材料。

獲得材料后，為了制成電池，他們聯(lián)系到深圳一家提供電芯科研級制備服務(wù)的企業(yè)，開展電芯半自動化的加工制備。能找到一家愿意提供中試級實驗設(shè)備與場地的企業(yè)也不易，大多數(shù)大型電芯廠商不提供科研試驗線，也不會因為小批量的電芯制造而停止自動化生產(chǎn)線。在2021年尾聲，第一批100余顆電池樣品制作而成。“這個數(shù)量并不多，因為是半人工流水線，工藝不是很成熟，部分環(huán)節(jié)不好控制，導致次品率也較高”，王曉琦回憶，“但對于團隊而言，最重要的是摸清并全面掌握了18650電芯制備工藝?！?/p>

關(guān)于電池外包裝，王曉琦與設(shè)計公司反復調(diào)試，數(shù)易其稿，最終制作出最接近中石油“寶石花”顏色的外觀。明亮的橙色，詮釋著石油人永不言棄、銳意進取的拼搏朝氣。這是勘探院第一代電池樣品，團隊將其命名為“RIPED-LTO-001”，這是從0到1的跨越。電池拿在手上，多年以來的辛苦與堅持，在這一刻有了答案與回應(yīng)。

一次會議，儲能團隊在討論集團科技發(fā)展規(guī)劃時，介紹了新近研制而成的電池，這支各方面條件都不甚成熟的團隊，贏得了領(lǐng)導肯定。

研制儲能電池的道路，團隊仍在跋涉探索之中，雖時有坎坷與困難，但他們的干事勁頭足，不待揚鞭自奮蹄，只為心中的憧憬與肩上的使命。團隊成員認準了這個“朝陽產(chǎn)業(yè)”，“我們身處能源行業(yè)，可以明顯地看到傳統(tǒng)石油公司轉(zhuǎn)型的決心，這也符合全球能源行業(yè)的發(fā)展趨勢。能真正做出可以應(yīng)用的新能源裝備，給人的成就感也是不一樣的，當然這是一個非常復雜的事情”。隨著團隊新力量不斷加入，儲能團隊氛圍更加活躍，充滿朝氣。

向著心中的蔚藍遠航

2021年，中國石油設(shè)立新能源領(lǐng)域儲能科技項目，涵蓋儲能領(lǐng)域多種技術(shù)路徑。王曉琦說：“這類課題，以基礎(chǔ)超前研究與關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)為主，也符合我們現(xiàn)在發(fā)展的狀態(tài)?！眻F隊不僅聚焦在耐低溫、高功率電池，盡管團隊人員并不多，但他們盡可能將科研觸角延伸至更多儲能領(lǐng)域，比如低成本、長壽命、本質(zhì)安全的電化學儲能技術(shù)，以及儲能安全監(jiān)測與控制等研究熱點方向。

同年8月，熊俐慧、白盛池、溫文等年輕人加入中國石油大家庭。依托中國石油勘探院“青苗”培養(yǎng)計劃，他們系統(tǒng)了解勘探院各個研究方向、崗位職能，并到油田一線調(diào)研學習。他們迅速熟悉各個既陌生又具有挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域，也為下一步科研創(chuàng)新打下基礎(chǔ)。11月，三人同時被分派至儲能研發(fā)團隊，也從側(cè)面印證勘探院對新能源中心儲能業(yè)務(wù)發(fā)展的支持。

白盛池本科與研究生就讀于浙江大學材料科學與工程學院，2021年獲得材料物理與化學博士學位。讀博期間，他認為最重要的收獲，是建立系統(tǒng)性思維，快速找到科研問題和解決方法。

入職至今，白盛池將興趣和精力投入在本質(zhì)安全電池領(lǐng)域?！皹I(yè)內(nèi)，大家會比較擔心電池安全性、鋰資源儲量，而本質(zhì)安全的‘非鋰離子電池很好地應(yīng)對了這兩方面問題，適用于中國石油未來風光發(fā)電配套儲能的需求?！卑资⒊刂毖?，“我本身學材料出身，對電化學比較感興趣，很希望能在實現(xiàn)‘雙碳目標、發(fā)展清潔電力方面貢獻自己的力量?！?/p>

白盛池積極開展勘探院與香港城市大學的合作項目，向合作伙伴學習實驗與測試方法，開展負極材料改性與新型摻雜正極材料合成等實驗研究?？焖偬嵘蒲心芰退?、早日成為獨當一面的專業(yè)技術(shù)人員，白盛池為此努力著。

另一名團隊成員熊俐慧畢業(yè)于北京大學化學學院，直博攻讀無機化學專業(yè)，獲得博士學位。來到勘探院后，她并沒有從事與無機化學相關(guān)的研究，而是加入儲能團隊，投身大規(guī)模電化學儲能這一全新領(lǐng)域?！半m然我沒有接觸過這個方向，但這也是一個從頭學習的機會”，熊俐慧主動聯(lián)系不同高校教授、領(lǐng)域內(nèi)專家，拓展外協(xié)合作與交流機會，尋求科研突破口，“科研狀態(tài)完全不同于學校，校園里會有老師帶著你、給你資料，在這里需要你更加主動展開各項工作。”

不久前，熊俐慧搭建起單電池測試系統(tǒng)，也與外部高校課題組建立起聯(lián)系。“在中石油勘探院工作，我們不光是要做基礎(chǔ)研究，將來還要把成果落地。我們的目的是能在油田里搭建并運行低成本、高安全的大規(guī)模電化學儲能?！毙芾壅f。