中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院儲(chǔ)能新材料研發(fā)團(tuán)隊(duì) 鍛造蔚藍(lán)之“芯”

王碧清

今年4月，中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院（簡(jiǎn)稱“勘探院”）新能源研究中心儲(chǔ)能新材料研發(fā)團(tuán)隊(duì)取得了突破性進(jìn)展，研制出性能優(yōu)越的高功率鋰離子電池負(fù)極材料，為鋰離子電池快充研究開(kāi)辟新的技術(shù)思路和發(fā)展方向，成果刊登在國(guó)際頂級(jí)期刊《先進(jìn)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(píng)價(jià)和肯定，讓王曉琦等人心頭一暖。王曉琦帶領(lǐng)的儲(chǔ)能團(tuán)隊(duì)倍感喜悅，也得到了勘探院表彰。

2021年4月，中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司（簡(jiǎn)稱“中國(guó)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(guó)石油蓄勢(shì)待發(fā)，向新能源領(lǐng)域堅(jiān)定而行。儲(chǔ)能，除可實(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ)外，還具有能量轉(zhuǎn)換、調(diào)度、供給、保障等多種功能，可與風(fēng)電、光伏發(fā)電、地?zé)崮堋淠艿刃履茉礃I(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(guó)石油將儲(chǔ)能技術(shù)列入“十四五”科技規(guī)劃，推動(dòng)儲(chǔ)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(guó)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(shí)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?zé)帷樯Y源、氫能、儲(chǔ)能等業(yè)務(wù)板塊，加速新能源業(yè)務(wù)發(fā)展進(jìn)程。在研究中心副主任金旭博士帶領(lǐng)下，王曉琦作為儲(chǔ)能與新材料研發(fā)部負(fù)責(zé)人，全力推動(dòng)儲(chǔ)能技術(shù)的攻關(guān)研究工作。

儲(chǔ)能與新材料研發(fā)團(tuán)隊(duì)是一支年輕的團(tuán)隊(duì)，共10人，平均年齡35歲，他們懷著“為中國(guó)石油開(kāi)發(fā)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)儲(chǔ)能裝備”夢(mèng)想相聚到一起。2021年底，團(tuán)隊(duì)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(chǔ)能新材料相關(guān)課題確立，團(tuán)隊(duì)在人才配置、實(shí)驗(yàn)條件、經(jīng)費(fèi)支持等步入快車道。

在不確定性中，享受科研樂(lè)趣

“當(dāng)時(shí)，我們只準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)區(qū)一區(qū)一間不起眼的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，王曉琦、李建明等人的電化學(xué)儲(chǔ)能研究之路就此開(kāi)始。

對(duì)于儲(chǔ)能技術(shù)而言，抽水蓄能、電化學(xué)儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、氫儲(chǔ)能等都是重要的技術(shù)方向。針對(duì)中國(guó)石油的應(yīng)用場(chǎng)景，王曉琦等人開(kāi)啟了電化學(xué)儲(chǔ)能之路。電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)是指通過(guò)化學(xué)電池，利用電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行化學(xué)能與電能之間相互轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)電能的大規(guī)模儲(chǔ)存和釋放的技術(shù)。

彼時(shí)，清華大學(xué)材料學(xué)碩士研究生畢業(yè)的王曉琦與北京大學(xué)物理化學(xué)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(chǔ)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(chǔ)層巖心中的孔隙結(jié)構(gòu)、含油性等等，但相近學(xué)術(shù)背景、相似志趣的他們不約而同關(guān)注著材料學(xué)領(lǐng)域的前沿動(dòng)態(tài)。

中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院領(lǐng)導(dǎo)時(shí)常鼓勵(lì)院里年輕人積極接觸新領(lǐng)域、開(kāi)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(jí)領(lǐng)導(dǎo)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(dòng)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(kāi)展探索和研究。

在金旭的帶領(lǐng)下，儲(chǔ)能小組與北京大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所、北京理工大學(xué)等多名儲(chǔ)能研究專家學(xué)習(xí)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(xué)儲(chǔ)能技術(shù)路徑中進(jìn)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(yuǎn)地帶，氣候環(huán)境較為惡劣，對(duì)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(duì)鈦酸鋰電池有了一定認(rèn)識(shí)，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(zhǎng)，很適合中國(guó)石油工程裝備的儲(chǔ)能需求。

經(jīng)過(guò)大量調(diào)研、數(shù)據(jù)比對(duì)，儲(chǔ)能小組確立了高功率鋰離子電池的技術(shù)方向，而電化學(xué)儲(chǔ)能最關(guān)鍵的是基礎(chǔ)材料，于是決定從材料研發(fā)開(kāi)始做起。“材料的合成與表征，也是我們較為擅長(zhǎng)的領(lǐng)域”，王曉琦說(shuō)。就這樣，選好切入點(diǎn)后，他們?cè)?0平方米左右的一處“小天地”，開(kāi)啟電化學(xué)儲(chǔ)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(shí)間泡在實(shí)驗(yàn)室。艱苦的實(shí)驗(yàn)條件讓科研進(jìn)程變得緩慢，他們?cè)鴧⑴c建設(shè)過(guò)勘探院里一流的石油地質(zhì)研究實(shí)驗(yàn)室——國(guó)家能源致密油氣研發(fā)中心，“儀器設(shè)備之先進(jìn)可以說(shuō)武裝到牙齒”，而回到研究鋰離子電池略顯局促的現(xiàn)實(shí)里，他們常常遭遇廉價(jià)設(shè)備溫度定不準(zhǔn)、不穩(wěn)定等窘境，在一次次調(diào)試、校準(zhǔn)中，不斷堅(jiān)持、力求突破。遇到無(wú)法進(jìn)行的測(cè)試，他們就將材料外送至高校測(cè)試中心，排隊(duì)等待測(cè)試。

2017年初，為了提升理論水平，王曉琦專門申請(qǐng)攻讀北京理工大學(xué)化學(xué)與化工專業(yè)在職博士，師從副校長(zhǎng)、高能量物質(zhì)前沿科學(xué)中心主任王博。選擇專業(yè)方向時(shí)，他考慮到，“化學(xué)與化工知識(shí)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(gè)北京城，每逢晚間博士小組課題討論，他開(kāi)車從北四環(huán)的工作地點(diǎn)，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(xué)到的技術(shù)應(yīng)用到油氣和新能源領(lǐng)域，以及如何將實(shí)驗(yàn)室一點(diǎn)點(diǎn)搭建起來(lái)。“實(shí)驗(yàn)還是要盡可能靠自己來(lái)做”，他和團(tuán)隊(duì)成員日復(fù)一日?qǐng)?jiān)持著。2018年，在勘探院院領(lǐng)導(dǎo)幫助下，儲(chǔ)能創(chuàng)客小組獲得第一筆啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)，買來(lái)第一臺(tái)手套箱，這是制備電池的必備設(shè)備，團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)成員鉚足了勁兒扎在實(shí)驗(yàn)室時(shí)共同的心愿。制作一塊電池的工藝頗為復(fù)雜，需要正負(fù)極、隔膜、電解液、集流體、外殼等各類材料，以及十幾道工藝。開(kāi)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(jìn)行烘烤、滾壓、切片、卷繞，再進(jìn)行注液、封裝、測(cè)試……

制作電極材料可以說(shuō)是第一步，也是最為關(guān)鍵的一步。王曉琦回憶，“一開(kāi)始沒(méi)有那么難，但是比較花費(fèi)時(shí)間。比較難的地方在于材料的優(yōu)化、實(shí)驗(yàn)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)。在材料合成階段，李建明的“苛刻”和“完美主義”影響著團(tuán)隊(duì)。當(dāng)制作出的材料形貌基本符合要求，但卻不夠精細(xì)時(shí)，李建明要求“重新合成”。

關(guān)于初代電池樣品，團(tuán)隊(duì)選定最常規(guī)的款式18650型（直徑為18毫米，長(zhǎng)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(hào)。在獲得較為理想的克級(jí)實(shí)驗(yàn)材料后，他們首先需要完成的是等效放大，獲得公斤級(jí)的材料。沒(méi)有專業(yè)的材料制備設(shè)備，他們就從市場(chǎng)上買來(lái)十幾個(gè)簡(jiǎn)易的收納箱當(dāng)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(tuán)隊(duì)成員焦航抱著重達(dá)30公斤的箱子反復(fù)移動(dòng)、舉放、換液，就這樣堅(jiān)持了近一個(gè)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(jí)制備服務(wù)的企業(yè)，開(kāi)展電芯半自動(dòng)化的加工制備。能找到一家愿意提供中試級(jí)實(shí)驗(yàn)設(shè)備與場(chǎng)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(yàn)線，也不會(huì)因?yàn)樾∨康碾娦局圃於Ｖ棺詣?dòng)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(gè)數(shù)量并不多，因?yàn)槭前肴斯ち魉€，工藝不是很成熟，部分環(huán)節(jié)不好控制，導(dǎo)致次品率也較高”，王曉琦回憶，“但對(duì)于團(tuán)隊(duì)而言，最重要的是摸清并全面掌握了18650電芯制備工藝。”

關(guān)于電池外包裝，王曉琦與設(shè)計(jì)公司反復(fù)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(jìn)取的拼搏朝氣。這是勘探院第一代電池樣品，團(tuán)隊(duì)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(lái)的辛苦與堅(jiān)持，在這一刻有了答案與回應(yīng)。

一次會(huì)議，儲(chǔ)能團(tuán)隊(duì)在討論集團(tuán)科技發(fā)展規(guī)劃時(shí)，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(tuán)隊(duì)，贏得了領(lǐng)導(dǎo)肯定。

研制儲(chǔ)能電池的道路，團(tuán)隊(duì)仍在跋涉探索之中，雖時(shí)有坎坷與困難，但他們的干事勁頭足，不待揚(yáng)鞭自?shī)^蹄，只為心中的憧憬與肩上的使命。團(tuán)隊(duì)成員認(rèn)準(zhǔn)了這個(gè)“朝陽(yáng)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(shì)。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(dāng)然這是一個(gè)非常復(fù)雜的事情”。隨著團(tuán)隊(duì)新力量不斷加入，儲(chǔ)能團(tuán)隊(duì)氛圍更加活躍，充滿朝氣。

向著心中的蔚藍(lán)遠(yuǎn)航

2021年，中國(guó)石油設(shè)立新能源領(lǐng)域儲(chǔ)能科技項(xiàng)目，涵蓋儲(chǔ)能領(lǐng)域多種技術(shù)路徑。王曉琦說(shuō)：“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)。”團(tuán)隊(duì)不僅聚焦在耐低溫、高功率電池，盡管團(tuán)隊(duì)人員并不多，但他們盡可能將科研觸角延伸至更多儲(chǔ)能領(lǐng)域，比如低成本、長(zhǎng)壽命、本質(zhì)安全的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)，以及儲(chǔ)能安全監(jiān)測(cè)與控制等研究熱點(diǎn)方向。

同年8月，熊俐慧、白盛池、溫文等年輕人加入中國(guó)石油大家庭。依托中國(guó)石油勘探院“青苗”培養(yǎng)計(jì)劃，他們系統(tǒng)了解勘探院各個(gè)研究方向、崗位職能，并到油田一線調(diào)研學(xué)習(xí)。他們迅速熟悉各個(gè)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(shí)被分派至儲(chǔ)能研發(fā)團(tuán)隊(duì)，也從側(cè)面印證勘探院對(duì)新能源中心儲(chǔ)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(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，2021年獲得材料物理與化學(xué)博士學(xué)位。讀博期間，他認(rèn)為最重要的收獲，是建立系統(tǒng)性思維，快速找到科研問(wèn)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。“業(yè)內(nèi)，大家會(huì)比較擔(dān)心電池安全性、鋰資源儲(chǔ)量，而本質(zhì)安全的‘非鋰離子電池很好地應(yīng)對(duì)了這兩方面問(wèn)題，適用于中國(guó)石油未來(lái)風(fēng)光發(fā)電配套儲(chǔ)能的需求。”白盛池直言，“我本身學(xué)材料出身，對(duì)電化學(xué)比較感興趣，很希望能在實(shí)現(xiàn)‘雙碳目標(biāo)、發(fā)展清潔電力方面貢獻(xiàn)自己的力量。”

白盛池積極開(kāi)展勘探院與香港城市大學(xué)的合作項(xiàng)目，向合作伙伴學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)與測(cè)試方法，開(kāi)展負(fù)極材料改性與新型摻雜正極材料合成等實(shí)驗(yàn)研究。快速提升科研能力和水平、早日成為獨(dú)當(dāng)一面的專業(yè)技術(shù)人員，白盛池為此努力著。

另一名團(tuán)隊(duì)成員熊俐慧畢業(yè)于北京大學(xué)化學(xué)學(xué)院，直博攻讀無(wú)機(jī)化學(xué)專業(yè)，獲得博士學(xué)位。來(lái)到勘探院后，她并沒(méi)有從事與無(wú)機(jī)化學(xué)相關(guān)的研究，而是加入儲(chǔ)能團(tuán)隊(duì)，投身大規(guī)模電化學(xué)儲(chǔ)能這一全新領(lǐng)域。“雖然我沒(méi)有接觸過(guò)這個(gè)方向，但這也是一個(gè)從頭學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)”，熊俐慧主動(dòng)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(jī)會(huì)，尋求科研突破口，“科研狀態(tài)完全不同于學(xué)校，校園里會(huì)有老師帶著你、給你資料，在這里需要你更加主動(dòng)展開(kāi)各項(xiàng)工作。”

不久前，熊俐慧搭建起單電池測(cè)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(lái)還要把成果落地。我們的目的是能在油田里搭建并運(yùn)行低成本、高安全的大規(guī)模電化學(xué)儲(chǔ)能。”熊俐慧說(shuō)。