中国石油勘探开发研究院储能新材料研发团队 锻造蔚蓝之“芯”
2022-05-30王碧清
王碧清
今年4月，中国石油勘探开发研究院（简称“勘探院”）新能源研究中心储能新材料研发团队取得了突破性进展，研制出性能优越的高功率锂离子电池负极材料，为锂离子电池快充研究开辟新的技术思路和发展方向，成果刊登在国际顶级期刊《先进材料》（Advanced Materials）中，并作为封面文章发表，引起广泛关注。“你们的科研，是真正的创新！”同事的评价和肯定，让王晓琦等人心头一暖。王晓琦带领的储能团队倍感喜悦，也得到了勘探院表彰。
2021年4月，中国石油天然气集团有限公司（简称“中国石油”）组建油气和新能源、炼化销售和新材料、支持和服务、资本和金融四大业务板块。油气与新能源并举、且列于四大业务板块之首，中国石油蓄势待发，向新能源领域坚定而行。储能，除可实现能量存储外，还具有能量转换、调度、供给、保障等多种功能，可与风电、光伏发电、地热能、氢能等新能源业务紧密结合，将成为能源核心中枢，在新能源系统中发挥重要作用。中国石油将储能技术列入“十四五”科技规划，推动储能关键材料与核心技术与装备的研发与应用，支撑中国石油清洁替代、战略接替与绿色转型“三步走”的总体部署。
时钟再往前拨转，勘探院于2020年6月重新整合，新能源研究中心破土而出，下设地热、伴生资源、氢能、储能等业务板块，加速新能源业务发展进程。在研究中心副主任金旭博士带领下，王晓琦作为储能与新材料研发部负责人，全力推动储能技术的攻关研究工作。
储能与新材料研发团队是一支年轻的团队，共10人，平均年龄35岁，他们怀着“为中国石油开发自主知识产权储能装备”梦想相聚到一起。2021年底，团队在锂电池电芯技术上获得重要突破，并制得第一批新型锂离子电池。也是这一年，储能新材料相关课题确立，团队在人才配置、实验条件、经费支持等步入快车道。
在不确定性中，享受科研乐趣
“当时，我们只准备了一些搅拌器、水热釜等基础研究器材”。2016年，在勘探院实验区一区一间不起眼的实验室内，王晓琦、李建明等人的电化学储能研究之路就此开始。
对于储能技术而言，抽水蓄能、电化学储能、压缩空气储能、氢储能等都是重要的技术方向。针对中国石油的应用场景，王晓琦等人开启了电化学储能之路。电化学储能技术是指通过化学电池，利用电化学反应进行化学能与电能之间相互转换，实现电能的大规模储存和释放的技术。
彼时，清华大学材料学硕士研究生毕业的王晓琦与北京大学物理化学专业博士研究生毕业的李建明经常探讨新能源新材料领域的相关话题。尽管他们从事的是油气储层表征研究相关工作，主要工作内容是研究地下油气储层岩心中的孔隙结构、含油性等等，但相近学术背景、相似志趣的他们不约而同关注着材料学领域的前沿动态。
中国石油勘探开发研究院领导时常鼓励院里年轻人积极接触新领域、开阔思路，关注新能源发展，这都为院里年轻科研人员培植创新土壤和科研氛围。2016年，在勘探院各级领导支持下，勘探院成立了“创客小组”，金旭、李建明、王晓琦等人主动加入，在工作之余，聚焦电池电极材料等新能源新材料方向开展探索和研究。
在金旭的带领下，储能小组与北京大学、中国科学技术大学、中国科学院化学研究所、北京理工大学等多名储能研究专家学习交流，在三元锂电池、磷酸铁锂电池、锂硫电池、锂空气电池等多种电化学储能技术路径中进行深入分析、优选技术方向。
主力油田往往分布在野外偏远地带，气候环境较为恶劣，对电池的安全性、耐低温、耐高温性能等提出较高要求。李建明在研究生阶段，对钛酸锂电池有了一定认识，这类电池工作温度范围宽、能快速充放电、循环使用寿命长，很适合中国石油工程装备的储能需求。
经过大量调研、数据比对，储能小组确立了高功率锂离子电池的技术方向，而电化学储能最关键的是基础材料，于是决定从材料研发开始做起。“材料的合成与表征，也是我们较为擅长的领域”，王晓琦说。就这样，选好切入点后，他们在10平方米左右的一处“小天地”，开启电化学储能的科研征程。
攻关初期，一度住在勘探院附近的李建明、王晓琦，常常在下班后和周末时间泡在实验室。艰苦的实验条件让科研进程变得缓慢，他们曾参与建设过勘探院里一流的石油地质研究实验室——国家能源致密油气研发中心，“仪器设备之先进可以说武装到牙齿”，而回到研究锂离子电池略显局促的现实里，他们常常遭遇廉价设备温度定不准、不稳定等窘境，在一次次调试、校准中，不断坚持、力求突破。遇到无法进行的测试，他们就将材料外送至高校测试中心，排队等待测试。
2017年初，为了提升理论水平，王晓琦专门申请攻读北京理工大學化学与化工专业在职博士，师从副校长、高能量物质前沿科学中心主任王博。选择专业方向时，他考虑到，“化学与化工知识既可以用于油气领域，也可以做新能源领域的探索”。
读博伊始，王晓琦常常奔波于大半个北京城，每逢晚间博士小组课题讨论，他开车从北四环的工作地点，赶到位于北京市区南边的良乡校区，讨论结束后，再披着月光回到东五环的居所，第二天一早再到工作岗位。身体的困倦，他并不太在意，萦绕于他脑中的，是如何将学到的技术应用到油气和新能源领域，以及如何将实验室一点点搭建起来。“实验还是要尽可能靠自己来做”，他和团队成员日复一日坚持着。2018年，在勘探院院领导帮助下，储能创客小组获得第一笔启动经费，买来第一台手套箱，这是制备电池的必备设备，团队成员都很兴奋。
优化再优化，“宝石花”里的回答
“我们必须要做出一款电池！”这是团队成员铆足了劲儿扎在实验室时共同的心愿。制作一块电池的工艺颇为复杂，需要正负极、隔膜、电解液、集流体、外壳等各类材料，以及十几道工艺。开发一款新电池，最关键的是制备电极材料，然后将其变为浆体，涂布在铜膜或铝膜上，之后再进行烘烤、滚压、切片、卷绕，再进行注液、封装、测试……
制作电极材料可以说是第一步，也是最为关键的一步。王晓琦回忆，“一开始没有那么难，但是比较花费时间。比较难的地方在于材料的优化、实验方法的优化，以及如何最终获得性能最优的材料”。
为了获得最优性能的材料，李建明、王晓琦一次次进行实验，不断调控反应物类型，溶液的浓度、温度，搅拌速度，加入试剂的顺序，做了大量实验。在材料合成阶段，李建明的“苛刻”和“完美主义”影响着团队。当制作出的材料形貌基本符合要求，但却不够精细时，李建明要求“重新合成”。
关于初代电池样品，团队选定最常规的款式18650型（直径为18毫米，长度65毫米，0表示圆柱形），这也是初代特斯拉公司采用的松下电池的型号。在获得较为理想的克级实验材料后，他们首先需要完成的是等效放大，获得公斤级的材料。没有专业的材料制备设备，他们就从市场上买来十几个简易的收纳箱当作清洗设备，材料清洗环节靠人工完成。每一次材料制作，需要不断冲洗，团队成员焦航抱着重达30公斤的箱子反复移动、举放、换液，就这样坚持了近一个月，最终获得了一公斤材料。
获得材料后，为了制成电池，他们联系到深圳一家提供电芯科研级制备服务的企业，开展电芯半自动化的加工制备。能找到一家愿意提供中试级实验设备与场地的企业也不易，大多数大型电芯厂商不提供科研试验线，也不会因为小批量的电芯制造而停止自动化生产线。在2021年尾声，第一批100余颗电池样品制作而成。“这个数量并不多，因为是半人工流水线，工艺不是很成熟，部分环节不好控制，导致次品率也较高”，王晓琦回忆，“但对于团队而言，最重要的是摸清并全面掌握了18650电芯制备工艺。”
关于电池外包装，王晓琦与设计公司反复调试，数易其稿，最终制作出最接近中石油“宝石花”颜色的外观。明亮的橙色，诠释着石油人永不言弃、锐意进取的拼搏朝气。这是勘探院第一代电池样品，团队将其命名为“RIPED-LTO-001”，这是从0到1的跨越。电池拿在手上，多年以来的辛苦与坚持，在这一刻有了答案与回应。
一次会议，储能团队在讨论集团科技发展规划时，介绍了新近研制而成的电池，这支各方面条件都不甚成熟的团队，赢得了领导肯定。
研制储能电池的道路，团队仍在跋涉探索之中，虽时有坎坷与困难，但他们的干事勁头足，不待扬鞭自奋蹄，只为心中的憧憬与肩上的使命。团队成员认准了这个“朝阳产业”，“我们身处能源行业，可以明显地看到传统石油公司转型的决心，这也符合全球能源行业的发展趋势。能真正做出可以应用的新能源装备，给人的成就感也是不一样的，当然这是一个非常复杂的事情”。随着团队新力量不断加入，储能团队氛围更加活跃，充满朝气。
向着心中的蔚蓝远航
2021年，中国石油设立新能源领域储能科技项目，涵盖储能领域多种技术路径。王晓琦说：“这类课题，以基础超前研究与关键技术攻关为主，也符合我们现在发展的状态。”团队不仅聚焦在耐低温、高功率电池，尽管团队人员并不多，但他们尽可能将科研触角延伸至更多储能领域，比如低成本、长寿命、本质安全的电化学储能技术，以及储能安全监测与控制等研究热点方向。
同年8月，熊俐慧、白盛池、温文等年轻人加入中国石油大家庭。依托中国石油勘探院“青苗”培养计划，他们系统了解勘探院各个研究方向、岗位职能，并到油田一线调研学习。他们迅速熟悉各个既陌生又具有挑战性的领域，也为下一步科研创新打下基础。11月，三人同时被分派至储能研发团队，也从侧面印证勘探院对新能源中心储能业务发展的支持。
白盛池本科与研究生就读于浙江大学材料科学与工程学院，2021年获得材料物理与化学博士学位。读博期间，他认为最重要的收获，是建立系统性思维，快速找到科研问题和解决方法。
入职至今，白盛池将兴趣和精力投入在本质安全电池领域。“业内，大家会比较担心电池安全性、锂资源储量，而本质安全的‘非锂离子电池很好地应对了这两方面问题，适用于中国石油未来风光发电配套储能的需求。”白盛池直言，“我本身学材料出身，对电化学比较感兴趣，很希望能在实现‘双碳目标、发展清洁电力方面贡献自己的力量。”
白盛池积极开展勘探院与香港城市大学的合作项目，向合作伙伴学习实验与测试方法，开展负极材料改性与新型掺杂正极材料合成等实验研究。快速提升科研能力和水平、早日成为独当一面的专业技术人员，白盛池为此努力着。
另一名团队成员熊俐慧毕业于北京大学化学学院，直博攻读无机化学专业，获得博士学位。来到勘探院后，她并没有从事与无机化学相关的研究，而是加入储能团队，投身大规模电化学储能这一全新领域。“虽然我没有接触过这个方向，但这也是一个从头学习的机会”，熊俐慧主动联系不同高校教授、领域内专家，拓展外协合作与交流机会，寻求科研突破口，“科研状态完全不同于学校，校园里会有老师带着你、给你资料，在这里需要你更加主动展开各项工作。”
不久前，熊俐慧搭建起单电池测试系统，也与外部高校课题组建立起联系。“在中石油勘探院工作，我们不光是要做基础研究，将来还要把成果落地。我们的目的是能在油田里搭建并运行低成本、高安全的大规模电化学储能。”熊俐慧说。
