中國儲能網(wǎng)訊：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，引起廣泛關注?！澳銈兊目蒲校钦嬲膭?chuàng)新！”同事的評價和肯定，讓王曉琦等人心頭一暖。王曉琦帶領的儲能團隊倍感喜悅，也得到了勘探院表彰。
中國石油勘探開發(fā)研究院新能源研究中心儲能新材料研發(fā)部主要成員合影。自左向右：焦航、溫文、陳琳、王曉琦、白盛池、熊俐慧、楊瑞
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、資本和金融四大業(yè)務板塊。油氣與新能源并舉、且列于四大業(yè)務板塊之首，中國石油蓄勢待發(fā)，向新能源領域堅定而行。儲能，除可實現(xiàn)能量存儲外，還具有能量轉換、調度、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)務緊密結合，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列入“十四五”科技規(guī)劃，推動儲能關鍵材料與核心技術與裝備的研發(fā)與應用，支撐中國石油清潔替代、戰(zhàn)略接替與綠色轉型“三步走”的總體部署。
時鐘再往前撥轉，勘探院于2020年6月重新整合，新能源研究中心破土而出，下設地熱、伴生資源、氫能、儲能等業(yè)務板塊，加速新能源業(yè)務發(fā)展進程。在研究中心副主任金旭博士帶領下，王曉琦作為儲能與新材料研發(fā)部負責人，全力推動儲能技術的攻關研究工作。
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)權儲能裝備”夢想相聚到一起。2021年底，團隊在鋰電池電芯技術上獲得重要突破，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，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方向。針對中國石油的應用場景，王曉琦等人開啟了電化學儲能之路。電化學儲能技術是指通過化學電池，利用電化學反應進行化學能與電能之間相互轉換，實現(xiàn)電能的大規(guī)模儲存和釋放的技術。
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域的相關話題。盡管他們從事的是油氣儲層表征研究相關工作，主要工作內容是研究地下油氣儲層巖心中的孔隙結構、含油性等等，但相近學術背景、相似志趣的他們不約而同關注著材料學領域的前沿動態(tài)。
儲能團隊成員進行電池材料組裝實驗
中國石油勘探開發(fā)研究院領導時常鼓勵院里年輕人積極接觸新領域、開闊思路，關注新能源發(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。
在金旭的帶領下，儲能小組與北京大學、中國科學技術大學、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路徑中進行深入分析、優(yōu)選技術方向。
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方向，而電化學儲能最關鍵的是基礎材料，于是決定從材料研發(fā)開始做起。“材料的合成與表征，也是我們較為擅長的領域”，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，他們曾參與建設過勘探院里一流的石油地質研究實驗室——國家能源致密油氣研發(fā)中心，“儀器設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備溫度定不準、不穩(wěn)定等窘境，在一次次調試、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域，也可以做新能源領域的探索”。
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應用到油氣和新能源領域，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，不斷調控反應物類型，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)的材料制備設備，他們就從市場上買來十幾個簡易的收納箱當作清洗設備，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?！斑@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。”
關于電池外包裝，王曉琦與設計公司反復調試，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。
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，贏得了領導肯定。
中國石油勘探開發(fā)研究院第一代新型鋰離子電池樣品RIPED-LTO-001
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，中國石油設立新能源領域儲能科技項目，涵蓋儲能領域多種技術路徑。王曉琦說：“這類課題，以基礎超前研究與關鍵技術攻關為主，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域，比如低成本、長壽命、本質安全的電化學儲能技術，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，并到油田一線調研學習。他們迅速熟悉各個既陌生又具有挑戰(zhàn)性的領域，也為下一步科研創(chuàng)新打下基礎。11月，三人同時被分派至儲能研發(fā)團隊，也從側面印證勘探院對新能源中心儲能業(yè)務發(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安全電池領域?！皹I(yè)內，大家會比較擔心電池安全性、鋰資源儲量，而本質安全的‘非鋰’離子電池很好地應對了這兩方面問題，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?！?
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、領域內專家，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?！霸谥惺涂碧皆汗ぷ?，我們不光是要做基礎研究，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。
溫文畢業(yè)于中國科學院大學物理化學專業(yè)，在碩士期間，已經(jīng)開始研究鋰電池固態(tài)聚合物電解質方面的內容。一般的電解質是電解液，安全性不高，本身易燃。固態(tài)電解質很柔軟、具有一定韌性。在電池里，用一種固態(tài)的薄膜來傳導離子，很有趣，和電解液作為導體完全不同?！把芯科饋頉]有想象的容易，想要研發(fā)出全固態(tài)、性能優(yōu)越的材料非常難。通常情況下，溫度越高，固態(tài)聚合物電解質電導率越高?，F(xiàn)在不需要加熱就能使用的固態(tài)聚合物鋰電還沒有人能做到，行業(yè)里都在不斷努力，我們也朝著能在室溫下使用的目標前進?！?
在研究生階段，溫文曾一次次在實驗中努力實現(xiàn)更高的電導率，在這個過程中，她也更加明白“很多研究欲速則不達，科研進步要一步一步走”。
入職勘探院儲能團隊后，溫文將對新能源的興趣和熱愛投入到科研一線，繼續(xù)跋涉于超高安全的下一代鋰離子電池研究方向。參與撰寫儲能方向相關書稿、搭建實驗室平臺、準備科研課題……溫文等人的日子，充實而具有挑戰(zhàn)性。
在華北油田調研期間，一個周末的時間，白盛池即能完成一篇關于專利申請方面的論述初稿；其他同事在對電化學儲能領域不甚了解之初，溫文及時為團隊小伙伴答疑解惑；團隊成員在與外部相關技術較為成熟的團隊、專家學習交流時，想著是將來自己的團隊也能在該領域獲得更多突破和自主權、創(chuàng)造性做出成果……年輕人的熱情和拼勁，讓王曉琦感慨：“大家在這樣的氛圍里彼此支持，讓做科研更有意思，否則一個人悶頭在那里，可能會沒有興趣。大家相互之間既是榜樣，也是相互鼓勵的伙伴?！?
盡管李建明后來調至氫能團隊，但彼此之間常有溝通、相互支持。新伙伴很快融入其中，團隊成員之間，乃至新能源研究中心之間，得益于公司良好的機制，彼此熟悉，溝通融洽。
“這么多年來，儲能行業(yè)技術日新月異，無數(shù)的人關注。研究的團隊多、資本投入大，新技術新產(chǎn)品陸續(xù)出現(xiàn)，會有一些產(chǎn)品很快過時，給我們帶來的壓力挺大，會擔心產(chǎn)品被替代，這是我們比較糾結的地方。真正堅持我們認為對的方向，并且研發(fā)成果能真正給公司創(chuàng)造效益，這是最難的。能否做出有用的產(chǎn)品，也需要全行業(yè)來幫助驗證，是一種摸著石頭過河的感覺?！蓖鯐早f。截至2022年3月，團隊相關成果已獲得11項中國發(fā)明專利、5項國際發(fā)明專利，并發(fā)表影響因子大于10的高水平論文10篇。
為了更快速精準實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，團隊成員陳琳、楊瑞做了大量研究與交流對接工作?？碧皆盒履茉囱芯恐行穆?lián)合濟柴動力、寶石機械等集團內部裝備制造企業(yè)，共同開發(fā)電化學儲能裝備，并與吉林、青海、玉門油田等多家油田公司商討電化學儲能示范應用意向。
儲能團隊新成員在實驗室
讓團隊欣喜的是，他們已經(jīng)和吉林油田、青海油田有較好溝通，設備場地與應用場景基本落實，團隊接下來會根據(jù)對方實際用能需求配套儲能，進一步驗證自研電芯與儲能裝備的性能，并進行優(yōu)化提升?，F(xiàn)階段，電化學儲能技術在油田的示范應用仍面臨諸多挑戰(zhàn)。因為目前儲能成本仍較高，在綜合考慮安全性、油區(qū)場景適用性的基礎上，不斷降低成本也是儲能團隊極為關注、不斷努力突破的方向。
如今，儲能團隊實驗條件也在集團公司與勘探院的大力支持下，有了改變。按照公司儲能實驗平臺規(guī)劃，勘探院預計建設一條用于電池研發(fā)的中試線。下一步，團隊計劃聯(lián)合集團內部企業(yè)與外部力量，充分發(fā)揮人才、技術、資源等優(yōu)勢，進一步攻關中國石油特色電化學儲能技術，開發(fā)集裝箱式儲能裝備，為在油田推廣高安全、低成本、長壽命的儲能技術夯實基礎。團隊里的年輕人們“想公司綠色轉型之所想、急油田儲能應用之所急”，傳承與踐行石油精神和石油科學家精神，端穩(wěn)能源飯碗，蹚出一條中國石油特色儲能技術之路。
