中國石油勘探開發研究院儲能新材料研發團隊 鍛造蔚藍之“芯”

王碧清

今年4月，中國石油勘探開發研究院（簡稱“勘探院”）新能源研究中心儲能新材料研發團隊取得了突破性進展，研制出性能優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，并作為封面文章發表，引起廣泛關注。“你們的科研，是真正的創新！”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。

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、資本和金融四大業務板塊。油氣與新能源并舉、且列于四大業務板塊之首，中國石油蓄勢待發，向新能源領域堅定而行。儲能，除可實現能量存儲外，還具有能量轉換、調度、供給、保障等多種功能，可與風電、光伏發電、地熱能、氫能等新能源業務緊密結合，將成為能源核心中樞，在新能源系統中發揮重要作用。中國石油將儲能技術列入“十四五”科技規劃，推動儲能關鍵材料與核心技術與裝備的研發與應用，支撐中國石油清潔替代、戰略接替與綠色轉型“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、儲能等業務板塊，加速新能源業務發展進程。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“為中國石油開發自主知識產權儲能裝備”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，在勘探院實驗區一區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，實現電能的大規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的王曉琦與北京大學物理化學專業博士研究生畢業的李建明經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。

中國石油勘探開發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，關注新能源發展，這都為院里年輕科研人員培植創新土壤和科研氛圍。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、優選技術方向。

主力油田往往分布在野外偏遠地帶，氣候環境較為惡劣，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、循環使用壽命長，很適合中國石油工程裝備的儲能需求。

經過大量調研、數據比對，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實里，他們常常遭遇廉價設備溫度定不準、不穩定等窘境，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，他開車從北四環的工作地點，趕到位于北京市區南邊的良鄉校區，討論結束后，再披著月光回到東五環的居所，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。“實驗還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，儲能創客小組獲得第一筆啟動經費，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。

優化再優化，“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。開發一款新電池，最關鍵的是制備電極材料，然后將其變為漿體，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化、實驗方法的優化，以及如何最終獲得性能最優的材料”。

為了獲得最優性能的材料，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，材料清洗環節靠人工完成。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，他們聯系到深圳一家提供電芯科研級制備服務的企業，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也不易，大多數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線。在2021年尾聲，第一批100余顆電池樣品制作而成。“這個數量并不多，因為是半人工流水線，工藝不是很成熟，部分環節不好控制，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展規劃時，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。

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“朝陽產業”，“我們身處能源行業，可以明顯地看到傳統石油公司轉型的決心，這也符合全球能源行業的發展趨勢。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，也符合我們現在發展的狀態。”團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”培養計劃，他們系統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性的領域，也為下一步科研創新打下基礎。11月，三人同時被分派至儲能研發團隊，也從側面印證勘探院對新能源中心儲能業務發展的支持。

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。“業內，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電配套儲能的需求。”白盛池直言，“我本身學材料出身，對電化學比較感興趣，很希望能在實現‘雙碳目標、發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。快速提升科研能力和水平、早日成為獨當一面的專業技術人員，白盛池為此努力著。

另一名團隊成員熊俐慧畢業于北京大學化學學院，直博攻讀無機化學專業，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，投身大規模電化學儲能這一全新領域。“雖然我沒有接觸過這個方向，但這也是一個從頭學習的機會”，熊俐慧主動聯系不同高校教授、領域內專家，拓展外協合作與交流機會，尋求科研突破口，“科研狀態完全不同于學校，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，也與外部高校課題組建立起聯系。“在中石油勘探院工作，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、高安全的大規模電化學儲能。”熊俐慧說。