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中科院青島能源所:深耕固態(tài)電池關鍵技術(shù) 追夢深海特種電源系統(tǒng)

   2021-02-03 中國科學報廖洋 韓鵬獻17700
核心提示:記中科院青島能源所固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心黨小組100年前,一批熱血愛國青年為拯救水深火熱的中華民族在青島點燃了五四火炬;100年
——記中科院青島能源所固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心黨小組

100年前,一批熱血愛國青年為拯救水深火熱的中華民族在青島點燃了“五四火炬”;100年后,在這片創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的熱土上,一批新時代的青年科學家在這里落地生根,科技創(chuàng)新的力量在這里蓬勃發(fā)展。


崔光磊團隊工作剪影


崔光磊團隊開發(fā)“青能-Ⅰ”固態(tài)電池系統(tǒng)為“萬泉”號著陸器提供動力支撐

中國科學院青島生物能源與過程研究所固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心黨小組在該所黨委的領導下,以“愛國、創(chuàng)新、求實、奉獻、協(xié)同、育人”的新時代科學家精神為指引,面向國家深海裝備重大戰(zhàn)略需求,積極發(fā)揮黨員先鋒模范作用,深耕固態(tài)電池關鍵技術(shù)、聚焦深海特種電源系統(tǒng)。

歷經(jīng)11年科研攻關,固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心黨小組在國際上首創(chuàng)“剛?cè)岵?rdquo;聚合物復合固態(tài)電解質(zhì),秉承“功(率)能(量)兼?zhèn)?rdquo;的系統(tǒng)設計理念,開發(fā)出具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的高比能、高安全、高耐深海壓、長使役壽命的固態(tài)鋰電池及深海特種電源系統(tǒng)。在中國科學院深??茖W與工程研究所的支持和合作下,該系統(tǒng)率先在馬里亞納海溝實現(xiàn)全海深應用,為國家深海環(huán)境探測、科學研究提供了強有力的能源技術(shù)支撐,在國際上開創(chuàng)了高比能固態(tài)鋰電池特種電源系統(tǒng)深海智能裝備應用新局面。

齊心協(xié)力 科技報國

固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心由該所研究員崔光磊于2009年組建,是2020年研究所進行科研組織架構(gòu)調(diào)整后首批成立的組群之一。該中心黨員占比59.5%,其中副高及以上人員中黨員占比64.7%,課題負責人中黨員占比66.7%。該中心在研究所黨委指導下成立了黨小組,形成了一支材料、電化學、高分子化學、機械、電子、理論計算與模擬等多學科交叉融合的黨員先鋒模范隊伍。

在黨旗的召喚和引領下,這支以黨員為“主力軍”的科研隊伍始終面向國家重大戰(zhàn)略需求,瞄準固態(tài)鋰電池共性科學性關鍵問題,搭建國際一流的深海固態(tài)鋰電池研發(fā)裝備平臺,攻關關鍵材料、器件研發(fā)和系統(tǒng)集成技術(shù),形成了以“剛?cè)岵?rdquo;聚合物固態(tài)電解質(zhì)關鍵材料和原位固態(tài)化界面融合核心技術(shù)的技術(shù)包,開發(fā)了深海特種固態(tài)電源系統(tǒng)為特色的完整技術(shù)體系。

據(jù)統(tǒng)計,黨小組組長崔光磊帶領團隊累計申請固態(tài)鋰電池技術(shù)相關的國家專利97項,其中授權(quán)發(fā)明專利54項,授權(quán)實用新型專利14項,申請PCT專利6項,突破并形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的關鍵技術(shù)和核心產(chǎn)品,極大提升了該黨小組在深海特種電源系統(tǒng)方面的核心競爭力。他們在重大科研攻關任務中沖鋒在前、勇?lián)厝?,團隊齊心協(xié)力、擰成一股繩,攻堅克難。

腳踏實地 努力開拓


黨小組一直秉承“知行合一、不忘初心”的理念。崔光磊帶領黨員立下了未來發(fā)展的三大核心目標:成為電化學能源材料與器件領域國際一流的研究隊伍;在關鍵材料和核心技術(shù)方面取得突破;將自主知識產(chǎn)權(quán)技術(shù)服務于國家重大需求并支撐地方經(jīng)濟,利器添翼、良工謀事。

針對傳統(tǒng)聚環(huán)氧乙烷固態(tài)聚合物電解質(zhì)存在的室溫離子電導率低、電化學窗口窄、力學強度差等諸多瓶頸問題,崔光磊帶領黨員吳天元、周倩、張煥瑞通過一系列的探索,獨辟蹊徑,首次提出“剛?cè)岵?rdquo;聚合物復合固態(tài)電解質(zhì)設計理念,實現(xiàn)了固態(tài)聚合物電解質(zhì)綜合性能的全面提升。該理念一經(jīng)提出,便引起國際同行廣泛關注,得到了聚合物電解質(zhì)創(chuàng)始人Armand 以及2019年諾貝爾化學獎獲得者Goodenough的高度評價。

為進一步解決應用難題,崔光磊又與團隊的青年黨員張建軍,研發(fā)骨干韓鵬獻、劉海勝、馬君共同提出了原位固態(tài)化界面融合技術(shù),有效解決了固態(tài)鋰電池固/固界面?zhèn)鬏斃щy和多重界面載流子傳輸失效等問題。

在此基礎上,青年黨員董杉木、鞠江偉、崔子立等人又發(fā)展低溫熔鹽原位固化技術(shù),解決了液態(tài)前驅(qū)體聚合度低帶來的安全和副反應問題;同時,利用分子間超分子作用大幅提升離子傳導和界面躍遷,完善了離子多相界面滲流傳輸理論體系,獲得了2018年山東省自然科學獎一等獎。

黨小組在聚合物復合電解質(zhì)固態(tài)電池領域取得的一系列開創(chuàng)性成果,引起了國內(nèi)外知名公司的廣泛關注。2013年起,他們先后吸引了德國兩家跨國公司,共同合作開發(fā)剛?cè)岵虘B(tài)聚合物電解質(zhì)關鍵材料。2015年起,他們與上市公司江蘇中天儲能科技有限公司開展固態(tài)鋰電池技術(shù)合作,將本項目技術(shù)理念用于該公司提升電池產(chǎn)品的比能量、安全性及循環(huán)壽命等各項指標,在大型儲能電站、后備電源等產(chǎn)品中得以推廣應用。

矢志不渝 突破核心技術(shù)


習近平總書記指出:“實踐反復告訴我們,關鍵核心技術(shù)是要不來、買不來、討不來的。只有把關鍵核心技術(shù)掌握在自己手中,才能從根本上保障國家經(jīng)濟安全、國防安全和其他安全。”

黨小組多次集中、深入學習總書記的重要講話并以此為指導,以深海特種電源產(chǎn)業(yè)化關鍵技術(shù)作為工作的重中之重。

從2016年起,該黨小組先后得到了國家自然科學杰出青年基金、國家自然科學基金—山東省聯(lián)合基金、科技部國家重點研發(fā)計劃新能源汽車專項、中科院戰(zhàn)略性先導專項A類和B類項目等重大項目支持,不斷將基礎研究成果轉(zhuǎn)化為解決國家需求的關鍵技術(shù),履行新時代科技工作者的使命擔當。

從2011年起,黨小組發(fā)揚艱苦奮斗的光榮傳統(tǒng),將有限的經(jīng)費悉數(shù)投入到產(chǎn)業(yè)化項目上去。他們自立更生,先后建立了小試和中試生產(chǎn)線,目前正在建設年產(chǎn)100MWh的固態(tài)鋰電池智能化生產(chǎn)線,全面推進特種固態(tài)鋰電池電源系統(tǒng)向縱深方向發(fā)展。

經(jīng)過無數(shù)個日日夜夜的不斷嘗試和反復驗證,崔光磊帶領團隊努力攻關,研制出單體能量密度200Wh/kg到300Wh/kg、單體容量可調(diào)的系列化固態(tài)鋰電池產(chǎn)品;在國家重點研發(fā)計劃支持下,研制出比能量達350Wh/kg的固態(tài)鋰電池產(chǎn)品;2020年又開發(fā)出能量密度526Wh/kg的固態(tài)鋰金屬電池——能量密度一次次伴隨著他們的汗水而升級刷新。

針對傳統(tǒng)鋰離子電池動力系統(tǒng)能量密度不能滿足長續(xù)航需求、安全性差、動力性不足等瓶頸問題,固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心黨小組廣大黨員秉持著勇于擔當、敢為人先的創(chuàng)新精神,在“十二五”科技部“863”研究課題支持下,團結(jié)協(xié)力研制出高比功率、長壽命鋰離子電容器,構(gòu)建了基于高比能固態(tài)鋰電池與高比功率鋰離子電容器的具有三模式智能控制系統(tǒng)“功(率)能(量)兼?zhèn)?rdquo;的雙電源動力集成系統(tǒng),為特種裝備提供高功率低溫啟動、制動能量回收、長續(xù)航、長壽命的動力系統(tǒng)解決方案。

挑戰(zhàn)自我 勇攀高峰

黨小組不斷增強“四個意識”,堅定“四個自信”,自覺做到“兩個維護”,大力發(fā)揚“恪盡職守,忘我無私”的團隊精神,充分發(fā)揮黨員的核心骨干作用,帶動研究組全體成員開拓創(chuàng)新,自我突破。崔光磊帶領團隊,攜手中國科學院深??茖W與工程研究所,在深海特種電池應用方面取得了一系列開創(chuàng)性成果。

從2015年10月起,團隊開始向中國科學院深??茖W與工程研究所提供深海特種固態(tài)鋰電池系統(tǒng)產(chǎn)品。全海深高壓環(huán)境模擬在線壓力試驗顯示,固態(tài)鋰電池系統(tǒng)在121 MPa全海深模擬極端壓力下完整無變形,并且對外供電正常。其所開發(fā)的“青能-Ⅰ”固態(tài)鋰電池電源系統(tǒng)隨TS03航次科考船遠赴馬里亞納海溝,為“萬泉”號著陸器控制系統(tǒng)及CCD傳感器提供能源,累計完成9次下潛,其中6次超過10000米,最大工作水深10901米,累計坐底工作時間98.5小時。這標志著我國成功突破了全海深電源技術(shù)瓶頸,填補了國際全海深高能量密度深海電源技術(shù)的空白。

2018年8到10月,在中國科學院深??茖W與工程研究所支持下,開發(fā)的模塊化固態(tài)電源系統(tǒng)隨TS09航次科考船再次遠赴馬里亞納海溝,為天涯、海角、萬泉等全海深著陸器提供能源動力,共計完成27個潛次的作業(yè),15次下潛深度超過萬米,最大下潛深度10918米,單次下潛最長作業(yè)時間26天10小時43分鐘,創(chuàng)世界上單次連續(xù)作業(yè)紀錄。

2018年12月至2019年6月,研制的高能量固態(tài)鋰電池系統(tǒng)完成了南海坐底作業(yè),實現(xiàn)了長達198天的持續(xù)無故障運行,為長潛伏“金雞”著陸器提供了可靠的能源保障,證明了固態(tài)鋰電池及BMS系統(tǒng)具有卓越的低放電率和低功耗特性。

2020年11月,全海深固態(tài)鋰電池系統(tǒng)為全球首次全海深視頻直播提供能源保障。該系統(tǒng)為中國科學院深??茖W與工程研究所“滄海”號視頻著陸器提供了充足的能量動力,成功保障了“滄海”與“奮斗者”的萬米深海聯(lián)合作業(yè),視頻見證“奮斗者”成功標注了中國載人深潛新坐標。同段時間,高功率固態(tài)鋰電池系統(tǒng)為“鹿嶺”多位點著陸器提供了大功率、長航時的能源動力,成功完成多位點、長距離的浮游作業(yè),突破了國外大功率深海電源技術(shù)封鎖。

自2015年至今,崔光磊已帶領團隊黨員們累計為各類深海科考裝備用戶提供了68批次固態(tài)鋰電池電源系統(tǒng)。5年內(nèi),研制的全海深電源系統(tǒng)實現(xiàn)零故障應用,表明我國深海裝備用全海深電源系統(tǒng)技術(shù)已趨于成熟,為我國深海事業(yè)發(fā)展提供了安全、可靠、零事故運行的特種電源保障。

牢記使命 砥礪前行

2021年是中國共產(chǎn)黨建黨100周年,百年奮斗、繼往開來。

2021年也是我國“十四五”開局之年。站在新的起點,迎接新的任務,面對新的挑戰(zhàn),針對深海裝備智能化與集群化發(fā)展對先進電源系統(tǒng)的工況要求,固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心黨小組將響應新時代的號召,不忘初心、牢記使命,不斷提升深海特種電池品質(zhì),為深海裝備提供更加安全、更加高效的能源動力供給,大幅提升我國深海裝備的續(xù)航能力和水平,將科研成果書寫在祖國大地上。 
 
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