10月19日，由江蘇電力科學研究院自主研發(fā)的石墨烯改性防腐涂料通過了全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院電工新材料研究所的檢測。檢測結(jié)果顯示所有性能指標均超過標準要求。其中，防腐涂料最重要的兩個性能指標——耐鹽霧時間較標準要求提升超30%，涂層附著力較標準要求提升近70%。預計10月底，該產(chǎn)品將在鎮(zhèn)江、南通、連云港的電網(wǎng)設備上試點應用。
近年來，以石墨烯為代表的納米新材料在儲能、傳感、防腐等諸多領域展現(xiàn)出較高的產(chǎn)業(yè)價值，在電力系統(tǒng)的應用潛力也引起了科研人員的關注。國網(wǎng)江蘇省電力有限公司以江蘇電科院為依托成立了一支材料技術研究團隊，立足電網(wǎng)生產(chǎn)實際需求，圍繞電工新材料的研發(fā)與應用，開展一系列共性基礎研究和應用技術研究。團隊圍繞電網(wǎng)生產(chǎn)難題，打通從基礎研究到產(chǎn)業(yè)化的全過程創(chuàng)新鏈，牽頭研發(fā)了石墨烯復合導電脂、石墨烯改性防腐涂料等產(chǎn)品，并進行推廣應用。
發(fā)熱故障設備的“清涼油”
今年6月30日，材料技術研究團隊的自主研究成果——石墨烯復合導電脂再獲國網(wǎng)江蘇電力2500千克采購訂單。
設備發(fā)熱故障是電網(wǎng)系統(tǒng)運行中的“老大難”。它不僅增加了電能輸送的損耗，而且影響了設備安全和供電穩(wěn)定。“相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2014年國家電網(wǎng)經(jīng)營區(qū)特高壓換流站因發(fā)熱異常導致的臨時停運并影響跨區(qū)送電的故障中，60%是由看似不起眼的導電脂失效引起的?！苯K電科院輸變電技術中心副主任劉建軍說，“江蘇電網(wǎng)每年也有不少因各類接頭異常發(fā)熱導致的設備停電檢修，既影響了設備運行可靠性，又帶來了巨大的運維成本。”
團隊利用石墨烯的高導電、導熱性質(zhì)，通過對石墨烯復合修飾和功能改性，實現(xiàn)片層石墨烯與導電脂基礎成分甲基硅油之間的化學接枝。團隊研究骨干楊立恒介紹說：“這個化學接枝正是導電脂的技術核心，就好比讓甲基硅油和石墨烯手牽手連在一起，從而使導電復合體系具備更穩(wěn)定的材料結(jié)構和更多的導電通路?！?/p>
團隊研制的新型石墨烯復合導電脂兼顧了優(yōu)異的導電、導熱和耐候性，主要技術指標均優(yōu)于行業(yè)標準，接觸電阻變化系數(shù)高于行業(yè)標準和國際同類產(chǎn)品系數(shù)10%以上，耐鹽霧腐蝕性能高于行業(yè)標準50%、高于國際同類產(chǎn)品20%以上，且具備同類產(chǎn)品無法實現(xiàn)的300攝氏度以下穩(wěn)定運行、400攝氏度以上運行時間不小于12小時的技術優(yōu)勢。
該產(chǎn)品被列為國網(wǎng)江蘇電力首批轉(zhuǎn)化推廣的科研成果，已在南京、無錫、蘇州等多地電網(wǎng)的110～500千伏電壓等級輸變電設備現(xiàn)場應用近3年，避免了因發(fā)熱問題造成的停電檢修80多起，合計節(jié)約檢修成本1900多萬元。
戶外電力設備的“防護鎧甲”
9月16日下午，隨著最后一個涂層掛片樣品的劃傷性測試完成，材料技術研究團隊最新研究成果——石墨烯改性防腐涂料的戶外掛片試驗順利完成。期間，該團隊共完成石墨烯防腐涂料在碳鋼、熱浸鍍鋅鋼、304不銹鋼等6種材質(zhì)合計276片試驗樣品表面的防腐性能評估，為下階段的現(xiàn)場試點應用提供了數(shù)據(jù)參考。
“根據(jù)我們之前繪制的大氣腐蝕等級地圖，江蘇沿海、沿江大部分區(qū)域腐蝕等級達到C4及以上的較嚴重水平，而超過90%的電網(wǎng)設備是直接在戶外環(huán)境服役的，所以江蘇電網(wǎng)面臨的設備腐蝕問題尤為突出?！眲⒔ㄜ娬f，“腐蝕會直接影響設備使用壽命，導致設備及結(jié)構失效，也會導致電網(wǎng)運行安全可靠性降低，甚至形成重大安全隱患。隨著大規(guī)模電網(wǎng)的建設，尤其是海上光伏發(fā)電、海上風電裝機量的逐年增加，高效的防腐技術對電網(wǎng)來說愈發(fā)重要?！?/p>
由于傳統(tǒng)的熱鍍鋅涂層易溶解失效，戶外電力設備尤其是分布于城市工業(yè)區(qū)、海洋鹽霧區(qū)的電力設備主要通過涂覆防腐涂層進行防腐。然而，國產(chǎn)重防腐涂料產(chǎn)品尚存在耐鹽霧性、耐候性差、附著力弱等問題，實際使用效果達不到設計要求，因而由腐蝕引發(fā)的電網(wǎng)設備故障時有發(fā)生。
石墨烯材料所具有的二維層狀結(jié)構以及超強的化學惰性，使其在電網(wǎng)設備防腐方面展現(xiàn)良好效用。在防腐涂料中添加一定規(guī)格的石墨烯片層，并調(diào)控石墨烯與涂層其他組分之間的功能協(xié)同，一方面可以更好地激活鋅粉的犧牲陽極作用，另一方面可以在涂層內(nèi)部形成“迷宮效應”，增大外部腐蝕因子的擴散路徑，從而顯著增強涂層的防護性能。
該團隊自2020年年初開始研究石墨烯改性防腐涂料技術，相繼攻克了復合涂層中石墨烯分散與改性、石墨烯-環(huán)氧樹脂組分協(xié)同等一系列難題，開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權的石墨烯改性防腐涂料。
“我們所研制的石墨烯改性防腐涂料，附著力、耐劃傷、耐鹽霧性等多個核心參數(shù)與已有同類產(chǎn)品相比均有技術優(yōu)勢，同時石墨烯材料的激活作用使得涂料中用于犧牲陽極的重金屬含量減少了5%～10%，從而使得產(chǎn)品對環(huán)境的友好性也更強?！表椖垦芯抗歉申惔蟊榻B，“前期的掛片試驗使我們對石墨烯改性防腐涂料各方面性能很有信心。我們已選定了省內(nèi)3座存在典型腐蝕問題的變電站，即將開始試點應用?！?/p>
對電化學儲能器件的創(chuàng)新探索
8月15日，以江蘇電科院為第一通訊單位的關于新型超級電容的研究論文正式在《中國科學：技術科學》發(fā)表。這是材料技術研究團隊在高水平學術期刊發(fā)表的又一項科研成果。
隨著光伏發(fā)電、風電等新能源電源占比逐步提升，“新能源+儲能”的能源利用模式正逐步普及，儲能在電網(wǎng)中的重要性也進一步凸顯。電網(wǎng)側(cè)儲能需同時滿足削峰填谷、調(diào)峰調(diào)頻等多重工況需求，因而儲能器件要兼顧高能量密度和高功率密度。此外，電網(wǎng)側(cè)儲能發(fā)展還需要保證安全性。
石墨烯不僅導電、導熱性能優(yōu)秀，還具有超大的比表面積、豐富的電化學活性位點等特點，在電化學儲能器件研發(fā)中具有應用價值。材料技術研究團隊在前瞻性儲能技術方面多點布局，先后開發(fā)了基于石墨烯-二氧化錳復合材料電極的水系鋅離子電池、基于石墨烯量子點的鋰離子混合電容器等一系列新型儲能電池器件。
“鋅離子電池采用的是水系電解液，也就是一種鹽的水溶液，與采用有機電解液的鋰離子電池相比有本質(zhì)安全優(yōu)勢。其電解液本身不可燃，也不會因熱分解產(chǎn)生易燃氣體，這樣就從根本上規(guī)避了電池燃燒的安全風險?！眻F隊研究骨干郭東亮說，“鋰離子混合電容器將電池與電容進行內(nèi)部交叉，同時獲得了媲美超級電容器的功率密度和接近鋰離子電池的能量密度，是一種‘雙高型’的新型電化學儲能器件，在技術參數(shù)上更符合調(diào)峰和調(diào)頻的應用需求?！?/p>
材料技術研究團隊先后獲國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金、重點實驗室開放基金等多個省部級以上競爭性項目資助，已在《前沿科學》《化學通訊》等國際高水平學術期刊發(fā)表論文7篇，獲得國家發(fā)明專利授權11項。團隊將不斷夯實在電池材料設計、器件開發(fā)、電化學機制等方面的理論基礎，為促進儲能應用技術研究、儲能事業(yè)發(fā)展做好扎實知識儲備。
?。ńK電科院供圖）
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