10月19日，由江蘇電力科學(xué)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(cè)。檢測(cè)結(jié)果顯示所有性能指標(biāo)均超過標(biāo)準(zhǔn)要求。其中，防腐涂料最重要的兩個(gè)性能指標(biāo)——耐鹽霧時(shí)間較標(biāo)準(zhǔn)要求提升超30%，涂層附著力較標(biāo)準(zhǔn)要求提升近70%。預(yù)計(jì)10月底，該產(chǎn)品將在鎮(zhèn)江、南通、連云港的電網(wǎng)設(shè)備上試點(diǎn)應(yīng)用。
近年來，以石墨烯為代表的納米新材料在儲(chǔ)能、傳感、防腐等諸多領(lǐng)域展現(xiàn)出較高的產(chǎn)業(yè)價(jià)值，在電力系統(tǒng)的應(yīng)用潛力也引起了科研人員的關(guān)注。國(guó)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(shù)研究團(tuán)隊(duì)，立足電網(wǎng)生產(chǎn)實(shí)際需求，圍繞電工新材料的研發(fā)與應(yīng)用，開展一系列共性基礎(chǔ)研究和應(yīng)用技術(shù)研究。團(tuán)隊(duì)圍繞電網(wǎng)生產(chǎn)難題，打通從基礎(chǔ)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(fù)合導(dǎo)電脂、石墨烯改性防腐涂料等產(chǎn)品，并進(jìn)行推廣應(yīng)用。
發(fā)熱故障設(shè)備的“清涼油”
今年6月30日，材料技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)的自主研究成果——石墨烯復(fù)合導(dǎo)電脂再獲國(guó)網(wǎng)江蘇電力2500千克采購(gòu)訂單。
設(shè)備發(fā)熱故障是電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)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(shè)備安全和供電穩(wěn)定?！跋嚓P(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2014年國(guó)家電網(wǎng)經(jīng)營(yíng)區(qū)特高壓換流站因發(fā)熱異常導(dǎo)致的臨時(shí)停運(yùn)并影響跨區(qū)送電的故障中，60%是由看似不起眼的導(dǎo)電脂失效引起的。”江蘇電科院輸變電技術(shù)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(dǎo)致的設(shè)備停電檢修，既影響了設(shè)備運(yùn)行可靠性，又帶來了巨大的運(yùn)維成本?！?/p>
團(tuán)隊(duì)利用石墨烯的高導(dǎo)電、導(dǎo)熱性質(zhì)，通過對(duì)石墨烯復(fù)合修飾和功能改性，實(shí)現(xiàn)片層石墨烯與導(dǎo)電脂基礎(chǔ)成分甲基硅油之間的化學(xué)接枝。團(tuán)隊(duì)研究骨干楊立恒介紹說：“這個(gè)化學(xué)接枝正是導(dǎo)電脂的技術(shù)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(dǎo)電復(fù)合體系具備更穩(wěn)定的材料結(jié)構(gòu)和更多的導(dǎo)電通路?！?/p>
團(tuán)隊(duì)研制的新型石墨烯復(fù)合導(dǎo)電脂兼顧了優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱和耐候性，主要技術(shù)指標(biāo)均優(yōu)于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，接觸電阻變化系數(shù)高于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)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(biāo)準(zhǔn)50%、高于國(guó)際同類產(chǎn)品20%以上，且具備同類產(chǎn)品無法實(shí)現(xiàn)的300攝氏度以下穩(wěn)定運(yùn)行、400攝氏度以上運(yùn)行時(shí)間不小于12小時(shí)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
該產(chǎn)品被列為國(guó)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(jí)輸變電設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)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(jì)節(jié)約檢修成本1900多萬元。
戶外電力設(shè)備的“防護(hù)鎧甲”
9月16日下午，隨著最后一個(gè)涂層掛片樣品的劃傷性測(cè)試完成，材料技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)最新研究成果——石墨烯改性防腐涂料的戶外掛片試驗(yàn)順利完成。期間，該團(tuán)隊(duì)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(jì)276片試驗(yàn)樣品表面的防腐性能評(píng)估，為下階段的現(xiàn)場(chǎng)試點(diǎn)應(yīng)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(jí)地圖，江蘇沿海、沿江大部分區(qū)域腐蝕等級(jí)達(dá)到C4及以上的較嚴(yán)重水平，而超過90%的電網(wǎng)設(shè)備是直接在戶外環(huán)境服役的，所以江蘇電網(wǎng)面臨的設(shè)備腐蝕問題尤為突出?！眲⒔ㄜ娬f，“腐蝕會(huì)直接影響設(shè)備使用壽命，導(dǎo)致設(shè)備及結(jié)構(gòu)失效，也會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)運(yùn)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(shè)，尤其是海上光伏發(fā)電、海上風(fēng)電裝機(jī)量的逐年增加，高效的防腐技術(shù)對(duì)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(shè)備尤其是分布于城市工業(yè)區(qū)、海洋鹽霧區(qū)的電力設(shè)備主要通過涂覆防腐涂層進(jìn)行防腐。然而，國(guó)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(shí)際使用效果達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，因而由腐蝕引發(fā)的電網(wǎng)設(shè)備故障時(shí)有發(fā)生。
石墨烯材料所具有的二維層狀結(jié)構(gòu)以及超強(qiáng)的化學(xué)惰性，使其在電網(wǎng)設(shè)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(yáng)極作用，另一方面可以在涂層內(nèi)部形成“迷宮效應(yīng)”，增大外部腐蝕因子的擴(kuò)散路徑，從而顯著增強(qiáng)涂層的防護(hù)性能。
該團(tuán)隊(duì)自2020年年初開始研究石墨烯改性防腐涂料技術(shù)，相繼攻克了復(fù)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(shí)產(chǎn)權(quán)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(gè)核心參數(shù)與已有同類產(chǎn)品相比均有技術(shù)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)石墨烯材料的激活作用使得涂料中用于犧牲陽(yáng)極的重金屬含量減少了5%～10%，從而使得產(chǎn)品對(duì)環(huán)境的友好性也更強(qiáng)。”項(xiàng)目研究骨干陳大兵介紹，“前期的掛片試驗(yàn)使我們對(duì)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(diǎn)應(yīng)用。”
對(duì)電化學(xué)儲(chǔ)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(guān)于新型超級(jí)電容的研究論文正式在《中國(guó)科學(xué)：技術(shù)科學(xué)》發(fā)表。這是材料技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)在高水平學(xué)術(shù)期刊發(fā)表的又一項(xiàng)科研成果。
隨著光伏發(fā)電、風(fēng)電等新能源電源占比逐步提升，“新能源+儲(chǔ)能”的能源利用模式正逐步普及，儲(chǔ)能在電網(wǎng)中的重要性也進(jìn)一步凸顯。電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能需同時(shí)滿足削峰填谷、調(diào)峰調(diào)頻等多重工況需求，因而儲(chǔ)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(chǔ)能發(fā)展還需要保證安全性。
石墨烯不僅導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能優(yōu)秀，還具有超大的比表面積、豐富的電化學(xué)活性位點(diǎn)等特點(diǎn)，在電化學(xué)儲(chǔ)能器件研發(fā)中具有應(yīng)用價(jià)值。材料技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)在前瞻性儲(chǔ)能技術(shù)方面多點(diǎn)布局，先后開發(fā)了基于石墨烯-二氧化錳復(fù)合材料電極的水系鋅離子電池、基于石墨烯量子點(diǎn)的鋰離子混合電容器等一系列新型儲(chǔ)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(jī)電解液的鋰離子電池相比有本質(zhì)安全優(yōu)勢(shì)。其電解液本身不可燃，也不會(huì)因熱分解產(chǎn)生易燃?xì)怏w，這樣就從根本上規(guī)避了電池燃燒的安全風(fēng)險(xiǎn)?！眻F(tuán)隊(duì)研究骨干郭東亮說，“鋰離子混合電容器將電池與電容進(jìn)行內(nèi)部交叉，同時(shí)獲得了媲美超級(jí)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(xué)儲(chǔ)能器件，在技術(shù)參數(shù)上更符合調(diào)峰和調(diào)頻的應(yīng)用需求?！?/p>
材料技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)先后獲國(guó)家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金、重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金等多個(gè)省部級(jí)以上競(jìng)爭(zhēng)性項(xiàng)目資助，已在《前沿科學(xué)》《化學(xué)通訊》等國(guó)際高水平學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文7篇，獲得國(guó)家發(fā)明專利授權(quán)11項(xiàng)。團(tuán)隊(duì)將不斷夯實(shí)在電池材料設(shè)計(jì)、器件開發(fā)、電化學(xué)機(jī)制等方面的理論基礎(chǔ)，為促進(jìn)儲(chǔ)能應(yīng)用技術(shù)研究、儲(chǔ)能事業(yè)發(fā)展做好扎實(shí)知識(shí)儲(chǔ)備。
（江蘇電科院供圖）
評(píng)論