石墨烯新材料让电网设备更可靠

石墨烯改性防腐涂料户外挂片试验现场。

团队成员应用工业CT对设备故障部件进行金属疲劳探伤。

团队自主研发的石墨烯复合导电脂产品。

检修人员在线路隔离开关触指部位施涂石墨烯复合导电脂。

检修人员在500千伏江陵5292线开展石墨烯复合导电脂施涂作业。

10月19日，由江苏电力科学研究院自主研发的石墨烯改性防腐涂料通过了全球能源互联网研究院电工新材料研究所的检测。检测结果显示所有性能指标均超过标准要求。其中，防腐涂料最重要的两个性能指标——耐盐雾时间较标准要求提升超30%，涂层附着力较标准要求提升近70%。预计10月底，该产品将在镇江、南通、连云港的电网设备上试点应用。

近年来，以石墨烯为代表的纳米新材料在储能、传感、防腐等诸多领域展现出较高的产业价值，在电力系统的应用潜力也引起了科研人员的关注。国网江苏省电力有限公司以江苏电科院为依托成立了一支材料技术研究团队，立足电网生产实际需求，围绕电工新材料的研发与应用，开展一系列共性基础研究和应用技术研究。团队围绕电网生产难题，打通从基础研究到产业化的全过程创新链，牵头研发了石墨烯复合导电脂、石墨烯改性防腐涂料等产品，并进行推广应用。

发热故障设备的“清凉油”

今年6月30日，材料技术研究团队的自主研究成果——石墨烯复合导电脂再获国网江苏电力2500千克采购订单。

设备发热故障是电网系统运行中的“老大难”。它不仅增加了电能输送的损耗，而且影响了设备安全和供电稳定。“相关统计数据显示，2014年国家电网经营区特高压换流站因发热异常导致的临时停运并影响跨区送电的故障中，60%是由看似不起眼的导电脂失效引起的。”江苏电科院输变电技术中心副主任刘建军说，“江苏电网每年也有不少因各类接头异常发热导致的设备停电检修，既影响了设备运行可靠性，又带来了巨大的运维成本。”

团队利用石墨烯的高导电、导热性质，通过对石墨烯复合修饰和功能改性，实现片层石墨烯与导电脂基础成分甲基硅油之间的化学接枝。团队研究骨干杨立恒介绍说：“这个化学接枝正是导电脂的技术核心，就好比让甲基硅油和石墨烯手牵手连在一起，从而使导电复合体系具备更稳定的材料结构和更多的导电通路。”

团队研制的新型石墨烯复合导电脂兼顾了优异的导电、导热和耐候性，主要技术指标均优于行业标准，接触电阻变化系数高于行业标准和国际同类产品系数10%以上，耐盐雾腐蚀性能高于行业标准50%、高于国际同类产品20%以上，且具备同类产品无法实现的300摄氏度以下稳定运行、400摄氏度以上运行时间不小于12小时的技术优势。

该产品被列为国网江苏电力首批转化推广的科研成果，已在南京、无锡、苏州等多地电网的110～500千伏电压等级输变电设备现场应用近3年，避免了因发热问题造成的停电检修80多起，合计节约检修成本1900多万元。

户外电力设备的“防护铠甲”

9月16日下午，随着最后一个涂层挂片样品的划伤性测试完成，材料技术研究团队最新研究成果——石墨烯改性防腐涂料的户外挂片试验顺利完成。期间，该团队共完成石墨烯防腐涂料在碳钢、热浸镀锌钢、304不锈钢等6种材质合计276片试验样品表面的防腐性能评估，为下阶段的现场试点应用提供了数据参考。

“根据我们之前绘制的大气腐蚀等级地图，江苏沿海、沿江大部分区域腐蚀等级达到C4及以上的较严重水平，而超过90%的电网设备是直接在户外环境服役的，所以江苏电网面临的设备腐蚀问题尤为突出。”刘建军说，“腐蚀会直接影响设备使用寿命，导致设备及结构失效，也会导致电网运行安全可靠性降低，甚至形成重大安全隐患。随着大规模电网的建设，尤其是海上光伏发电、海上风电装机量的逐年增加，高效的防腐技术对电网来说愈发重要。”

由于传统的热镀锌涂层易溶解失效，户外电力设备尤其是分布于城市工业区、海洋盐雾区的电力设备主要通过涂覆防腐涂层进行防腐。然而，国产重防腐涂料产品尚存在耐盐雾性、耐候性差、附着力弱等问题，实际使用效果达不到设计要求，因而由腐蚀引发的电网设备故障时有发生。

石墨烯材料所具有的二维层状结构以及超强的化学惰性，使其在电网设备防腐方面展现良好效用。在防腐涂料中添加一定规格的石墨烯片层，并调控石墨烯与涂层其他组分之间的功能协同，一方面可以更好地激活锌粉的牺牲阳极作用，另一方面可以在涂层内部形成“迷宫效应”，增大外部腐蚀因子的扩散路径，从而显著增强涂层的防护性能。

该团队自2020年年初开始研究石墨烯改性防腐涂料技术，相继攻克了复合涂层中石墨烯分散与改性、石墨烯-环氧树脂组分协同等一系列难题，开发了具有自主知识产权的石墨烯改性防腐涂料。

“我们所研制的石墨烯改性防腐涂料，附着力、耐划伤、耐盐雾性等多个核心参数与已有同类产品相比均有技术优势，同时石墨烯材料的激活作用使得涂料中用于牺牲阳极的重金属含量减少了5%～10%，从而使得产品对环境的友好性也更强。”项目研究骨干陈大兵介绍，“前期的挂片试验使我们对石墨烯改性防腐涂料各方面性能很有信心。我们已选定了省内3座存在典型腐蚀问题的变电站，即将开始试点应用。”

对电化学储能器件的创新探索

8月15日，以江苏电科院为第一通讯单位的关于新型超级电容的研究论文正式在《中国科学：技术科学》发表。这是材料技术研究团队在高水平学术期刊发表的又一项科研成果。

随着光伏发电、风电等新能源电源占比逐步提升，“新能源+储能”的能源利用模式正逐步普及，储能在电网中的重要性也进一步凸显。电网侧储能需同时满足削峰填谷、调峰调频等多重工况需求，因而储能器件要兼顾高能量密度和高功率密度。此外，电网侧储能发展还需要保证安全性。

石墨烯不仅导电、导热性能优秀，还具有超大的比表面积、丰富的电化学活性位点等特点，在电化学储能器件研发中具有应用价值。材料技术研究团队在前瞻性储能技术方面多点布局，先后开发了基于石墨烯-二氧化锰复合材料电极的水系锌离子电池、基于石墨烯量子点的锂离子混合电容器等一系列新型储能电池器件。

“锌离子电池采用的是水系电解液，也就是一种盐的水溶液，与采用有机电解液的锂离子电池相比有本质安全优势。其电解液本身不可燃，也不会因热分解产生易燃气体，这样就从根本上规避了电池燃烧的安全风险。”团队研究骨干郭东亮说，“锂离子混合电容器将电池与电容进行内部交叉，同时获得了媲美超级电容器的功率密度和接近锂离子电池的能量密度，是一种‘双高型’的新型电化学储能器件，在技术参数上更符合调峰和调频的应用需求。”

材料技术研究团队先后获国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、重点实验室开放基金等多个省部级以上竞争性项目资助，已在《前沿科学》《化学通讯》等国际高水平学术期刊发表论文7篇，获得国家发明专利授权11项。团队将不断夯实在电池材料设计、器件开发、电化学机制等方面的理论基础，为促进储能应用技术研究、储能事业发展做好扎实知识储备。

（江苏电科院供图）