Nature 子刊：金剛石納米線束儲能密度為鋰離子電池的 3 倍，可用于機器人研發(fā)

本文作者：付靜

2020-04-22 18:48

導語：機械式儲能系統(tǒng)更適合應用于人體。

在儲能領(lǐng)域，鉆石也能大放異彩。

近日，澳大利亞昆士蘭科技大學研究團隊研發(fā)出了金剛石納米線束儲能系統(tǒng)，并通過建模得出該系統(tǒng)能量密度可達 1.76 MJ kg-1，比同質(zhì)量的鋼彈簧高出 4-5 個數(shù)量級，是鋰離子電池的 3 倍。

當?shù)貢r間 2020 年 4 月 20 日，相關(guān)研究成果在線發(fā)表于《自然》子刊《自然通訊》（Nature Communications），題為 High density mechanical energy storage with carbon nanothread bundle（碳納米線束的高密度機械能存儲）。

Nature 子刊：金剛石納米線束儲能密度為鋰離子電池的 3 倍，可用于機器人研發(fā)

自然界中最堅硬的物質(zhì)

沒有金剛鉆，就別攬瓷器活。

這句耳熟能詳?shù)脑?，其實源于一門古老的民間手藝「鋦瓷」。

鋦瓷是指，把打碎的瓷器再修復起來的技術(shù)。而金剛鉆，就是鋦瓷藝人們?yōu)楦泳碌赝晟拼善縻@孔、鑲金、粘合等工作制作的一種棍狀工具，因頂端上有一顆硬度極大的金剛石而得名。

而這里的金剛石，是一種由碳元素組成的礦物，是石墨的同素異形體，也是自然界中天然存在的最堅硬的物質(zhì)。實際上，金剛石正是鉆石的原身。

Nature 子刊：金剛石納米線束儲能密度為鋰離子電池的 3 倍，可用于機器人研發(fā)

通常而言，金剛石主要用于制作觀賞寶石或用于制造地質(zhì)鉆頭、石油鉆頭等工業(yè)場景。文藝復興時期的金剛石，常常被意大利豪門當做一種慢性毒藥——服下金剛石粉末后，粉末會粘在胃壁上，經(jīng)過長期摩擦會造成胃潰瘍、胃出血，最終導致死亡。

而如今，要以可持續(xù)的方式滿足日益增長的能源需求，金剛石再次派上了用場。

大規(guī)模儲能介質(zhì)

雷鋒網(wǎng)了解到，當前可再生能源供應的解決方案，主要是利用工業(yè)廢熱、太陽能光伏能量或在環(huán)境中收獲機械能，包括電磁電能發(fā)生器、機械能采集器和電化學采集器在內(nèi)的各種能量采集器也應運而生。

而面對這種間歇性的可再生能源，也就意味著大規(guī)模的能量存儲成為 21 世紀能源領(lǐng)域的一個重要課題。

基于這一考慮，昆士蘭科技大學研究團隊想到了一種材料——「碳納米管」（CNT）。

Nature 子刊：金剛石納米線束儲能密度為鋰離子電池的 3 倍，可用于機器人研發(fā)

碳納米管是一種一維納米材料，具有許多異常的力學、電學和化學性能。

研究人員認為，由于碳納米管（CNT）的高強度、高模量，利用基于碳納米管的纖維作為機械能儲存介質(zhì)和能量采集器，應當是可行的，相比電化學電池（如鋰離子電池）也可以實現(xiàn)快速有效、更為穩(wěn)定可逆的能量充放電。長遠來看，這些特性也可能使其成為人造肌肉、軟體機器人、柔性電子設(shè)備的重要組成部分。

近年來，碳納米管得到了廣泛研究，研究主要關(guān)注碳納米管纖維的結(jié)構(gòu)（如編織結(jié)構(gòu)、平行結(jié)構(gòu)或加捻結(jié)構(gòu)）及其后處理（如液體收縮、滲透、功能化）。

受此啟發(fā)，研究團隊認識到了制造「高強度金剛石納米線束」的可能性——其表面完全氫化，因而納米線間可引入界面共價鍵，同時還可保持線狀形態(tài)和優(yōu)異的機械性能，并可觸發(fā)納米線間或納米線與聚合物基質(zhì)間的強機械互鎖效應。

安全、穩(wěn)定、可廣泛使用的儲能方案

既然已經(jīng)確定了解決方案，自然要來測試一下可行性如何了。

下圖 a 展示了兩種不同的金剛石納米線束 Achiral 和 Chiral，Achiral 具有對稱的橫截面和線性形態(tài)，而 Chiral 則具有初始的螺旋形態(tài)。由于直徑較小，納米線束能夠在任意鍵斷裂前達到非常高的扭轉(zhuǎn)角，圖中兩個納米線束的扭轉(zhuǎn)角分別約為 25.55 rad 和 17.28 rad。兩個納米線束名稱后的六個整數(shù)分別表示結(jié)構(gòu)中的鍵合拓撲。

Nature 子刊：金剛石納米線束儲能密度為鋰離子電池的 3 倍，可用于機器人研發(fā)

研究人員利用大規(guī)模分子動力學（MD）方法，對比了兩種金剛石納米線束與（10，10）碳納米管。上圖 b、c 分別表示兩種金剛石納米線束和（10，10）碳納米管（即圖中的 CNT）的能量密度與扭轉(zhuǎn)、張力的關(guān)系。

此外，研究團隊對不同變形狀態(tài)下，三種金剛石納米線束（3、7、19 分別表示納米絲的數(shù)量）的能量密度進行了理論預測。其中，紅色、藍色、橙色、粉色、點線分別代表壓縮、彎曲、張力、扭轉(zhuǎn)和大規(guī)模分子動力學得到的結(jié)果。

Nature 子刊：金剛石納米線束儲能密度為鋰離子電池的 3 倍，可用于機器人研發(fā)

通過一系列探究，研究團隊發(fā)現(xiàn)金剛石納米線束具有較高的機械能存儲密度，重力能量密度會隨線束的數(shù)量變化而降低，其中扭轉(zhuǎn)和張力是主要的影響因素。

此外，金剛石納米線束與（10，10）碳納米管的機械能儲存容量相似，但金剛石納米線束有其自身的優(yōu)越性——鑒于金剛石納米線束的結(jié)構(gòu)，通過純張力就可實現(xiàn)其全部的機械能存儲潛力，即高達 1.76 MJ kg-1 的能量密度，是鋰電池的 3 倍，因此完全可以用來作為儲能裝置。

同時值得注意的是，由于研究團隊模擬時的溫度較低，室溫下金剛石納米線束的儲能能力也有可能被高估了。

不過，金剛石納米線束在機械能存儲中的突出表現(xiàn)不可否認。

就碳納米線束，論文合著者之一 Haifei Zhan 表示：