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Nature 子刊:金刚石纳米线束储能密度为锂离子电池的 3 倍,可用于机器人研发

本文作者:付静 2020-04-22 18:48
导语:机械式储能系统更适合应用于人体。

在储能领域,钻石也能大放异彩。

近日,澳大利亚昆士兰科技大学研究团队研发出了金刚石纳米线束储能系统,并通过建模得出该系统能量密度可达 1.76 MJ kg-1,比同质量的钢弹簧高出 4-5 个数量级,是锂离子电池的 3 倍。

当地时间 2020 年 4 月 20 日,相关研究成果在线发表于《自然》子刊《自然通讯》(Nature Communications),题为 High density mechanical energy storage with carbon nanothread bundle(碳纳米线束的高密度机械能存储)。

Nature 子刊:金刚石纳米线束储能密度为锂离子电池的 3 倍,可用于机器人研发

自然界中最坚硬的物质

没有金刚钻,就别揽瓷器活。

这句耳熟能详的话,其实源于一门古老的民间手艺「锔瓷」。

锔瓷是指,把打碎的瓷器再修复起来的技术。而金刚钻,就是锔瓷艺人们为更加精致地完善瓷器钻孔、镶金、粘合等工作制作的一种棍状工具,因顶端上有一颗硬度极大的金刚石而得名。

而这里的金刚石,是一种由碳元素组成的矿物,是石墨的同素异形体,也是自然界中天然存在的最坚硬的物质。实际上,金刚石正是钻石的原身。

Nature 子刊:金刚石纳米线束储能密度为锂离子电池的 3 倍,可用于机器人研发

通常而言,金刚石主要用于制作观赏宝石或用于制造地质钻头、石油钻头等工业场景。文艺复兴时期的金刚石,常常被意大利豪门当做一种慢性毒药——服下金刚石粉末后,粉末会粘在胃壁上,经过长期摩擦会造成胃溃疡、胃出血,最终导致死亡。

而如今,要以可持续的方式满足日益增长的能源需求,金刚石再次派上了用场。

大规模储能介质

雷锋网(公众号:雷锋网)了解到,当前可再生能源供应的解决方案,主要是利用工业废热、太阳能光伏能量或在环境中收获机械能,包括电磁电能发生器、机械能采集器和电化学采集器在内的各种能量采集器也应运而生。

而面对这种间歇性的可再生能源,也就意味着大规模的能量存储成为 21 世纪能源领域的一个重要课题。

基于这一考虑,昆士兰科技大学研究团队想到了一种材料——「碳纳米管」(CNT)。

Nature 子刊:金刚石纳米线束储能密度为锂离子电池的 3 倍,可用于机器人研发

碳纳米管是一种一维纳米材料,具有许多异常的力学、电学和化学性能。

研究人员认为,由于碳纳米管(CNT)的高强度、高模量,利用基于碳纳米管的纤维作为机械能储存介质和能量采集器,应当是可行的,相比电化学电池(如锂离子电池)也可以实现快速有效、更为稳定可逆的能量充放电。长远来看,这些特性也可能使其成为人造肌肉、软体机器人、柔性电子设备的重要组成部分。

近年来,碳纳米管得到了广泛研究,研究主要关注碳纳米管纤维的结构(如编织结构、平行结构或加捻结构)及其后处理(如液体收缩、渗透、功能化)。

受此启发,研究团队认识到了制造「高强度金刚石纳米线束」的可能性——其表面完全氢化,因而纳米线间可引入界面共价键,同时还可保持线状形态和优异的机械性能,并可触发纳米线间或纳米线与聚合物基质间的强机械互锁效应。

安全、稳定、可广泛使用的储能方案

既然已经确定了解决方案,自然要来测试一下可行性如何了。

下图 a 展示了两种不同的金刚石纳米线束 Achiral 和 Chiral,Achiral 具有对称的横截面和线性形态,而 Chiral 则具有初始的螺旋形态。由于直径较小,纳米线束能够在任意键断裂前达到非常高的扭转角,图中两个纳米线束的扭转角分别约为 25.55 rad 和 17.28 rad。两个纳米线束名称后的六个整数分别表示结构中的键合拓扑。

Nature 子刊:金刚石纳米线束储能密度为锂离子电池的 3 倍,可用于机器人研发

研究人员利用大规模分子动力学(MD)方法,对比了两种金刚石纳米线束与(10,10)碳纳米管。上图 b、c 分别表示两种金刚石纳米线束和(10,10)碳纳米管(即图中的 CNT)的能量密度与扭转、张力的关系。

此外,研究团队对不同变形状态下,三种金刚石纳米线束(3、7、19 分别表示纳米丝的数量)的能量密度进行了理论预测。其中,红色、蓝色、橙色、粉色、点线分别代表压缩、弯曲、张力、扭转和大规模分子动力学得到的结果。

Nature 子刊:金刚石纳米线束储能密度为锂离子电池的 3 倍,可用于机器人研发

通过一系列探究,研究团队发现金刚石纳米线束具有较高的机械能存储密度,重力能量密度会随线束的数量变化而降低,其中扭转和张力是主要的影响因素。

此外,金刚石纳米线束与(10,10)碳纳米管的机械能储存容量相似,但金刚石纳米线束有其自身的优越性——鉴于金刚石纳米线束的结构,通过纯张力就可实现其全部的机械能存储潜力,即高达 1.76 MJ kg-1 的能量密度,是锂电池的 3 倍,因此完全可以用来作为储能装置。

同时值得注意的是,由于研究团队模拟时的温度较低,室温下金刚石纳米线束的储能能力也有可能被高估了。

不过,金刚石纳米线束在机械能存储中的突出表现不可否认。

就碳纳米线束,论文合著者之一 Haifei Zhan 表示:

这一结构类似于压缩的线圈或者小孩的发条玩具。缠绕着的线束散开便可释放能量。如果设计一个系统来控制纳米线束释放的能量,那么对于许多应用而言,这一储能方案将更为安全、稳定,可广泛应用。

Nature 子刊:金刚石纳米线束储能密度为锂离子电池的 3 倍,可用于机器人研发

Haifei Zhan 也主要提到了系统的安全性问题——由于不涉及锂离子电池所需进行的电化学反应,因此也就避免了泄漏、爆炸或其他较小的化学故障的风险:

化学储能系统在高温下可能会爆炸,在低温下可能会失灵。出现故障时发生泄漏,还会造成化学污染。但是机械式储能系统没有这些风险,所以更适合于在人体内应用。

事实上,研究团队也表示,该系统未来可以用于可穿戴技术、与心脏和大脑功能相关的生物医学工具、机器人、下一代电力传输线、航天电子,以及场发射、电池、智能纺织品和建筑材料等结构性复合材料等多个领域。

引用来源:

[1]https://phys.org/news/2020-04-diamonds-energy-storage-solution.html

[2]https://www.nature.com/articles/s41467-020-15807-7

[3]https://www.sciencedaily.com/releases/2020/04/200421090540.htm

[4]https://baike.baidu.com/item/%E9%87%91%E5%88%9A%E7%9F%B3/80698

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