鉅大LARGE | 點擊量：848次 | 2021年12月14日
QUT研究人員提出使用金剛石納米線束 為儲能電池設(shè)計帶來革新
昆士蘭科技大學（QUT）材料科學中心的科學家們在《自然通訊》上發(fā)表了一篇新的研究論文，提出使用金剛石納米線束（DNT）來提供能量儲能能力，這可能會給機械和生物醫(yī)學工程帶來一場革命。
DNT是一種碳納米結(jié)構(gòu)——一組超薄的一維碳線，當它們被扭曲或拉伸時可以儲能能量。昆士蘭科技大學的研究員詹海飛博士領(lǐng)導了這個研究小組，他把納米結(jié)構(gòu)比作一個壓縮的線圈或兒童的發(fā)條玩具。他說，“當扭曲的線圈解開時，能量可以被釋放出來?！?/p>
據(jù)小組分析，其訣竅在于控制產(chǎn)生的能量。如果這種能量可以被穩(wěn)定下來，那么它就可以被用于一系列的應(yīng)用，從生物醫(yī)學監(jiān)測系統(tǒng)到納米機器人，以及機械能量儲能。
詹教授說：“與鋰離子電池等使用電化學反應(yīng)來儲存和釋放能量的化學儲存不同，機械能系統(tǒng)本身的風險要低得多?！?/p>
機械能儲存不會有在極端溫度下發(fā)生故障的風險，也不會有化學污染的風險。納米線的穩(wěn)定性和安全性并不讓人驚訝，因為它本質(zhì)上是鉆石——我們所知道的最堅硬的材料。
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-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
當然，鉆石的結(jié)構(gòu)意味著它是非常強大，堅硬，輕。有了這些特性的裝備，DNT的潛力只會受到科幻作家想象力的限制。19世紀末首次提出的“星際到太空”運輸系統(tǒng)的著名構(gòu)想，被吹捧為DNT（禁止追蹤）的一種可能應(yīng)用，同時被吹捧為更實際的、更高效的電動汽車的構(gòu)想。
在能量密度方面DNT的能量儲能潛力是驚人的。按磅計算，DNT的能量密度——也就是說，它的質(zhì)量能儲存多少能量——為每公斤1．76兆焦耳，比同質(zhì)量的鋼彈簧高出4-5個數(shù)量級，是鋰離子電池的三倍。
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(yīng)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(yīng)。
研究人員有了一個想法，但現(xiàn)在他們必須把它付諸行動。在未來的兩到三年內(nèi)，QUT團隊計劃構(gòu)建控制系統(tǒng)，以測試納米線的扭曲和拉伸。
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25.55rad和17.28rad。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。
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。
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1.76MJkg-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HaifeiZhan表示：
這一結(jié)構(gòu)類似于壓縮的線圈或者小孩的發(fā)條玩具。纏繞著的線束散開便可釋放能量。如果設(shè)計一個系統(tǒng)來控制納米線束釋放的能量，那么對于許多應(yīng)用而言，這一儲能方案將更為安全、穩(wěn)定，可廣泛應(yīng)用。
HaifeiZhan也主要提到了系統(tǒng)的安全性問題——由于不涉及鋰離子電池所需進行的電化學反應(yīng)，因此也就避免了泄漏、爆炸或其他較小的化學故障的風險：
化學儲能系統(tǒng)在高溫下可能會爆炸，在低溫下可能會失靈。出現(xiàn)故障時發(fā)生泄漏，還會造成化學污染。但是機械式儲能系統(tǒng)沒有這些風險，所以更適合于在人體內(nèi)應(yīng)用。
研究團隊也表示，該系統(tǒng)未來可以用于可穿戴技術(shù)、與心臟和大腦功能相關(guān)的生物醫(yī)學工具、機器人、下一代電力傳輸線、航天電子，以及場發(fā)射、電池、智能紡織品和建筑材料等結(jié)構(gòu)性復合材料等多個領(lǐng)域。，雷鋒網(wǎng)
