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| 本文作者： 付靜 | 2020-04-22 18:48 |
在儲(chǔ)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(xué)研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了金剛石納米線束儲(chǔ)能系統(tǒng)，并通過建模得出該系統(tǒng)能量密度可達(dá) 1.76 MJ kg-1，比同質(zhì)量的鋼彈簧高出 4-5 個(gè)數(shù)量級(jí)，是鋰離子電池的 3 倍。
當(dāng)?shù)貢r(shí)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(jī)械能存儲(chǔ)）。
自然界中最堅(jiān)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?shí)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(fù)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(jiān)硬的物質(zhì)。實(shí)際上，金剛石正是鉆石的原身。
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(chǎng)景。文藝復(fù)興時(shí)期的金剛石，常常被意大利豪門當(dāng)做一種慢性毒藥——服下金剛石粉末后，粉末會(huì)粘在胃壁上，經(jīng)過長期摩擦?xí)斐晌笣?、胃出血，最終導(dǎo)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(chǎng)。
雷鋒網(wǎng)了解到，當(dāng)前可再生能源供應(yīng)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(jī)械能，包括電磁電能發(fā)生器、機(jī)械能采集器和電化學(xué)采集器在內(nèi)的各種能量采集器也應(yīng)運(yùn)而生。
而面對(duì)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(chǔ)成為 21 世紀(jì)能源領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。
基于這一考慮，昆士蘭科技大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)想到了一種材料——「碳納米管」（CNT）。
碳納米管是一種一維納米材料，具有許多異常的力學(xué)、電學(xué)和化學(xué)性能。
研究人員認(rèn)為，由于碳納米管（CNT）的高強(qiáng)度、高模量，利用基于碳納米管的纖維作為機(jī)械能儲(chǔ)存介質(zhì)和能量采集器，應(yīng)當(dāng)是可行的，相比電化學(xué)電池（如鋰離子電池）也可以實(shí)現(xiàn)快速有效、更為穩(wěn)定可逆的能量充放電。長遠(yuǎn)來看，這些特性也可能使其成為人造肌肉、軟體機(jī)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(tuán)隊(duì)認(rèn)識(shí)到了制造「高強(qiáng)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(jià)鍵，同時(shí)還可保持線狀形態(tài)和優(yōu)異的機(jī)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(qiáng)機(jī)械互鎖效應(yīng)。
既然已經(jīng)確定了解決方案，自然要來測(cè)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(duì)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(dá)到非常高的扭轉(zhuǎn)角，圖中兩個(gè)納米線束的扭轉(zhuǎn)角分別約為 25.55 rad 和 17.28 rad。兩個(gè)納米線束名稱后的六個(gè)整數(shù)分別表示結(jié)構(gòu)中的鍵合拓?fù)洹?/p>
研究人員利用大規(guī)模分子動(dòng)力學(xué)（MD）方法，對(duì)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(tuán)隊(duì)對(duì)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(jìn)行了理論預(yù)測(cè)。其中，紅色、藍(lán)色、橙色、粉色、點(diǎn)線分別代表壓縮、彎曲、張力、扭轉(zhuǎn)和大規(guī)模分子動(dòng)力學(xué)得到的結(jié)果。
通過一系列探究，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)金剛石納米線束具有較高的機(jī)械能存儲(chǔ)密度，重力能量密度會(huì)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(jī)械能儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)其全部的機(jī)械能存儲(chǔ)潛力，即高達(dá) 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(chǔ)能裝置。
同時(shí)值得注意的是，由于研究團(tuán)隊(duì)模擬時(shí)的溫度較低，室溫下金剛石納米線束的儲(chǔ)能能力也有可能被高估了。
不過，金剛石納米線束在機(jī)械能存儲(chǔ)中的突出表現(xiàn)不可否認(rèn)。
就碳納米線束，論文合著者之一 Haifei Zhan 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(jì)一個(gè)系統(tǒng)來控制納米線束釋放的能量，那么對(duì)于許多應(yīng)用而言，這一儲(chǔ)能方案將更為安全、穩(wěn)定，可廣泛應(yīng)用。
Haifei Zhan 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(jìn)行的電化學(xué)反應(yīng)，因此也就避免了泄漏、爆炸或其他較小的化學(xué)故障的風(fēng)險(xiǎn)：
化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)在高溫下可能會(huì)爆炸，在低溫下可能會(huì)失靈。出現(xiàn)故障時(shí)發(fā)生泄漏，還會(huì)造成化學(xué)污染。但是機(jī)械式儲(chǔ)能系統(tǒng)沒有這些風(fēng)險(xiǎn)，所以更適合于在人體內(nèi)應(yīng)用。
事實(shí)上，研究團(tuán)隊(duì)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(xué)工具、機(jī)器人、下一代電力傳輸線、航天電子，以及場(chǎng)發(fā)射、電池、智能紡織品和建筑材料等結(jié)構(gòu)性復(fù)合材料等多個(gè)領(lǐng)域。
引用來源：
[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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