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06-18
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金刚石纳米线束储能系统，通过建模发现该系统的能量密度可达1.76 MJ kg-1，比??传统的纳米线高4-5个数量级。
相同质量的钢弹簧。
是锂离子电池的3倍。
当地时间4月20日，相关研究成果在线发表于《Nature Communications》，题为“High Density Mechanical Energy Storage with Carbon Nanothread Bundle”。
如果没有自然界中最坚硬的物质钻石，就不会有瓷器工作。
这句耳熟能详的说法，其实出自一种古老的民间工艺“锔瓷”。
锔瓷是指修复破损瓷器的技术。
金刚钻是艺人为了更加精致地完善瓷器的钻孔、嵌金、粘合而制作的棒状工具。
它因顶部有一颗非常坚硬的钻石而得名。
这里的钻石是一种由碳、石墨的同素异形体和自然界中天然存在的最硬物质组成的矿物。
事实上，钻石是钻石的原始形态。
一般来说，钻石主要用于制作观赏宝石或地质钻头、石油钻头等工业场景。
文艺复兴时期的钻石经常被意大利富裕家庭当作慢性毒药——服用钻石粉后，粉末会粘在胃壁上。
长期摩擦后，会引起胃溃疡、胃出血，最终导致死亡。
现在，为了以可持续的方式满足日益增长的能源需求，钻石再次派上用场。
大型储能媒体雷锋网了解到，目前可再生能源供应的解决方案主要利用工业余热、太阳能光伏能或收获环境中的机械能，包括电磁发电机、机械能采集器和电化学采集器。
各种能量采集器也出现了。
面对这种间歇性的可再生能源，意味着大规模储能已成为21世纪能源领域的重要问题。
基于这样的考虑，昆士兰科技大学的研究团队想出了一种材料——“碳纳米管”（CNT）。
碳纳米管是一维纳米材料，具有许多不寻常的机械、电学和化学性质。
研究人员认为，由于碳纳米管（CNT）的高强度和高模量，使用碳纳米管基纤维作为机械能量存储介质和能量收集器应该是可行的。
与电化学电池（如锂离子电池）相比，还可以实现快速、有效、更稳定和可逆的能量充放电。
从长远来看，这些特性也可能使其成为人造肌肉、软机器人和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的研究，研究主要集中在碳纳米管纤维的结构（如编织结构、平行结构或扭曲结构）及其后处理（如液体收缩、渗透、功能化）。
受此启发，研究团队实现了制造“高强度金刚石纳米线束”的可能性——其表面完全氢化，因此可以在纳米线之间引入界面共价键，同时保持线性形貌和优异的机械性能。
并能引发纳米线之间或纳米线与聚合物基体之间强烈的机械联锁效应。
既然已经确定了安全、稳定、可广泛使用的储能方案，自然就要测试可行性。
下图a显示了两种不同的金刚石纳米线束：非手性和手性。
非手性具有对称的横截面和线性形态，而手性具有初始螺旋形态。
由于直径小，纳米线束能够在任何键断裂之前达到非常高的扭转角度。
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面的六个整数分别代表结构中的键合拓扑。
研究人员使用大规模分子动力学（MD）方法比较了两个金刚石纳米线束与（10,10）碳纳米管。
上图b和c分别显示了两种金刚石纳米线束与(10, 10)碳纳米管（即图中的CNT）的能量密度、扭转和张力之间的关系。
此外，研究团队还对三种金刚石纳米线束（3、7、19分别代表纳米线的数量）在不同变形状态下的能量密度进行了理论预测。
其中，红色、蓝色、橙色、粉色和虚线分别代表压缩、弯曲、拉伸、扭转和大尺度分子动力学得到的结果。
通过一系列研究，研究团队发现金刚石纳米线束具有较高的机械储能密度，且重力能量密度随着线束数量的增加而降低，其中扭转和张力是主要影响因素。
此外，金刚石纳米线束的机械能存储能力与(10,10)碳纳米管相似，但金刚石纳米线束有自己的优势——由于金刚石纳米线束的结构，其所有的机械能存储都可以通过纯张力可实现潜在的能量，即高达1.76 MJ kg-1的能量密度，是锂电池的3倍，因此可以用作储能装置。
还值得注意的是，由于研究团队在模拟中使用的低温，金刚石纳米线束在室温下的储能能力也可能被高估。
然而，金刚石纳米线束在机械储能方面的优异性能是不可否认的。
对于碳纳米线束，论文合著者之一詹海飞表示：其结构类似于压缩线圈或儿童发条玩具。
当缠结的线解开时，能量就会被释放。
如果设计一个系统来控制纳米线束释放的能量，这种储能解决方案将更安全、更稳定，并广泛适用于许多应用。
詹海飞还主要提到了系统的安全问题——因为不涉及锂离子电池所需的电化学反应，也避免了泄漏、爆炸或其他轻微化学故障的风险：化学储能系统可能会爆炸在高温下可能会失效，在低温下可能会失效。
发生故障时发生的泄漏也会导致化学污染。
然而机械储能系统不存在这些风险，因此更适合在人体中使用。
事实上，研究团队还表示，该系统可用于可穿戴技术、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、航空航天电子，以及场发射、电池、智能纺织品和未来的建筑材料。
结构复合材料等领域。
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