Nature 子刊：金剛石奈米線束儲能密度為鋰離子電池的 3 倍，可用於機器人研發

在儲能領域，鑽石也能大放異彩。

近日，澳洲昆士蘭科技大學研究團隊研發出了金剛石奈米線束儲能系統，並透過建模得出該系統能量密度可達 1.76 MJ kg-1，比同質量的鋼彈簧高出 4-5 個數量級，是鋰離子電池的 3 倍。

當地時間 4 月 20 日，相關研究成果線上發表於《自然》子刊《自然通訊》（Nature Communications），題為 High density mechanical energy storage with carbon nanothread bundle（碳奈米線束的高密度機械能儲存）。

自然界中最堅硬的物質

「沒有金剛鑽，就別攬瓷器活」，這句話，其實源於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。而金剛鑽，就是鋦瓷達人們為更加精緻地完善瓷器鑽孔、鑲金、黏合等工作製作的一種棍狀工具，因頂端上有一顆硬度極大的金剛石而得名。

而這裡的金剛石，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。實際上，金剛石正是鑽石的原身。

一般而言，金剛石主要用於製作觀賞寶石或用於製造地質鑽頭、石油鑽頭等工業場景。文藝復興時期的金剛石，常常被義大利豪門當做一種慢性毒藥──服下金剛石粉末後，粉末會黏在胃壁上，經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。

大規模儲能介質

當前可再生能源供應的解決方案，主要是利用工業廢熱、太陽能光伏能量或在環境中收穫機械能，包括電磁電能發生器、機械能採集器和電化學採集器在內的各種能量採集器也應運而生。

而面對這種間歇性的可再生能源，也就意味著大規模的能量儲存成為 21 世紀能源領域的一個重要課題。

基於這個考慮，昆士蘭科技大學研究團隊想到了一種材料──「奈米碳管」（CNT）。

（Source：Basroks / CC BY-SA）

奈米碳管是一種一維奈米材料，具有許多異常的力學、電學和化學性能。

研究人員認為，由於奈米碳管（CNT）的高強度、高模量，利用基於奈米碳管的纖維做為機械能儲存介質和能量採集器，應當是可行的，相比電化學電池（如鋰離子電池）也可以實現快速有效、更為穩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、柔性電子設備的重要組成部分。

近年來，奈米碳管得到廣泛研究，研究主要關注奈米碳管纖維的結構（如編織結構、平行結構或加撚結構）及其後處理（如液體收縮、滲透、功能化）。

受此啟發，研究團隊認識到了製造「高強度金剛石奈米線束」的可能性──其表面完全氫化，因而奈米線間可引入介面共價鍵，同時還可保持線狀形態和優異的機械性能，並可觸發奈米線間或奈米線與聚合物基質間的強機械互鎖效應。

安全、穩定、可廣泛使用的儲能方案

既然已經確定了解決方案，自然要來測試一下可行性如何了。

下圖 a 展示了 2 種不同的金剛石奈米線束 Achiral 和 Chiral，Achiral 具有對稱的橫截面和線性形態，而 Chiral 則具有初始的螺旋形態。由於直徑較小，奈米線束能夠在任意鍵斷裂前達到非常高的扭轉角，圖中 2 個奈米線束的扭轉角分別約為 25.55 rad 和 17.28 rad。2 個奈米線束名稱後的 6 個整數分別表示結構中的鍵合拓撲。