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

作者 | 發布日期 2020 年 05 月 01 日 12:00 | 分類 材料 , 電力儲存 Telegram share ! follow us in feedly


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。

(Source:Nature

研究人員利用大規模分子動力學(MD)方法,對比了 2 種金剛石奈米線束與(10,10)奈米碳管。上圖 b、c 分別表示 2 種金剛石奈米線束和(10,10)奈米碳管(即圖中的 CNT)的能量密度與扭轉、張力的關係。

此外,研究團隊對不同變形狀態下,3 種金剛石奈米線束(3、7、19 分別表示奈米絲的數量)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、扭轉和大規模分子動力學得到的結果。

(Source:Nature

透過一系列探究,研究團隊發現金剛石奈米線束具有較高的機械能儲存密度,重力能量密度會隨線束的數量變化而降低,其中扭轉和張力是主要的影響因素。

此外,金剛石奈米線束與(10,10)奈米碳管的機械能儲存容量相似,但金剛石奈米線束有其自身的優越性──鑑於金剛石奈米線束的結構,通過純張力就可實現其全部的機械能儲存潛力,即高達 1.76 MJ kg-1 的能量密度,是鋰電池的 3 倍,因此完全可以用來做為儲能裝置。

同時值得注意的是,由於研究團隊模擬時的溫度較低,室溫下金剛石奈米線束的儲能能力也有可能被高估了。

不過,金剛石奈米線束在機械能儲存中的突出表現不可否認。

論文合著者之一 Haifei Zhan 表示:

這個結構類似於壓縮的線圈或者小孩的發條玩具。纏繞著的線束散開便可釋放能量。如果設計一個系統來控制奈米線束釋放的能量,那麼對於許多應用而言,這個儲能方案將更為安全、穩定,可廣泛應用。

(Source:PHYS.ORG

Haifei Zhan 也提到了系統的安全性問題──由於不涉及鋰離子電池所需進行的電化學反應,因此也避免了洩漏、爆炸或其他較小的化學故障的風險:

化學儲能系統在高溫下可能會爆炸,在低溫下可能會失靈。出現故障時發生洩漏,還會造成化學污染。但是機械式儲能系統沒有這些風險,所以更適合於在人體內應用。

事實上,研究團隊也表示,該系統未來可以用於可穿戴技術、與心臟和大腦功能相關的生物醫學工具、機器人、下一代電力傳輸線、航天電子,以及場致發射、電池、智慧紡織品和建築材料等結構性複合材料等多個領域。

(本文由 雷鋒網 授權轉載;首圖來源:pixabay