Nature 子刊：金刚石纳米线束储能密度为锂离子电池的 3 倍，可用于机器人研发

本篇文章2255字，读完约6分钟

在能量存储领域，DIA也能大放异彩。

最近，澳大利亚昆士兰科技大学的研究团队开发了一种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1.76mjkg-1，比同等质量的钢弹簧高4-5个数量级，比锂离子电池高3倍。

2020年4月20日，当地时间 ，相关研究成果在《自然通讯》上发表，该杂志是《自然》杂志的一个子期刊，题为《碳纳米线束的高 密度机械能存储》。

自然界中最坚硬的物质

没有金刚钻，就不要做瓷器工作。

这个熟悉的短语实际上来自一个古老的民间工艺“屈瓷”。

瓷器是指修复破损瓷器的技术。金刚钻是一种棒状工具，由艺术家们制作，用来更精细地改进瓷器的钻孔、镀金和粘合，它是以顶部硬度极高的钻石命名的。

这里的钻石是一种由碳组成的矿物，是石墨的同素异形体，也是自然界中最坚硬的物质。事实上，钻石是印度钻石协会的前身。

一般来说，钻石主要用于制作装饰宝石或工业场景，如地质钻头和石油钻头。文艺复兴时期的钻石常被意大利巨头视为慢性毒药。服用钻石粉后，粉末会粘在胃壁上，长期摩擦会导致胃溃疡、胃出血和死亡。

现在，为了以可持续的方式满足日益增长的能源需求，钻石被再次使用。

雷锋。com了解到，目前可再生能源供应的解决方案主要是利用工业余热、太阳能光伏能源或收获环境中的机械能，各种能量收集器包括电磁电能发生器、机械能收集器和电化学收集器已经应运而生。

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世纪能源领域的一个重要课题。

基于这种考虑，昆士兰科技大学的研究小组提出了一种材料——“碳纳米管”。

碳纳米管是一维纳米材料，具有许多不同寻常的机械、电学和化学性质。

研究人员认为，由于碳纳米管(CNTs)的高强度和高模量，使用CNTs基纤维作为机械能储存介质和能量采集器应该是可行的，与电化学电池(如锂离子电池)相比，它可以实现快速、有效、更稳定和可逆的能量充放电。从长远来看，这些特性也可能使它成为人工肌肉、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，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、渗透和功能化)。

受此启发，研究团队认识到制造“高强度金刚石纳米线束”的可能性——其表面被完全氢化，从而可以在纳米线之间引入界面共价键，同时保持线性形态和优异的机械性能，并触发纳米线之间或纳米线与聚合物基体之间的强机械互锁效应。

既然解决方案已经确定，自然要测试其可行性。

下图 a显示了两种不同的金刚石纳米线:纳米线和手性线。牛膝具有对称的横截面和线形，而手性 具有初始螺旋形状。因为它的直径小，纳米线束可以达到一个非常高的扭转角之前，任何债券打破。图中两个纳米线束的扭转角分别约为25.55弧度和 17.28弧度。两个纳米链名称后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)方法来比较两种金刚石纳米束与(10，10)碳纳米管。上面的图B和C显示了两种金刚石纳米片和(10，10)碳纳米管(即图中的碳纳米管)的能量密度、扭转和张力之间的关系。

此外，研究小组从理论上预测了三种金刚石纳米线束(3、7和19分别代表纳米线的数量)在不同变形状态下的能量密度。其中，红色、蓝色、橙色、粉色和虚线代表压缩、弯曲、拉伸、扭转和大规模分子动力学的结果。

通过一系列调查，研究团队发现金刚石纳米线束具有较高的机械能储存密度，重力能密度会随着线束数量的增加而降低，其中扭转和拉伸是主要影响因素。

此外，金刚石纳米线束的机械储能能力与(10，10)碳纳米管相似，但金刚石纳米线束有其自身的优势。鉴于金刚石纳米线束的结构，其所有的机械储能潜能都可以通过纯张力来实现，即能量密度高达 1.76 mjkg-1，是锂电池的三倍，因此可以作为储能器件使用。

同时，值得注意的是，由于研究团队的模拟温度较低，金刚石纳米线束在室温下的储能能力可能被高估。

然而，金刚石纳米线束在机械能储存方面的卓越性能是不可否认的。

关于碳纳米线束，该论文的合著者之一海飞·詹说:

这种结构类似于压缩线圈或儿童发条玩具。当缠绕的线束散开时，可以释放能量。如果设计一个系统来控制纳米线束释放的能量，这种能量存储方案对于许多应用来说将更加安全和稳定，并且可以被广泛使用。

海飞·詹还主要提到了系统的安全性——因为它不涉及锂离子电池所需的电化学反应，它还避免了泄漏、爆炸或其他轻微化学故障的风险:

化学储能系统可能在高温下爆炸，在低温下失效。一旦发生故障，就会发生泄漏，这也会造成化学污染。然而，机械能储存系统没有这些风险，所以它更适合在人体内应用。

事实上，该研究团队还表示，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、下一代输电线路、航空电子设备以及场发射、电池、智能纺织品和建筑材料等结构复合材料。

引自:

[1]phys . org/news/2020-04-diamonds-energy-storage-solution . html

[2]www . nature/articles/s 41467-020-15807-7

[3]www . science daily/releases/2020/04/200421090540 . htm

[4]baike . Baidu/item/% e9 % 87% 91% E5 % 88% 9a % E7 % 9f % B3/80698

雷锋网雷锋网(公开号码:雷锋网)