撰文丨王跃生
近日，日本信州大学金子胜美教授团队制造了一种特殊的单壁碳纳米管绳，并通过实验证明由这种单壁碳纳米管组成的扭转绳具有卓越可逆存储纳米机械能的能力，其每千克能量密度高达2.1 兆焦耳，比钢制弹簧的能量存储能力高出一万倍以上，比目前最先进的锂离子电池高出3倍。更重要的是，这种扭转单壁碳纳米管绳中存储的纳米机械能即使在恶劣环境中也十分安全，不会随着时间的推移而消耗，并且可以在−60 摄氏度到100摄氏度的宽温度范围内使用。
这项研究听起来很有意思，今天我就和大家聊聊这种用单壁碳纳米管储存机械能故事
首先在聊这个储能方式我们需要了解几个概念，第一什么是碳纳米管？第二什么是单壁碳纳米管？什么是物理储能？
什么是碳纳米管？
碳纳米管是在1991年1月由日本筑波NEC实验室的物理学家饭岛澄男使用高分辨透射电子显微镜从电弧法生产碳纤维的产物中发现的。碳纳米管，又名巴基管，是一种具有特殊结构的一维量子材料，其径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级，管子两端基本上都封口，管上每个碳原子相互之间形成六边形组成的蜂窝状结构。根据碳纳米管按照层数简单分类为：单壁纳米碳管和多壁纳米碳管。如下图所示。
图一. 单壁碳纳米管及碳纳米管分类。图片归 Taylor & Francis 版权所有
与其他纳米材料相比，碳纳米管具有更为独特的结构和奇异的性能，被称为“纳米材料之王”。碳纳米管具有一些独特的性能，例如：
1.导电性
就导电性而言，由于其独特的结构，碳纳米管可以具有金属性，像常见的铜铁，有研究表明碳纳米管的电流运载能力是铜导线的一千倍；也可以具有半导体性，就像芯片中的硅；甚至在同一根碳米管的不同部位，由于结构不同，也会表现出不同的导电性，一部分是金属一部分为半导体。
2.超强抗拉
碳纳米管具有优越的机械性能：在重量只有钢的1/6的情况下，其抗拉强度50-200吉帕，相当于钢铁的100倍，因而碳纳米管被称“超级纤维”; 硬度与钻石相当，但其柔韧性更强，可拉伸，其最大拉伸率高于目前所报道的任何金属; 它还有很好的柔性、回弹性和抗畸变的能力。碳纳米管被人们认为是有最大强度重量比的纤维和强化相的终极形式。
3.导热
碳纳米管具有良好的导热性，约为铜的10倍，钻石的3倍。
4.吸附
碳纳米管具有超大的比表面积，吸附性能强; 同时具有良好的电磁波吸收等性能。
上面已经说了我们在谈到碳纳米管的超强抗拉性中提到碳纳米管具有很好回弹性和抗畸变的能力，那么我们就可以利用这点进行能量储存。我们来讲一个例子，如下图所示，我们用两只手去压缩弹簧，弹簧在被压缩时储存了能量，这个能量可以使其恢复原状，这种储能方式就是物理储能的一种。
图片二：弹簧压缩与伸展，图片来自网络
物理储能是一种利用物理原理将能量储存起来的技术。常见的物理储能抽水、压缩空气、飞轮等物理方法实现能量的存储，具有环保、绿色。但是物理储能对于储能材料自身以及环境要求比较高，例如压缩气体储能，我们要求保证气体压缩过程中存贮介质不能爆炸；旋转飞轮储能不能再高速旋转过程中分解。那么我们上面讲的弹簧压缩，在多次过程中弹簧的伸缩性就会降低，大大影响了储能效率，相比于这些碳纳米管的优势就出来了。
单壁碳纳米管具有极其出色的机械性能。自1993年被发现以来单壁碳纳米管（SWCNTs）在太阳能电池及超级电容器等能源转换与存储设备上的应用展现了新的可能性，并解决了许多技术难题。首先由碳纳米管组成的碳纳米管绳在扭转过程中可以迅速储存释放的机械能，而且碳纳米管的石墨碳的机械行为在熔点以下不会发生太大变化，因此存储的机械能不会随着时间的推移而慢慢消耗殆尽，并且能够在零下数十度至零上数千度的范围内工作。理论研究表明，扭转单壁碳纳米管绳重量能量密度可达每千克8兆焦耳 ，完全有潜力储存大量的能量。不过实验观察到的碳纳米管绳能量存储密度明显低于先前预测的理论值，这表明碳纳米管的潜力尚未得到充分利用。
图片三：单壁碳纳米管储能就像拧绳子一样，图片来自网络
日本这篇文章中讲的碳纳米管电池，原理上并没有太多先进性，就是简单的物理储能，就像我们日常拧绳子一样，但是绳子拧的太紧容易断，并且绳子之间有摩擦不易恢复，但是碳纳米管却具有足够的强度和极低的摩擦力这样就大大减缓了能量损失还能储存大量的能量。但是目前碳纳米管制备工艺还使碳纳米管储能低于其理论值，日美文章的报道亮点在于如何制备高强度的碳纳米管使单壁纳米管储能能力达到其理论值。，
作者首先从制造绳子工艺出发，使用不同的工艺来制造碳纳米管绳：纱线法（y-rope）、卷法（r-rope）和分散法（d-rope）。此外作者还设计了一种聚合物处理过程来增强碳纳米管绳之间的负载传递，同时保留单个碳纳米管的优良机械性能。从而加速了单壁碳纳米管的弹性形变，从而提高了单壁碳纳米管绳的储能性能。
最终作者发现使用纱线法生产的并由热塑性聚氨酯修饰碳纳米管绳具有最优的综合性能；最小直径为30微米时，单位质量的能量密度值最高为2.1±0.07 兆焦耳。正如预期的那样，最高的能量储存发生在最细的绳上。
随后，作者研究了扭转的热塑性聚氨酯修饰纱线法制造的单壁碳纳米管绳通过附加载荷旋转直接产生能量和载荷重量比SWCNT绳的重量高出一万倍。此外，热塑性聚氨酯修饰使碳纳米管绳应变能在短短1.1秒内恢复高达90±2%接近理论值，超短的解扭时间意味着高功率密度每千克1.85±0.43 兆瓦
为了证明在扭转绳样中可储存机械能，作者利用扭转绳中储存的能量旋转了一个比绳重8 000倍的圆盘。圆盘的最大角速度为164转/秒，恢复率约为100%，能量转换效率为22%。在目前的系统中，能量转换效率受到摩擦影响的限制，未来的工作应该减少摩擦以获得最大的能量转换效率。
碳纳米管储能还处于研发的初级阶段，但是碳纳米管储能在极宽的温度范围内保持稳定的功率输出，可能适用于医疗领域。特别地，基于人体运动能量充电的碳纳米管绳能为人工器官提供长期稳定的电源，开辟了新的应用前景，促进可持续性发展。未来随着碳纳米管技术工艺的提高以及成本降低，单壁碳纳米管储能可以走进我们日常生活。
审核专家：
霍群海 中国科学院电工研究所 研究员
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