QUT研究人员提出使用金刚石纳米线束 为储能电池设计带来革新

昆士兰科技大学（QUT）材料科学中心的科学家们在《自然通讯》上发表了一篇新的研究论文，提出使用金刚石纳米线束（DNT）来提供能量储能能力，这可能会给机械和生物医学工程带来一场革命。

DNT是一种碳纳米结构——一组超薄的一维碳线，当它们被扭曲或拉伸时可以储能能量。昆士兰科技大学的研究员詹海飞博士领导了这个研究小组，他把纳米结构比作一个压缩的线圈或儿童的发条玩具。他说，“当扭曲的线圈解开时，能量可以被释放出来。”

据小组分析，其诀窍在于控制产生的能量。如果这种能量可以被稳定下来，那么它就可以被用于一系列的应用，从生物医学监测系统到纳米机器人，以及机械能量储能。

詹教授说：“与锂离子电池等使用电化学反应来储存和释放能量的化学储存不同，机械能系统本身的风险要低得多。”

机械能储存不会有在极端温度下发生故障的风险，也不会有化学污染的风险。纳米线的稳定性和安全性并不让人惊讶，因为它本质上是钻石——我们所知道的最坚硬的材料。

当然，钻石的结构意味着它是非常强大，坚硬，轻。有了这些特性的装备，DNT的潜力只会受到科幻作家想象力的限制。19世纪末首次提出的“星际到太空”运输系统的著名构想，被吹捧为DNT（禁止追踪）的一种可能应用，同时被吹捧为更实际的、更高效的电动汽车的构想。

在能量密度方面DNT的能量储能潜力是惊人的。按磅计算，DNT的能量密度——也就是说，它的质量能储存多少能量——为每公斤1．76兆焦耳，比同质量的钢弹簧高出4-5个数量级，是锂离子电池的三倍。

碳纳米管是一种一维纳米材料，具有许多异常的力学、电学和化学性能。

研究人员认为，由于碳纳米管（CNT）的高强度、高模量，利用基于碳纳米管的纤维作为机械能储存介质和能量采集器，应当是可行的，相比电化学电池（如锂离子电池）也可以实现快速有效、更为稳定可逆的能量充放电。长远来看，这些特性也可能使其成为人造肌肉、软体机器人、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研究，研究主要关注碳纳米管纤维的结构（如编织结构、平行结构或加捻结构）及其后处理（如液体收缩、渗透、功能化）。

受此启发，研究团队认识到了制造「高强度金刚石纳米线束」的可能性——其表面完全氢化，因而纳米线间可引入界面共价键，同时还可保持线状形态和优异的机械性能，并可触发纳米线间或纳米线与聚合物基质间的强机械互锁效应。

研究人员有了一个想法，但现在他们必须把它付诸行动。在未来的两到三年内，QUT团队计划构建控制系统，以测试纳米线的扭曲和拉伸。

下图a展示了两种不同的金刚石纳米线束Achiral和Chiral，Achiral具有对称的横截面和线性形态，而Chiral则具有初始的螺旋形态。由于直径较小，纳米线束能够在任意键断裂前达到非常高的扭转角，图中两个纳米线束的扭转角分别约为25.55rad和17.28rad。两个纳米线束名称后的六个整数分别表示结构中的键合拓扑。

研究人员利用大规模分子动力学（MD）方法，对比了两种金刚石纳米线束与（10，10）碳纳米管。上图b、c分别表示两种金刚石纳米线束和（10，10）碳纳米管（即图中的CNT）的能量密度与扭转、张力的关系。

此外，研究团队对不同变形状态下，三种金刚石纳米线束（3、7、19分别表示纳米丝的数量）的能量密度进行了理论预测。其中，红色、蓝色、橙色、粉色、点线分别代表压缩、弯曲、张力、扭转和大规模分子动力学得到的结果。

通过一系列探究，研究团队发现金刚石纳米线束具有较高的机械能存储密度，重力能量密度会随线束的数量变化而降低，其中扭转和张力是主要的影响因素。

此外，金刚石纳米线束与（10，10）碳纳米管的机械能储存容量相似，但金刚石纳米线束有其自身的优越性——鉴于金刚石纳米线束的结构，通过纯张力就可实现其全部的机械能存储潜力，即高达1.76MJkg-1的能量密度，是锂电池的3倍，因此完全可以用来作为储能装置。

同时值得注意的是，由于研究团队模拟时的温度较低，室温下金刚石纳米线束的储能能力也有可能被高估了。

不过，金刚石纳米线束在机械能存储中的突出表现不可否认。

就碳纳米线束，论文合著者之一HaifeiZhan表示：

这一结构类似于压缩的线圈或者小孩的发条玩具。缠绕着的线束散开便可释放能量。如果设计一个系统来控制纳米线束释放的能量，那么对于许多应用而言，这一储能方案将更为安全、稳定，可广泛应用。

HaifeiZhan也主要提到了系统的安全性问题——由于不涉及锂离子电池所需进行的电化学反应，因此也就避免了泄漏、爆炸或其他较小的化学故障的风险：

化学储能系统在高温下可能会爆炸，在低温下可能会失灵。出现故障时发生泄漏，还会造成化学污染。但是机械式储能系统没有这些风险，所以更适合于在人体内应用。

研究团队也表示，该系统未来可以用于可穿戴技术、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、航天电子，以及场发射、电池、智能纺织品和建筑材料等结构性复合材料等多个领域。，雷锋网