自1993年發(fā)現(xiàn)以來，單壁碳納米管（SWCNTs）能源轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存設(shè)備的應(yīng)用，如太陽能電池、電池和超級電容器，顯示出新的概率，并解決了許多技術(shù)難題。伴隨著對碳中和和能源供應(yīng)日益增長的向往，選擇環(huán)保、高效的能源儲(chǔ)存策略變得非常重要。目前的能量儲(chǔ)存機(jī)制包括電化學(xué)、重力勢能和機(jī)械能等，但是市場上主流的鋰電池雖然能量密度高，但是存在很大的安全隱患。微型傳感器、醫(yī)療植入設(shè)備等特定應(yīng)用需要適應(yīng)寬環(huán)境溫度的儲(chǔ)能解決方案。扭曲的SWCNT繩具有獨(dú)特的適用性，具有高效的納米機(jī)械能儲(chǔ)存和良好的溫度穩(wěn)定性。

CNTs以其卓越的機(jī)械性能和輕質(zhì)特性而聞名，尤其是SWCNT在機(jī)械能儲(chǔ)存方面具有巨大的潛力。理論上，它可以儲(chǔ)存高達(dá)8兆焦耳/公斤的能量。與傳統(tǒng)碳纖維不同，扭曲的SWCNT繩通過獨(dú)特的機(jī)制儲(chǔ)存能量，其性能在極寬的溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，顯示出非凡的性能。

日本信州大學(xué)Katsumi就在這里。 通過實(shí)驗(yàn)，Kaneko教授課題組證明了扭曲SWCNT繩在機(jī)械能存儲(chǔ)方面的顯著潛力。試驗(yàn)表明，使用熱塑性聚氨酯（TPU）改性歪曲SWCNT繩可以安全可逆地儲(chǔ)存大量的機(jī)械能，顯示高達(dá)2.1 ± 0.07 MJ kg-能量密度為1.85 ± 0.43 MW kg-功率密度1。與電化學(xué)存儲(chǔ)設(shè)備相比，這些繩索的機(jī)械能存儲(chǔ)性能在廣泛的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定，具有更寬的適用環(huán)境溫度和更高的安全性。此外，預(yù)處理后的歪曲SWCNT繩顯示出高效的能量回收能力和循環(huán)穩(wěn)定性，即使經(jīng)過100次循環(huán)，能量恢復(fù)比也幾乎保持一致。這項(xiàng)研究強(qiáng)調(diào)了SWCNT作為未來能源存儲(chǔ)設(shè)備的巨大潛力。以“相關(guān)結(jié)果”Giant nanomechanical energy storage capacity in twisted single-walled carbon nanotube ropes"問題出現(xiàn)了《Nature Nanotechnology》上。

圖1. 扭曲的 SWCNT 繩索和其他可行的能量載體性能

/ 機(jī)械堅(jiān)韌的 SWCNT 繩及其表征 /

銷售直徑為1.5nm、長度1μ從m的SWCNT材料出發(fā)，作者通過紗線法、卷筒法和分散法等不同工藝制備了SWCNT繩。目的是利用特定設(shè)備(圖2a)對GED(能量存儲(chǔ)效率)進(jìn)行可逆地在歪曲纖維中儲(chǔ)存大量能量。扭轉(zhuǎn)應(yīng)變的定義ε = φD/2L0對SWCNT繩的扭轉(zhuǎn)能力進(jìn)行定量描述，并保持在彈性極限內(nèi)，以確保能量可逆存儲(chǔ)。發(fā)現(xiàn)制造方法對GED值有顯著影響，其中紗線法GED值最高。由于管束效應(yīng)，不同繩型的GED值較低，即SWCNT聚集造成的不足和紊亂。另外，GED值隨著線性密度的增加而降低，指出負(fù)載傳遞效率、強(qiáng)度和剛度的降低。

/ 加固加固SWCNT繩索 /

為了解決SWCNT繩索的局限性，作者采用了高聚物處理方法，旨在在保留單個(gè)納米管的機(jī)械性能的同時(shí)，提高SWCNT之間的負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力。添加TPU、SWCNT生產(chǎn)聚乙烯等高聚物紗線法 對y型繩進(jìn)行改性，提高其能量儲(chǔ)存性能。該改性顯著改變了SWCNT繩的形狀，如SEM和HRTEM微照片所示，通過聚合物的插層或碳、硫的沉積和微波輻照。通過改善SWCNT繩的彈性變形，這種改性不僅促進(jìn)了管間的負(fù)荷轉(zhuǎn)移，而且提高了機(jī)械能儲(chǔ)存能力。特別是TPU改性y型繩在應(yīng)力-應(yīng)變試驗(yàn)中具有優(yōu)異的機(jī)械性能，抗拉強(qiáng)度和延伸率明顯高于未改性繩。此外，實(shí)驗(yàn)還觀察到SWCNT繩的G帶在扭轉(zhuǎn)應(yīng)變下移位，表明改善的管間負(fù)荷轉(zhuǎn)移和繩索的彈性變形，從而實(shí)現(xiàn)了高GED值。

圖2. 加捻 SWCNT 繩索 GED 設(shè)備及測量

并非所有的化學(xué)處理都以同樣的方式增加GED值。通過PSS和PSL在類似環(huán)境下進(jìn)行改性的y型繩索(各自記錄y型繩索-ropes (PSS)和y-ropes (PSL)）扭轉(zhuǎn)應(yīng)變極限與TPU改性相似，但最大GED值小于y-rope (TPU)。另外，這些繩索的韌性與GED值有很強(qiáng)的關(guān)系，隨著碳沉積周期的增加，經(jīng)過80周期后達(dá)到最高值約1.35。 MJ kg?1。硫的進(jìn)一步沉積只會(huì)將能量儲(chǔ)存能力稍微提高到1.37 MJ kg?但是減少了應(yīng)變極限。筆者發(fā)現(xiàn)，盡管碳和硫的沉積改善了繩內(nèi)管間的藕合，但其效果并不像TPU那樣提高歪曲SWCNT繩的GED值。另外，作者討論了y-ropes (TPU)橫截面直徑對GED值和扭轉(zhuǎn)應(yīng)變極限的影響，當(dāng)發(fā)現(xiàn)直徑降低時(shí)，GED增加扭轉(zhuǎn)應(yīng)變極限降低，90。μ從2.3到30，m寬繩的扭轉(zhuǎn)應(yīng)變極限μ大約1.2的m寬繩。

圖3. GED 與 y 繩索的韌性與線密度的函數(shù)關(guān)系

/ 具有取向 SWCNT 配備的扭轉(zhuǎn) y 形繩 (TPU) /

y-ropes (TPU)與其它碳納米復(fù)合材料相比，GED值更高，具有遠(yuǎn)超其它材料的能量回收效率和快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)，顯示出其優(yōu)異的機(jī)械能儲(chǔ)存性能。由于SWCNTs在制造過程中形成了高度的定位和穩(wěn)定的設(shè)備。通過偏振拉曼光譜和SAXS分析得到證實(shí)，反復(fù)扭轉(zhuǎn)/釋放循環(huán)后，大多數(shù)SWCNTs達(dá)到了對齊，顯著增強(qiáng)了管間負(fù)荷轉(zhuǎn)移和機(jī)械能儲(chǔ)存。此外，y-ropes (TPU)與其它微型設(shè)備相比，在寬溫范圍內(nèi)顯示了高能轉(zhuǎn)換效率和低自放電率。它們能承受大量的扭轉(zhuǎn)/釋放循環(huán)，保持GED穩(wěn)定，顯示出優(yōu)異的穩(wěn)定性。扭曲的y-ropes (TPU)同時(shí)也被認(rèn)為是比電化學(xué)設(shè)備更干凈、更安全的能量儲(chǔ)存設(shè)備，這對人類健康產(chǎn)品至關(guān)重要。

圖4. 各種材料的機(jī)械 GED 比較

圖5. 單壁碳納米管通過扭轉(zhuǎn)使用 y 形繩 (TPU) 中重新定向

/ 扭曲的 SWCNT 潛在的繩索應(yīng)用 /

研究發(fā)現(xiàn)，扭曲的SWCNT繩可以可逆地儲(chǔ)存能量，其能量儲(chǔ)存密度是鋰電池的三倍，顯示了納米機(jī)械能量儲(chǔ)存的潛力。通過復(fù)合滑輪系統(tǒng)或縫紉機(jī)，可以生產(chǎn)出高度緊湊高效的SWCNT繩索能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)大量的能量緊湊存儲(chǔ)。盡管長SWCNT繩面臨著能量儲(chǔ)存能力下降的考驗(yàn)，但結(jié)合SWCNT紡紗技術(shù)的優(yōu)化，特別是TPU等熱塑性彈性體的應(yīng)用，提供了改進(jìn)的可能性，為實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的能量儲(chǔ)存開辟了道路。

圖6. 用于大規(guī)模納米機(jī)械儲(chǔ)能的復(fù)合 SWCNT 滑輪模型及富線縫模型系統(tǒng)

/ 總結(jié) /

可逆能量儲(chǔ)存不僅僅是一個(gè)電化學(xué)系統(tǒng)，就像手表和相機(jī)快門中常用的機(jī)械彈簧一樣，SWCNT繩的扭轉(zhuǎn)彈簧原理是一樣的，但是可以大大提高能量密度。與現(xiàn)有技術(shù)相比，SWCNT繩的這種納米機(jī)械能量存儲(chǔ)系統(tǒng)具有更好的能量存儲(chǔ)容量和安全性，特別是其能量密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過鋰電池。該系統(tǒng)在極寬的溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的功率輸出，而且成本較低，可能適用于醫(yī)療領(lǐng)域。特別是SWCNT繩基于身體運(yùn)動(dòng)能量充電，可以為人工器官提供長期穩(wěn)定的電源，開辟新的應(yīng)用價(jià)值，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。

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標(biāo)題：“復(fù)材信息”扭曲單壁碳納米管繩，Nat. Nanotechnol.！》

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