为了实现可持续社会的目标，需要高能量存储设备。它们应该紧凑轻便，使用寿命更长，并且安全性更高。最终，它们应该超越目前的电池和超级电容器技术。为了满足这些需求，人们正在考虑使用单壁碳纳米管 (SWCNT)。它们表现出极大的韧性，有望成为创新能源解决方案的潜在技术。研究人员发现，扭曲的 CNT 比锂电池具有更好的能量存储能力。
研究目的：显示 SWCNT 的能力 可逆地存储纳米机械能。
核心亮点
- 生产热塑性聚氨酯弹性体包裹的 SWCNT 绳。
- SWCNT 扭绳具有 具有良好的可逆存储纳米机械能的能力.
- 扭绳的重量密度高达 2.1 MJ kg−1。
- 扭绳的储能能力比机械钢弹簧高出4个数量级以上。
- 它超越了锂离子电池 乘以3.
- 经过实验的扭曲的 SWCNT 绳可以在恶劣环境下保证储存的能量安全。
- 有 不会随时间消耗能量.
- 可在以下温度范围内使用： -60°C至+ 100°C.
扭曲的碳纳米管比锂电池具有更好的储能性能
单壁 碳纳米管 于 1993 年被发现。从那时起，它们不断显示出开发高性能能量转换和存储设备的独特可能性。在解决了各种技术限制后，科学家们利用这些 纳米管 在电池、太阳能电池和超级电容器中1。
现有的储能机制
目前使用的可逆机制包括：
- 电容器和电池中的电化学势能。
- 高位水库的重力势能。
- 机械能。
本系统可以存储大量可逆能量，回收效率约为98% 用于超导磁体.
缺点
- 这种方法的制冷成本极高。
- 传统机械钢弹簧中静态储存的机械能 具有较低的重量能量密度 （GED）为∼1.4 × 10−4 MJ kg−1。
- 锂离子电池的GED值≤0.72 MJ kg−1，比机械弹簧高4个数量级。
- 储能容量越高，就越容易出现火灾等安全风险。
这里是一个 当前储能装置的比较。其中，只有少数适合在很宽的温度范围内储存和输送能量。而且，也适用于远程微型传感器或医疗植入设备。
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机械韧性 SWCNT 绳的表征
研究人员采用市售的含有 SWCNT 的材料，材料直径为 1.5 nm，长度约为 1 µm，通过不同的制造工艺制成 SWCNT 绳。
产生的绳索类型包括：
- Y 型绳索：采用纱线法形成
- r-绳索：采用辊压法成型
- d 绳：采用分散法形成
为了实现研究目标，研究人员首先 需要确定一种可靠的测量技术下图显示了根据所用的制造方法，最大 GED 值和图形完美度方面的差异。这里，纱线方法 显示最高 GED 值，平均为 0.22 ± 0.05 MJ kg−1 平均扭曲值（ε）= 0.95。
未经任何进一步加工，所有类型绳索的 GED 值都很低，可能是由于管束的原因。
术语：当多个 SWCNT 聚集成绳状时，会导致应变和晶格扭曲，这种情况称为管束。当管相互相互作用时，就会发生这种情况，从而导致缺陷和紊乱，从而降低 GED。
研究人员通过SEM照片了解了束状结构对SWCNT储能性能的影响，其中平均束状尺寸最小的d型绳明显具有最低的GED。
这得到了 制备绳索的线密度分析。随着绳索的线密度增加，GED 下降。另一方面，随着 y 型绳索束尺寸的增加，其 GED 增加。导致效率低下的因素
- 曲折度高
- 管束
- 填充密度低
由于这些因素，纳米管在相互之间传递负载时效率低下。这导致刚度和强度较低，从而导致 GED 值较低。
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绳索加固处理：突破限制
其中包括一种聚合物处理方法，以增强 SWCNT 之间的负载转移。在此过程中，单个纳米管的重要机械性能得以保留。通过这种方法，单个 SWCNT 的拉伸速度加快，使绳索更适合储能。研究人员使用 PSS、PVA、TPU 和 PSL 等聚合物来提高 y 型绳材料的储能潜力。
此 下图为 SWCNT y 型绳的改性 通过插入聚合物或 硫或碳的分解.
这是加工和 TPU 改性之前的 SWCNT 绳的 SEM 显微照片。它显示了改性后整体形态的变化。微波辐射显示了 TPU 包裹的 SWCNT 链的间隙位置和表面之间的重要差异（之前和之后）。
辐射后，熔融的 TPU 通过间隙位置扩散。这装饰了 SWCNT 的外部，并充当相邻管和线的潜在连接器。因此，y 型绳的紧密堆积也增加了。当紧密堆积时，管间连接绳 表现出均匀的转移并保留了纳米级 SWCNT 绳样品的机械性能。这进一步导致 更高的 GED.
拉曼光谱：SWCNT 的形态变化
研究人员对 SWCNT 绳形态变化的解释得到了拉曼光谱的支持，如下图所示。y 型绳在 G 模式中表现出最高的向上偏移。其 G/D 比为 84.8，比碳或硫沉积的 y 型绳大得多，但略小于普通 y 型绳。
聚合物改性对 Y 型绳机械性能的影响
这提高了 Y 型绳索的机械性能，其应力-应变曲线证实了这一点。特别是， y 型绳索（TPU）具有最大的 σB 值 和εb以及比y型绳更大的E（一般）。这进一步增加了高机械能储存。
通过原位拉曼光谱监测 SWCNT 绳在压力下的变形. 扭转循环增强了绳内 SWCNT 的排列。它优化了管之间的负载传递。
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并非所有化学疗法都同样有效
是的，并非所有治疗中的 GED 都得到了同等程度的提高。
- 随着碳沉积循环次数的增加，y 型绳的 GED（C）也增加。
- 由于绳索的韧性与 GED 表现出很强的相关性，因此在 y 型绳索中添加更多硫对增加能量存储容量的影响微乎其微。
- 类似地，当比较由 PSL 和 PSS 改性的 Y 型绳索时，与由 TPU 制成的绳索相比，它们显示出相似的扭转应变极限和较低的最大 GED。
- 这些情况表明，沉积的碳和硫改善了管间耦合。但它们在增强 GED 方面不如 TPU 有效。
扭绞 Y 型绳的能量输出和转换
通过旋转附在其上的负载（吊钩+桨）来研究直接能量的输出。该装置比绳索样品重 4 到 104 倍。
输出测试用绳索的准备过程
首先，用电机以每分钟 10 转 (RPM) 的速度将绳索扭转 20、30 和 110 圈。然后，在负载下让绳索解开。具体来说，经过 10 圈后，绳索解开到原始解开状态的约 90%。
这表明，即使绳子解开后，绳子上仍存在残留的扭曲。它的存在表明 由于空气阻力和内部摩擦而产生一些能量耗散.系统的周期运动可由此衰减。
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其他观察
- 研究人员观察到，TPU y 型绳索样品在反向旋转过程中，Rr（恢复）值超过 100%。这在正向扭转 20 次和 30 次的绳索中很明显。
- 此外，TPU 作为 Y 型绳索中的连接件，可在短短 90 秒内实现约 2±1.1% 的应变能量恢复。
- 解扭时间非常短，这意味着更高的功率密度，约≤1.85±0.43 MW kg-1。
- 如果没有TPU，能源效率会下降至65±5%。
- 在超过 20 小时的时间内，由于自放电引起绳索结构变化，能量回收效率下降了 20%。
- TPU聚合物的存在有效地降低了上述能量损失。
SWCNT 绳的潜在应用
根据观察，与 LIB 相比，扭曲的 SWCNT 绳可以存储大约 3 倍的能量。对于进一步的应用， 可以使用复合材料滑轮设计系统。或使用 CNT 进行接缝 也可以用于缝纫机。两种方法都可以在紧凑的物体中存储大量的纳米机械能。
结论
扭曲的碳纳米管比锂电池具有更好的能量存储能力，因为它们的工作原理与钢制螺旋弹簧类似，但它们可以存储比后者多得多的能量。这种纳米机械技术在高能量密度和可靠的能量保持方面显示出优于现有技术的几个优势。此外，它们可以多次充电和放电，没有任何安全风险。
与其他系统相比，这形成了鲜明的对比。此外，SWCNT 绳能够在很宽的温度范围内提供稳定的温度，非常适合生物相容性医疗用途。此外，该技术可以为人造器官等小型设备提供更长时间的供电，而无需进行手术更换。总而言之，SWCNT 绳可以以可持续的方式解决许多问题。
