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：证明单壁碳纳米管能够可逆地储存纳米机械能。
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。自那时起，它们不断展现出在开发高性能能量转换和存储器件方面的独特潜力。在克服了各种技术限制后，科学家们已将这些纳米管应用于电池、太阳能电池和超级电容器等领域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。
目前的系统可以在超导磁体中存储大量的可逆能量，其回收效率约为98% 。
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。
以下是对现有储能装置的比较。其中，只有少数几种适用于在宽温度范围内存储和输送能量，而且还要应用于微型传感器或医疗植入设备中。
根据一项研究，利用活性MXene材料可以经济高效地生产绿色氢气。
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。下图展示了基于不同制造方法的最大几何能量密度（GED）值和图形完美度的差异。其中，纱线法展现出最高的GED值，在平均捻度（ε）= 0.95时，平均值为0.22 ± 0.05 MJ kg−1 。
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：当多根单壁碳纳米管聚集在一起形成束状结构，导致应变和晶格畸变时，这种情况被称为管束聚集。当碳纳米管之间相互作用时，就会发生这种情况，导致缺陷和紊乱，从而降低几何平均密度（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。
对制备绳索的线密度分析也支持了这一结论。结果表明，随着绳索线密度的增加，GED值下降。另一方面，随着Y型绳束尺寸的增加，其GED值也随之增加。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。
新南威尔士大学的另一项研究发现，细菌纳米线有助于开发绿色电子产品。
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。
下图显示了通过聚合物插层或硫或碳的分解对 SWCNT y 形绳进行改性。
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）。
辐照后，熔融的TPU扩散到间隙位置，覆盖在单壁碳纳米管（SWCNT）表面，并作为相邻管和束的潜在连接剂。因此，Y形绳的紧密堆积也随之增加。紧密堆积的管间连接绳表现出均匀的能量转移，并保持了纳米级SWCNT绳样品的力学性能。这进一步提高了GED值。
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
这增强了Y型绳的力学性能，其应力-应变曲线证实了这一点。特别是，TPU型Y型绳的σB和εb值最大，且弹性模量E也大于普通Y型绳。这进一步提高了其机械储能能力。
利用原位拉曼光谱监测了单壁碳纳米管束在压力下的形变。扭转循环增强了单壁碳纳米管束内单壁碳纳米管的排列，优化了管间载荷传递。
令人惊讶的是，东北大学的研究人员正在利用无序岩盐氧化物制造可充电镁电池。
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，即使绳索解捻后，其中仍然残留有扭转力。这种残余扭转力的存在表明，空气阻力和内摩擦会导致一定的能量耗散。系统的周期性运动可能会因此而衰减。
在另一项研究中，韩国科学技术研究院 (KIST) 的研究人员开发出安全经济的水系可充电电池。
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，与锂离子电池相比，扭曲的单壁碳纳米管绳可以储存大约三倍的能量。为了进一步应用，可以设计使用复合材料滑轮的系统。或者，也可以使用碳纳米管缝合线配合缝纫机。这两种方法都可以在紧凑的结构中储存大量的纳米机械能。
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。
