在儲能領域，鑽石也能大放異彩。
近日，澳大利亞昆士蘭科技大學研究團隊研發出了金剛石納米線束儲能系統，並通過建模得出該系統能量密度可達 1.76 MJ kg-1，比同質量的鋼彈簧高出 4-5 個數量級，是鋰離子電池的 3 倍。
當地時間 2020 年 4 月 20 日，相關研究成果在線發表於《自然》子刊《自然通訊》（Nature Communications），題為 High density mechanical energy storage with carbon nanothread bundle（碳納米線束的高密度機械能存儲）。
自然界中最堅硬的物質
沒有金剛鑽，就別攬瓷器活。
這句耳熟能詳的話，其實源於一門古老的民間手藝「鋦瓷」。
鋦瓷是指，把打碎的瓷器再修復起來的技術。而金剛鑽，就是鋦瓷藝人們為更加精緻地完善瓷器鑽孔、鑲金、粘合等工作制作的一種棍狀工具，因頂端上有一顆硬度極大的金剛石而得名。
而這裡的金剛石，是一種由碳元素組成的礦物，是石墨的同素異形體，也是自然界中天然存在的最堅硬的物質。實際上，金剛石正是鑽石的原身。
通常而言，金剛石主要用於製作觀賞寶石或用於製造地質鑽頭、石油鑽頭等工業場景。文藝復興時期的金剛石，常常被意大利豪門當做一種慢性毒藥——服下金剛石粉末後，粉末會粘在胃壁上，經過長期摩擦會造成胃潰瘍、胃出血，最終導致死亡。
而如今，要以可持續的方式滿足日益增長的能源需求，金剛石再次派上了用場。
大規模儲能介質
雷鋒網瞭解到，當前可再生能源供應的解決方案，主要是利用工業廢熱、太陽能光伏能量或在環境中收穫機械能，包括電磁電能發生器、機械能採集器和電化學採集器在內的各種能量採集器也應運而生。
而面對這種間歇性的可再生能源，也就意味著大規模的能量存儲成為 21 世紀能源領域的一個重要課題。
基於這一考慮，昆士蘭科技大學研究團隊想到了一種材料——「碳納米管」（CNT）。
碳納米管是一種一維納米材料，具有許多異常的力學、電學和化學性能。
研究人員認為，由於碳納米管（CNT）的高強度、高模量，利用基於碳納米管的纖維作為機械能儲存介質和能量採集器，應當是可行的，相比電化學電池（如鋰離子電池）也可以實現快速有效、更為穩定可逆的能量充放電。長遠來看，這些特性也可能使其成為人造肌肉、軟體機器人、柔性電子設備的重要組成部分。
近年來，碳納米管得到了廣泛研究，研究主要關注碳納米管纖維的結構（如編織結構、平行結構或加捻結構）及其後處理（如液體收縮、滲透、功能化）。
受此啟發，研究團隊認識到了製造「高強度金剛石納米線束」的可能性——其表面完全氫化，因而納米線間可引入界面共價鍵，同時還可保持線狀形態和優異的機械性能，並可觸發納米線間或納米線與聚合物基質間的強機械互鎖效應。
安全、穩定、可廣泛使用的儲能方案
既然已經確定瞭解決方案，自然要來測試一下可行性如何了。
下圖 a 展示了兩種不同的金剛石納米線束 Achiral 和 Chiral，Achiral 具有對稱的橫截面和線性形態，而 Chiral 則具有初始的螺旋形態。由於直徑較小，納米線束能夠在任意鍵斷裂前達到非常高的扭轉角，圖中兩個納米線束的扭轉角分別約為 25.55 rad 和 17.28 rad。兩個納米線束名稱後的六個整數分別表示結構中的鍵合拓撲。
研究人員利用大規模分子動力學（MD）方法，對比了兩種金剛石納米線束與（10，10）碳納米管。上圖 b、c 分別表示兩種金剛石納米線束和（10，10）碳納米管（即圖中的 CNT）的能量密度與扭轉、張力的關係。
此外，研究團隊對不同變形狀態下，三種金剛石納米線束（3、7、19 分別表示納米絲的數量）的能量密度進行了理論預測。其中，紅色、藍色、橙色、粉色、點線分別代表壓縮、彎曲、張力、扭轉和大規模分子動力學得到的結果。
通過一系列探究，研究團隊發現金剛石納米線束具有較高的機械能存儲密度，重力能量密度會隨線束的數量變化而降低，其中扭轉和張力是主要的影響因素。
此外，金剛石納米線束與（10，10）碳納米管的機械能儲存容量相似，但金剛石納米線束有其自身的優越性——鑑於金剛石納米線束的結構，通過純張力就可實現其全部的機械能存儲潛力，即高達 1.76 MJ kg-1 的能量密度，是鋰電池的 3 倍，因此完全可以用來作為儲能裝置。
同時值得注意的是，由於研究團隊模擬時的溫度較低，室溫下金剛石納米線束的儲能能力也有可能被高估了。
不過，金剛石納米線束在機械能存儲中的突出表現不可否認。
就碳納米線束，論文合著者之一 Haifei Zhan 表示：
這一結構類似於壓縮的線圈或者小孩的發條玩具。纏繞著的線束散開便可釋放能量。如果設計一個系統來控制納米線束釋放的能量，那麼對於許多應用而言，這一儲能方案將更為安全、穩定，可廣泛應用。
Haifei Zhan 也主要提到了系統的安全性問題——由於不涉及鋰離子電池所需進行的電化學反應，因此也就避免了洩漏、爆炸或其他較小的化學故障的風險：
化學儲能系統在高溫下可能會爆炸，在低溫下可能會失靈。出現故障時發生洩漏，還會造成化學汙染。但是機械式儲能系統沒有這些風險，所以更適合於在人體內應用。
事實上，研究團隊也表示，該系統未來可以用於可穿戴技術、與心臟和大腦功能相關的生物醫學工具、機器人、下一代電力傳輸線、航天電子，以及場發射、電池、智能紡織品和建築材料等結構性複合材料等多個領域。
引用來源：
[1]https://phys.org/news/2020-04-diamonds-energy-storage-solution.html
[2]https://www.nature.com/articles/s41467-020-15807-7
[3]https://www.sciencedaily.com/releases/2020/04/200421090540.htm
[4]https://baike.baidu.com/item/%E9%87%91%E5%88%9A%E7%9F%B3/80698
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