在储能领域，钻石也能大放异彩。
近日，澳洲昆士兰科技大学研究团队研发出了金刚石奈米线束储能系统，并透过建模得出该系统能量密度可达 1.76 MJ kg-1，比同质量的钢弹簧高出 4-5 个数量级，是锂离子电池的 3 倍。
当地时间 4 月 20 日，相关研究成果线上发表于《自然》子刊《自然通讯》（Nature Communications），题为 High density mechanical energy storage with carbon nanothread bundle（碳奈米线束的高密度机械能储存） 。
自然界中最坚硬的物质
“没有金刚钻，就别揽瓷器活”，这句话，其实源于一门古老的民间手艺“锔瓷”。
锔瓷是指，把打碎的瓷器再修复起来的技术。而金刚钻，就是锔瓷达人们为更加精致地完善瓷器钻孔、镶金、黏合等工作制作的一种棍状工具，因顶端上有一颗硬度极大的金刚石而得名。
而这里的金刚石，是一种由碳元素组成的矿物，是石墨的同素异形体，也是自然界中天然存在的最坚硬的物质。实际上，金刚石正是钻石的原身。
一般而言，金刚石主要用于制作观赏宝石或用于制造地质钻头、石油钻头等工业场景。文艺复兴时期的金刚石，常常被意大利豪门当做一种慢性毒药──服下金刚石粉末后，粉末会黏在胃壁上，经过长期摩擦会造成胃溃疡、胃出血，最终导致死亡。
而如今，要以可持续的方式满足日益增长的能源需求，金刚石再次派上了用场。
大规模储能介质
当前可再生能源供应的解决方案，主要是利用工业废热、太阳能光伏能量或在环境中收获机械能，包括电磁电能发生器、机械能采集器和电化学采集器在内的各种能量采集器也应运而生。
而面对这种间歇性的可再生能源，也就意味着大规模的能量储存成为 21 世纪能源领域的一个重要课题。
基于这个考虑，昆士兰科技大学研究团队想到了一种材料──“奈米碳管”（CNT）。
（Source：Basroks / CC BY-SA）
奈米碳管是一种一维奈米材料，具有许多异常的力学、电学和化学性能。
研究人员认为，由于奈米碳管（CNT）的高强度、高模量，利用基于奈米碳管的纤维做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、软件机器人、柔性电子设备的重要组成部分。
近年来，奈米碳管得到广泛研究，研究主要关注奈米碳管纤维的结构（如编织结构、平行结构或加撚结构）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“高强度金刚石奈米线束”的可能性──其表面完全氢化，因而奈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，并可触发奈米线间或奈米线与聚合物基质间的强机械互锁效应。
安全、稳定、可广泛使用的储能方案
既然已经确定了解决方案，自然要来测试一下可行性如何了。
下图 a 展示了 2 种不同的金刚石奈米线束 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，奈米线束能够在任意键断裂前达到非常高的扭转角，图中 2 个奈米线束的扭转角分别约为 25.55 rad 和 17.28 rad。2 个奈米线束名称后的 6 个整数分别表示结构中的键合拓扑。
（Source：Nature）
研究人员利用大规模分子动力学（MD）方法，对比了 2 种金刚石奈米线束与（10，10）奈米碳管。上图 b、c 分别表示 2 种金刚石奈米线束和（10，10）奈米碳管（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，3 种金刚石奈米线束（3、7、19 分别表示奈米丝的数量）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。
（Source：Nature）
透过一系列探究，研究团队发现金刚石奈米线束具有较高的机械能储存密度，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，金刚石奈米线束与（10，10）奈米碳管的机械能储存容量相似，但金刚石奈米线束有其自身的优越性──鉴于金刚石奈米线束的结构，通过纯张力就可实现其全部的机械能储存潜力，即高达 1.76 MJ kg-1 的能量密度，是锂电池的 3 倍，因此完全可以用来做为储能装置。
同时值得注意的是，由于研究团队模拟时的温度较低，室温下金刚石奈米线束的储能能力也有可能被高估了。
不过，金刚石奈米线束在机械能储存中的突出表现不可否认。
论文合著者之一 Haifei Zhan 表示：
这个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奈米线束释放的能量，那么对于许多应用而言，这个储能方案将更为安全、稳定，可广泛应用。
（Source：PHYS.ORG）
Haifei Zhan 也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。
事实上，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，以及场致发射、电池、智慧纺织品和建筑材料等结构性复合材料等多个领域。
- Diamonds shine in energy storage solution
- High density mechanical energy storage with carbon nanothread bundle
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（本文由 雷锋网 授权转载；首图来源：pixabay）
