Small:基于二维金刚石的高能量密度机械能存储

电化学电池普遍应用于储能或者便携式电子设备/系统、机器人和电动汽车中。研究表明,仅锂电池的预期市场就将在2025年达到400亿美元,这不仅会导致矿物过度使用同时将导致大量的废弃电池组,从而极大威胁环境和人类健康。因此,开发紧凑、稳定、安全和高能量密度的其他能源存储系统,不仅是社会可持续发展的需求,同时也可面向极端苛刻环境或生物环境中的高端应用提供新的供能方案,例如外太空、深海探索和生物医学应用。以弹簧为代表的机械储能存储系统是其中的一种可持续储能选项,其使用可以追溯到中石器时代的弓,也可以在机械手表或者发条玩具中找到。然而由于其低能量密度,基于弹簧的机械储能系统很少用作机械系统的主供能模块。近年来,纳米技术的进步促使大量具有优异力学性能新型材料的出现,尤其是碳纳米材料,例如碳纳米管(CNT)和石墨烯。这些新型纳米材料为构建超高能密度的储能系统提供了新的选项。作者最近的工作表明,碳纳米线束的拉伸变形可以达到约1.8 MJ/kg的质量能量密度。

鉴于此,浙江大学占海飞课题组、澳大利亚昆士兰科技大学Yuantong Gu课题组、及新加坡高性能计算中心的Gang Zhang课题组提出基于二维金刚石的纳米尺度卷尺弹簧(图1),用于机械能量的存储。研究表明,接触式的卷尺弹簧在扭转变形过程中会在层间产生极大的摩擦力,从而应力集中、减弱其能量存储上限。基于此,他们提出了基于极低界面摩擦系数固定轨道的卷尺弹簧,从而将卷尺弹簧的主要变形模式转变为拉伸和弯曲(图2)。该卷尺弹簧的质量能量密度达到了2.03 MJ/kg(564 WH/kg),是钢弹簧的能量密度的14500倍。

【图1】接触式二维金刚石卷尺弹簧的扭转变形。(a)阿基米德螺旋示意图;(b)应变能关于扭转角的函数;(c)扭转过程中卷尺弹簧的应力和应变分布;(d)扭转变形前后卷尺弹簧中的C-H键长度分布。

【图2】具有固定轨道的卷尺弹簧的变形。(a)具有固定铜螺旋轨道的卷尺弹簧模型;(b)原子构型显示了层数为5的弹簧在断裂之前的von Mises原子应变分布;(c)不同扭转角度下平均von Mises原子局部剪切应变沿圆周的分布;(d)层数分别为 1、4和5的卷尺弹簧在扭转角弧度为0.99、4.55和5.76时的原子应力分布;(e)理论模型示意图;(f)具有不同层数的卷尺弹簧的能量密度,实线代表理论预测。

该研究表明,二维纳米材料,尤其是二维范德华固体可能是构造具有高能量密度卷尺弹簧的理想候选材料。该微纳尺度的卷尺弹簧可作为另一种绿色、可持续性、高可靠性、高稳定性以及低成本的能源存储选项。当前基于不同二维纳米材料的螺旋结构或一维vdW结构的成功合成为制备该卷尺弹簧提供了强有力的支持。

论文信息:

Nanoscale Diamane Spiral Spring for High Mechanical Energy Storage

Haifei Zhan*, Bin Dong, Gang Zhang*, Chaofeng Lü*, Yuantong Gu

Small

DOI: 10.1002/smll.202203887

原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202203887