碳纳米管弹簧的性能优于锂离子电池

新研究麻省理工学院科学家们认为，碳纳米管——纯碳的管状分子——可以形成微小的弹簧，能够像最先进的锂离子电池一样一磅一磅地储存能量，而且可能更耐用、更可靠。

例如，想象一下，一个应急备用电源或报警系统可以在不失去“电量”的情况下保留多年，便携式机械工具（如吹风机）可以在没有小型汽油发动机噪音和烟雾的情况下工作，或将设备送入油井或其他恶劣环境中，在这些环境中，普通电池的性能会因极端温度而降低。据机械工程副教授卡罗尔·利弗莫尔（Carol Livermore）说，碳纳米管弹簧可能具有这种潜力。她发现，碳纳米管弹簧的潜在储能能力是钢弹簧的一千倍以上。

两篇描述利弗莫尔和她的团队在碳纳米管弹簧储能方面发现的论文刚刚发表。利弗莫尔、研究生Frances Hill和Timothy Havel SM '07合著的一篇描述弹簧潜力的理论分析的论文发表在6月的《纳米技术》杂志上。另一篇论文,利弗莫尔,希尔,哈维尔和a . John Hart SM的02博士”,密歇根大学的教授,描述实验室测试表明,碳纳米管可以超过钢的储能潜力,出现在9月号的《微观力学和微工程学。

理论分析表明，碳纳米管弹簧最终的能量密度是钢弹簧的1000多倍，可与最好的锂离子电池相媲美。

发出咔嗒声或滴答声

利弗莫尔解释说，在某些应用中，弹簧比其他存储能量的方式更有优势。例如，与电池不同，弹簧既可以在快速、强烈的爆炸中有效地传递储存的能量，也可以在长时间内缓慢、稳定地传递能量——捕鼠器的弹簧和上发条的钟表的弹簧的区别就是例证。此外，与电池不同的是，弹簧中储存的能量通常不会随着时间的推移慢慢流失;捕鼠器可以在不消耗任何能量的情况下保持多年的捕捉姿势。

因此，此类系统可能适合紧急备份系统的应用。Livermore说，有了电池，这类设备需要经常进行测试，以确保它们仍然充满电，并在电池耗尽时更换或重新充电，但有了基于弹簧的系统，原则上“你可以把它贴在墙上，然后忘记它。”。

利弗莫尔说，由这些微型管制成的弹簧可能会首次应用于大型设备，而不是微型机电设备。首先，这种弹簧的最佳用途可能是机械地储存能量，然后用来驱动机械负载，而不是先将其转化为电力。

任何需要从机械能到电能再到电能转换的系统，使用发电机和电机，都会在摩擦和其他产生废热的过程中损失部分能量。她说，例如，当自行车在下坡滑行时储存能量，然后在上坡时释放能量以提高动力的再生制动系统，如果它从弹簧而不是电气系统储存和释放能量，可能会更有效率。除了直接的能量损失外，目前这种机电系统的一半重量都在用于转换的电机发电机中——这在纯机械系统中是不需要的。

纳米管之所以能被制成更长的纤维，从而形成有效的弹簧，原因之一是纳米管分子本身就有很强的粘附性。这使得把它们纺成长纤维相对容易——就像羊毛可以纺成纱一样——这是世界各地许多研究人员正在研究的东西。“事实上，”利弗莫尔说，这些纤维太粘了，“当你试图把它们从镊子上取下来的时候，会有一些滑稽的时刻。”但这种质量意味着，最终有可能“制造出看起来像碳纳米管的东西，而且你想要多长就有多长”。

坚韧持久

碳纳米管弹簧还有一个优点，那就是它们相对不受温度和其他环境因素的影响，而电池则需要在特定的条件下进行优化，通常是在正常的室温下工作。因此，纳米管弹簧可能会在极端条件下得到应用，例如用于承受高温和压力的油井，或用于温度在极热和极冷之间波动的太空飞行器。

利弗莫尔说:“它们还应该能够多次充电而不损失性能。”尽管随着时间的推移，实际性能仍需要测试。

利弗莫尔说，要制造出接近于实现这种材料在理论上可能的高能量密度的设备，还需要大量额外的基础研究，其次是工程工作。在其他方面，最初的实验室测试使用了平行连接的碳纳米管纤维，但要制造一种实用的能量存储设备，需要在不失去关键优势的情况下，将碳纳米管组装成更长的、可能更厚的纤维。

利弗莫尔说：“这些按比例放大的弹簧需要很大（即，包含许多碳纳米管），但这些单个碳纳米管需要在管的整体组装中充分协同工作，以使其具有与单个管相当的性能。”。“这不容易做到。”

德克萨斯大学机械工程教授Rod Ruoff补充说，虽然这种系统的理论能量密度很高，但目前制造碳纳米管的方法在生产高度集中束的能力上是有限的，因此，“在我看来，这里的‘容易实现的果实’是找到重要的应用，即单位重量的能量密度大于单位体积的能量密度。”但是，他补充说，如果利弗莫尔和她的团队能够生产出密度更大的碳纳米管束，那么用这样的系统“就有令人兴奋的机械能量存储的可能性”。

该集团已经就这项技术申请了专利。他们的工作得到了德斯潘德技术创新中心点火基金和麻省理工学院能源计划种子基金的资助。