Коллектив китайских исследователей предложил использовать для хранения энергии бездефектные сверхдлинные натянутые углеродные нанотрубки.

Даже при современном уровне развития науки и техники проблема сохранения энергии (с высокой плотностью, сохранностью и оптимальной кинетикой запасания и извлечения) остается довольно острой. И если о различных батареях, ионисторах и топливных элементах сказано уже довольно много, то устройствам, в которых запасается механическая энергия, уделено куда меньше внимания. Восполнить этот пробел постарался коллектив китайских исследователей, который предложил использовать для хранения энергии бездефектные сверхдлинные натянутые углеродные нанотрубки.

Рис. 1. а) Подложка SiO₂/Si, на которой выращивались свободностоящие нанотрубки b) СЭМ-микрофотографии полученных нанотрубок с) ПЭМ-микрофотография трехслойной УНТ, отмеченных на рисунке (b) стрелкой d) СЭМ-микрофотография подвешенной нанотрубки с частицами диоксида титана.

Для получения сверхдлинных нанотрубок авторы статьи использовали SiO₂/Si подложку, в которой были проделаны специальные канальца, для получения «свободностоящих» трубок. Сами нанотрубки (длиной до 10 см) получали разложением метана при 10000С на катализаторе (наночастицы железа). Чтобы визуализировать «свободностоящую» часть нанотрубки на нее были нанесены частицы TiO2, распылением аэрозоля TiCl₄.

Рис. 2. Схематическое изображение эксперимента по деформации подвешенных нанотрубок.

Благодаря высокой жесткости (модуль Юнга Е = 1,34 ТПа) и прочности (предельная деформация до 17%), плотность энергии деформированных нанотрубок может достигать 1125 В·ч/кг, что в 3 раза превосходит плотность энергии в супермаховиках, в 5–8 раз плотность энергии в литий-ионных батареях и 25000 раз превосходит плотность энергии, запасенной в деформированных струнах.

Рис. 3. а) Рамановский спектр полученных нанотрубок. Малоинтенсивный сигнал D-полосы свидетельствует о малой дефектности полученных УНТ b) Диаграммы напряжения-деформации и плотности энергии-деформации для трех УНТ с) Диаграммы напряжения-деформации спустя 200, 400, 600, 800 и 1000 циклов напряжения/релаксации.

Одним из ключевых требований к устройствам для хранения энергии является стабильность и обратимость работы. Опыты показали, что спустя 1000 циклов деформации/релаксации величина предельной деформации остается практически неизменной. Дело осталось за малым – применить полученные результаты на практике.

Результаты исследований опубликованы в статье:

Rufan Zhang, Qian Wen, Weizhong Qian, Dang Sheng Su, Qiang Zhang, Fei Wei Superstrong Ultralong Carbon Nanotubes for Mechanical Energy Storage. – Advanced Materials. – DOI: 10.1002/adma.201100344.