碳纳米管纤维：能源传输新星
碳纳米管纤维：能源传输新星
碳纳米管纤维因其独特的机械和电气性能，在能源传输领域展现出巨大潜力。最新的研究表明，通过化学气相沉积等工艺制备的碳纳米管纤维不仅具有优良的导电性，还具备柔韧性，使其成为未来柔性电子设备和可穿戴技术的理想材料。这些特性使得碳纳米管纤维在能量转换和存储系统中表现出色，有望推动能源传输领域的重大革新。
碳纳米管纤维的基本特性
碳纳米管是一种典型的一维纳米材料，具有高强度和高导电导热性的优秀性能。其结构为蜂巢状的一维纳米空心管，其中C-C原子以sp2杂化构成共价键。根据碳纳米管的管壁数，可分为单壁碳纳米管（SWCNT）和多壁碳纳米管（MWCNT），而根据碳纳米管的结构特征又可分为扶手椅形、锯齿形和螺旋型三种，其中螺旋型碳纳米管具有手性，而锯齿形和扶手椅型碳纳米管没有手性。
碳纳米管的电导率高达108 S•m-1，是铜金属的一万倍；常温下热导率通常在3000 W•(m•K)-1以上，远超其它金属材料；碳纳米管密度仅为钢的1/6，但抗拉强度却是钢的100倍，最高可达200Gpa；弹性模量达1.34Tpa，与金刚石相当，是钢的5倍。除此之外，碳纳米管还具有弹性高、比表面积大、稳定性好和抗疲劳性能等。
在柔性电子设备和可穿戴技术中的应用
近期，某校张素风教授团队在Advanced Fiber Materials上发表的研究成果展示了碳纳米管纤维在柔性电子设备和可穿戴技术中的创新应用。该研究提出了一种羧基化纤维素纳米纤维（CNF）介导的水性碳纳米管（CNT）的分散方法，基于二者之间的纳米尺寸匹配性、氢键及π-π堆叠相互作用，得到稳定分散的生物基CNF/CNT（CCNT）导电浆液，可在多种基材上采用不同方式构建具有多功能先进传感器，在监测人体健康方面表现出优异的性能。
研究团队使用CNFs作为绿色分散剂将CNT均匀稳定地分散在水中，并研究了分散效果和机理。基于C-CNF的优异成膜性，CCNT分散体经真空抽滤及蒸发诱导作用下构筑为具有面内取向的层层自组装柔性导电膜。高分散稳定的CCNT分散体浓缩获得导电油墨，通过各种技术再纺织品、纸张和塑料基底上构筑成膜电极/图案化柔性导电材料，实现了纳米纤维素薄膜基电极制备的可设计性、低成本和低能耗，并且研究了用于监测人类健康和活动的各种传感器，充分展示了CNF/CNT基柔性电极在智能可穿戴设备领域巨大的应用潜力。
在能量转换和存储系统中的应用
自1993年发现以来，单壁碳纳米管（SWCNTs）在太阳能电池、电池及超级电容器等能源转换与存储设备上的应用展现了新的可能性，并解决了许多技术难题。随着对碳中和和日益增长的能源需求的追求，选择环保且高效的能源存储策略变得十分关键。当前的能量存储机制涵盖了电化学、重力势能和机械能等，但市场主流的锂离子电池虽能量密度高却安全风险大。特定应用，如微型传感器和医疗植入设备，需要能适应宽温度范围的储能解决方案，扭曲的SWCNT绳凭借其高效的纳米机械能存储和良好的温度稳定性显示出独特适用性。
日本信州大学Katsumi Kaneko教授课题组通过实验证明了扭曲SWCNT绳在机械能存储上的显著潜力。实验表明，使用热塑性聚氨酯（TPU）改性的扭曲SWCNT绳能安全且可逆地存储大量机械能，展现出高达2.1 ± 0.07 MJ kg-1的能量密度和1.85 ± 0.43 MW kg-1的功率密度。这些绳索的机械能存储性能在广泛的温度范围内稳定，与电化学存储介质相比具有更宽的适用温度范围和更高的安全性。此外，经过预处理的扭曲SWCNT绳显示出高效的能量回收能力和循环稳定性，即使在100次循环之后，能量恢复比几乎保持不变。
制备方法和商业化应用
碳纳米管纤维的制备方法主要包括电弧放电法、激光蒸发法和化学气相沉积法。其中，化学气相沉积法因参数易于控制、产品纯度高、成本低、产量高等优点被广泛应用。该方法生长温度较低、参数易于调控、产品产量高且碳纯度也高，是目前行业内应用最广泛的技术。
在商业化应用方面，碳纳米管纤维目前主要用于锂电池导电剂，占其应用需求的80%以上。此外，还应用于超级电容器、导电塑料等领域。随着技术进步和研究深入，碳纳米管纤维有望在未来几十年内克服现有障碍，推动能源传输领域的重大革新。
未来展望
碳纳米管纤维在能源传输领域的应用前景广阔，但同时也面临一些挑战。例如，如何实现大规模、低成本的制备，如何进一步提高其导电性和机械性能，以及如何解决商业化应用中的安全和环保问题等。未来的研究方向将集中在新材料的开发、制备工艺的优化、应用领域的拓展等方面，以推动碳纳米管纤维在能源传输领域的广泛应用。
总体而言，碳纳米管纤维是目前最有潜力用于能源传输的新型材料，其研发进展将直接影响能源传输技术的革新和未来发展。