碳纳米管助力新能源电池技术突破
碳纳米管助力新能源电池技术突破
近年来，随着全球对可再生能源需求的日益增长，高性能锂离子电池的需求日益增长。碳纳米管因其优异的电学和力学性能，在锂离子电池电极材料的应用中展现出巨大潜力。最新的研究表明，碳纳米管不仅能够提高电池的能量密度和循环稳定性，还能显著改善充电速度和安全性。这些突破性的研究成果为未来新能源电池的发展提供了新的方向和技术支持。
碳纳米管在电池领域的基本应用原理
碳纳米管是一种具有独特结构的纳米材料，由单层或多层次的石墨烯片卷曲而成，形成中空的管状结构。这种结构赋予了碳纳米管优异的导电性、机械强度和化学稳定性。在电池领域，碳纳米管主要应用于以下几个方面：
导电剂：碳纳米管具有极高的电导率，可以作为电池电极的导电添加剂，改善电极材料的导电性能，从而提高电池的充放电效率和循环寿命。
电极材料：碳纳米管可以作为锂离子电池的负极材料。其独特的中空结构为锂离子提供了丰富的存储空间和运输通道，能够实现更高的能量密度和更快的充放电速度。
结构增强：碳纳米管可以与其他材料复合，形成高性能的复合电极材料。例如，与硅负极复合可以解决硅在充放电过程中的体积膨胀问题，提高电池的整体性能。
最新研究突破及其意义
- 扭曲碳纳米管储能技术
最新研究表明，扭曲的碳纳米管可以存储高密度的能量，为传感器或其他技术提供动力。研究人员发现，扭曲的碳纳米管单位质量可存储三倍于锂离子电池的能量，使其成为医疗植入物等轻质安全储能应用的理想选择。
扫描电子显微镜图像显示了一些碳纳米管"绳索"受到的不同扭曲应变。图片来源：Preety Ahuja 观察到的原位显微照片
包括马里兰大学巴尔的摩郡分校（UMBC）先进传感器技术中心（CAST）两位研究人员在内的一个全球科学家团队证明，扭曲的碳纳米管单位质量可存储的能量是先进锂离子电池的三倍。这一突破将碳纳米管定位为轻质、紧凑、安全的能量存储解决方案，如医疗植入物和传感器。该研究成果最近发表在《自然-纳米技术》（Nature Nanotechnology）上。
这项研究由四家机构合作完成，分别由日本茅野诹访理科大学的内海重典（Shigenori Utsumi）、日本长野信州大学的金子克美（Katsumi Kaneko）和中国科学技术大学的桑吉夫-库马尔-乌贾因（Sanjeev Kumar Ujjain）领导。Kumar Ujjain 在信州大学开始了该项目，2022 年加入 UMBC 后继续他的工作。同样来自中国科协的 Preety Ahuja 在研究的材料表征阶段发挥了关键作用。
研究人员对单壁碳纳米管进行了研究，碳纳米管就像吸管一样，由厚度仅为1原子的纯碳片制成。碳纳米管重量轻，比较容易制造，强度是钢的 100 倍。这些令人惊叹的特性促使科学家们探索它们在各种听起来很有未来感的技术中的潜在用途，包括太空电梯。
为了研究碳纳米管储存能量的潜力，UMBC 的研究人员及其同事用成束的市售碳纳米管制造了碳纳米管"绳索"。在将碳纳米管拉拧成一条线后，研究人员在其表面涂上不同的物质，以增加碳纳米管绳的强度和柔韧性。
研究小组通过扭转绳索并测量绳索松开时释放的能量，测试了绳索能够储存多少能量。他们发现，性能最好的绳索单位质量可存储的能量是钢制弹簧的 15000 倍，是锂离子电池的三倍。所储存的能量在-76 至 +212 °F（-60 至 +100 °C）的温度范围内都能保持稳定并可获取。与电池中使用的材料相比，碳纳米管绳索中的材料对人体也更安全。
"长期以来，人类一直将能量储存在机械螺旋弹簧中，为手表和玩具等设备提供动力，"Kumar Ujjain 说。"这项研究表明，扭曲碳纳米管在机械储能方面具有巨大潜力，我们很高兴能与全世界分享这一消息。"
CAST团队已经在努力将扭曲碳纳米管作为一种能源，用于他们正在开发的传感器原型。
- 锂硫电池技术突破
韩国电气研究所下一代电池研究中心的科学家成功攻克锂硫电池在能量密度和循环寿命方面的关键技术瓶颈，研制出一款具有高能量密度和长循环寿命的大面积锂硫电池原型。研究论文发表于《先进科学》杂志。
锂硫电池以硫为正极，金属锂为负极，理论能量密度是锂离子电池的8倍多，极具应用潜力。此外，锂硫电池使用储量丰富的硫元素而非昂贵的稀土元素，不仅成本低廉，而且环保。轻便耐用的锂硫电池被视为是交通领域的关键技术。
然而，锂硫电池在充放电过程中会产生多硫化锂这一中间物质。多硫化锂会在电池的正负极之间穿梭，引发不必要的化学反应，从而降低电池的寿命和性能。这一直是锂硫电池商业化道路上的绊脚石。
为攻克这一难题，研究团队让单壁碳纳米管（SWCNT）与氧官能团“强强联手”。SWCNT是一种强度超过钢、电导率与铜相当的新材料，而氧官能团则增强了SWCNT在电池内的分散性。SWCNT和氧官能团的结合稳定了电极，有效控制了多硫化锂的溶解和扩散，显著减少了活性材料硫的损失。同时，SWCNT的高柔韧性和氧官能团的亲水性使得电极在制造过程中能形成均匀且光滑的表面，有助设计并制造出大面积且高容量的电池。
研究团队制造出尺寸为50毫米×60毫米的柔性厚电极，并组装成1000毫安时袋式锂硫电池原型。测试结果显示，该原型性能优异，即使经过100次充放电循环，仍能保持85%以上的容量。
通过堆叠柔性厚电极制造出1000毫安时袋式锂硫电池原型。图片来源：韩国电气研究所
最新技术不仅解决了锂硫电池的技术难题，还实现了大面积、高容量柔性电极的设计和原型开发，为下一代锂硫电池的商业化应用奠定了坚实基础。
商业化应用现状和未来前景
碳纳米管在电池领域的商业化应用主要集中在锂离子电池领域。目前，碳纳米管主要用于改善锂离子电池的性能，特别是在以下几个方面：
快充技术：碳纳米管可以显著提高电池的充电速度，满足消费者对快速充电的需求。
固态电池：在固态电池中，碳纳米管可以改善电极与电解质的接触，提高电池的整体性能。
硅负极技术：碳纳米管与硅负极复合，可以解决硅在充放电过程中的体积膨胀问题，提高电池的循环寿命。
根据中信证券的研究报告，碳纳米管行业将迎来快速增长期。预计到2030年，碳纳米管行业空间将达到419亿元，其中单壁碳纳米管将贡献41%的市场份额。单壁碳纳米管因其在导电性能提升、降低产品重量等方面的优异表现，将成为行业发展的主要驱动力。
存在的挑战和风险
尽管碳纳米管在电池领域的应用前景广阔，但仍面临一些挑战：
成本问题：虽然碳纳米管的生产成本在逐步降低，但与传统材料相比，其成本仍然较高。
规模化生产：目前，碳纳米管的规模化生产技术尚不成熟，难以满足大规模商业化应用的需求。
环境和健康影响：碳纳米管的生产和使用可能对环境和人体健康产生影响，需要进一步研究和评估。
技术竞争：随着电池技术的不断发展，其他新型材料（如石墨烯）也在快速发展，碳纳米管面临技术竞争的压力。
总体而言，碳纳米管作为一种多功能材料，正在推动从能源到医疗等多领域的创新与发展。在新能源电池领域，碳纳米管的应用已经取得了显著进展，并展现出巨大的商业价值。随着技术的不断突破和成本的持续降低，碳纳米管有望在未来成为新能源电池领域的关键材料，为实现可持续发展和绿色低碳生活做出重要贡献。