Одномерные углеродные нити помогут создать эффективный аккумулятор

Физики из Австралии и Сингапура показали, что одномерные углеродные структуры, собранные в пучок, позволяют эффективно хранить механическую энергию и могут быть использованы в качестве стабильного аккумулятора. Работа представлена в журнале Nature Communications.

В последнее время люди все больше и больше переходят на возобновляемые источники энергии. К сожалению, возобновляемые источники энергии прерывисты, поэтому необходимо разработать эффективное хранилище энергии для последующего использования. Самый распространенный подход на сегодняшний день — это хранить энергию в электрохимических аккумуляторах, например, механическую энергию потока воды с помощью гидроэлектростанции преобразуют в электрическую, при этом часть энергии теряется.

С появлением низкоразмерных углеродных структур возникла возможность хранить энергию прямо в механических системах, таких как углеродные нанотрубки. По сравнению с литий-ионными батареями, механический аккумулятор на основе нанотрубок обладает быстрой зарядкой и разрядкой и, как правило, является гораздо более стабильным. Эти уникальные особенности делают углеродные структуры идеальными строительными блоками для искусственных мышц, мягкой робототехники и гибкой электроники.

Однако, производство длинных углеродных нанотрубок затруднительно. В 2015 году ученые предложили одномерные углеродные структуры, углеродные нити, которые оказались сильно проще в фабрикации, и при этом пучки таких нитей обладают похожими на нанотрубки механическими свойствами.

Группа ученых из Австралии и Сингапура под руководством профессора Юаньтуна Гу (Yuantong Gu) предложила использовать углеродные нити в качестве механического аккумулятора и впервые сравнили эффективность хранения энергии в нитях с той же эффективностью в нанотрубках.

Ученые провели теоретический анализ, основанный на численных симуляциях, пучка углеродных нитей, и выявили четыре основных деформации, в которых можно хранить энергию: кручение, растяжение, сгибание и радиальное сжатие. Рассчитав механическую энергию каждой деформации, авторы пришли к выводу, что в кручении и растяжении пучка нитей можно запасти больше всего удельной энергии, которая сравнима с удельной энергией запасенной в нанотрубке. Механизм запаса энергии может быть следующим: пучок нитей растягивается и скручивается с помощью энергии доступной в данный момент, затем закрепляется в таком положении, а, когда необходимо, энергия извлекается.

Оптимизируя возможные комбинации расположения углерода в нитях, физики пришли к выводу, что в пучок обладает плотностью энергии 1,76 мегаджоуля на килограмм, в то время как металлическая пружина обладает всего 140 джоулей на килограмм, а литий-ионные батареи до 0,8 мегаджоулей на килограмм. Группа профессора Гу потратит следующие два-три года на создание управляющего механизма для системы хранения энергии — системы, которая управляет скручиванием и растяжением пучка нитей. 

Низкоразмерные углеродные структуры помогают ученым как в фундаментальной физике, например, недавно они переместили наночастицы, так и в других областях: ранее мы писали о том, как нанотрубки научились определять свежесть мяса.

Михаил Перельштейн