本课题组在《Advanced Materials》发表碳纳米管机械储能研究综述论文

近日，清华大学化工系魏飞教授与张如范助理教授团队在德国Wiley化学会旗下的《先进材料》（Advanced Materials）期刊上发表综述论文《碳纳米管用于高能量密度和功率密度机械储能(Storage of Mechanical Energy Based on Carbon Nanotubes with HighEnergy Density and Power Density），并被选为当期封面文章。

图1. 《先进材料》的当期封面文章

能源存储和利用途径的不断改进是人类文明进步的重要标志之一。当前，储能领域正在成为颠覆性技术创新最活跃的领域之一，其中能量密度和功率密度是两个非常重要的衡量指标，其提升无疑将推动电动汽车，移动电子设备，大规模电网储能等一大批产业的进步和变革。在众多的能量存储和利用方式中，机械能存储拥有非常悠久的历史，如弓箭，发条驱动的钟摆等。无论是弓箭还是发条钟摆等，材料都是决定机械能存储性能的最为关键的因素之一。

碳纳米管是一种由碳原子组成的典型一维纳米材料。其杨氏模量超越1Tpa，拉伸强度超越100GPa（比强度高达62.5GPa/(g/cm³)），超过T1000碳纤维强度10倍以上，是人类目前发现的几种最强的材料之一，故而在机械能存储方面展现出来了很大的潜力。例如，其拉伸能量密度高达1125Wh/kg，由其做成的飞轮电池同时具有高达8571Wh/kg的能量密度（超出目前商用锂离子电池的数十倍，可与化石燃料相媲美）和高达2MW/kg-2GW/kg的功率密度。此外，飞轮电池兼顾了化学电池、 燃料电池和超导电池等储能装置的诸多优点。飞轮储能电池系统将能量储存在高速旋转的飞轮转子中，具有效率高，无环境污染，使用寿命长（>20年），运行温度范围广，充放电次数无限制，不受重复深度放电影响，系统维护周期长，成本低等优点，已经在电能质量控制和不间断电源、电力系统调频、航天卫星中的姿态控制和储能、轨道交通中的制动能量回收等领域获得了广泛的应用。

在过去十几年间，魏飞教授团队在碳纳米管生长机理、结构可控制备、性能表征，力学应用探索以及宏量生产方面开展了大量研究，并取得了一系列重要突破。团队曾开发了世界最大规模的碳纳米管生产技术，制备出单根长度达半米以上，拉伸强度接近理论值的碳纳米管以及强度超越80GPa的碳纳米管管束，首次发现了宏观尺度的超润滑现象，实现了单根碳纳米管宏观尺度下的光学可视化及可控操纵。以上成果相继发表在《自然·纳米技术》(Nature Nanotechnology)《自然通讯》（NatureCommunications）《先进材料》（Advanced Materials）《美国化学学会·纳米》（ACS Nano）、《纳米快报》（Nano Letters）等国际期刊上，引起了学术界的广泛关注。鉴于魏飞教授团队在碳纳米管研究领域取得的突出成就，《先进材料》期刊编辑邀请其团队在碳纳米管机械储能研究方面撰写综述论文。

该论文首先介绍了用于机械能存储的典型体系和材料，系统回顾了碳纳米管及其聚集体的力学性能的理论和实验研究进展，然后论述了碳纳米管用于机械储能的优越性，实现途径以及宏量生产研究现状，最后给出了碳纳米管用于机械储能的未来趋势以及前景展望。

论文通讯作者为清华化工系魏飞教授和张如范助理教授。第一作者为化工系2016级博士生白云祥，2015级博士毕业生申博渊和2016级博士后张申力。该研究工作得到了国家自然科学基金，国家重点研发计划和北京市科委基金的支持。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201800680