碳納米管纖維：可以穿上身的充電電池

　　在只有頭發絲十萬分之一的纖維上實現既發電又儲能，還能把它織成衣服穿上身?

　　近日，原創性研究領域權威期刊《應用化學》(Angewandte Chemie International Edition)的封面文章刊登了復旦大學高分子科學系彭慧勝教授課題組的最新研究成果。

　　2006年，彭慧勝從美國博士畢業后，加入了美國能源部Los Alamos國家實驗室，兩年后，他從美國回到復旦大學，繼續從事碳納米管相關研究。不過研究的著眼點從材料結構本身轉移到了利用它的電性能上。

　　據彭慧勝教授介紹，“納米最直觀的概念就是頭發絲的十萬分之一，如果用一納米直徑的小球堆積起一毫米直徑的小球，它的表面積可以提高10的5次方”。這是一種“由小變大”的方法，道理跟石油化工中的催化作用相同，催化劑的表面積越大，效果就越好。彭慧勝將這一設計運用到了碳納米管的光電轉化中。

　　“美國用這個材料做太空電梯”

　　因為曾在美國能源部Los Alamos國家實驗室工作，彭慧勝對碳纖維管材料的相關應用領域非常熟悉，“這個材料有什么用?我舉一個例子，第一代防彈衣是鋼板做的，一件衣服重20 多公斤。1970年代杜邦公司研制出科夫拉纖維材料(Kevlar)，張力是鋼的5倍，而第三代的防彈衣就是由碳納米管纖維來做的”。

　　彭慧勝課題組的仰志斌同學做了現場演示，用一根像蜘蛛網一樣肉眼幾乎看不見的碳納米管纖維絲，吊起了一枝圓珠筆。仰志斌告訴在場記者，“要吊起兩噸重的汽車，用直徑5毫米的碳納米管纖維就夠了”。

　　科幻小說家劉慈欣的“地球往事三部曲”系列《三體Ⅰ》中，人們能通過太空電梯穿梭地球上空，有讀者評論說這是在“挑戰讀者想象力的極限”。但據2012年8月29日英國《每日郵報》的報道，美國加利福尼亞州的電梯港集團公司表示，這一想法能在8年內成為現實。

　　“美國就是用這個材料做太空電梯。”彭慧勝介紹說，碳納米管纖維最大的特點是很輕、很強韌。

　　像頭發絲一樣柔軟的太陽能新電池

　　負責《應用化學》審稿的專家們認為，彭慧勝課題組用一個“非常簡單和低成本的方法”，在世界范圍內“首次在一根纖維上同時實現光電轉換和儲能”，大大提高了太陽能的利用效率，“對全纖維狀能源系統的開發，邁出了關鍵一步”。

　　基于納米曲度的設計，就像用許多小球堆積成一個大球，“表面積由小變大，有利于電荷的快速傳播,從而大大增強了材料的導電性能”，而且，由于碳納米管纖維具有良好的柔性,它將打破傳統太陽能電池一成不變的“平面結構”。

　　根據實驗結果，新研制的太陽能電池最高光電轉化效率超過9%，但是白天發電，晚上怎么辦呢?“我們就在想能不能把發電和儲能集成起來，想用的時候用它，不想用就放到那里，把剩下的儲存下來。”于是，利用同一纖維材料，彭教授課題組構建出微型線狀超級電容器，成功地實現了這一設想。

　　此外，柔軟的纖維電池還具有可編織性。彭慧勝告訴記者，“最近我們做的一項研究就是把太陽能電池織成衣服。希望在以后，普通的衣服不僅能防彈，還可以既發電又儲能”。

　　彭慧勝表示，碳納米管在能源方面的開發是走在前面的，但放大生產、大規模制備目前仍然有一定難度。“因為剛剛起步，通過研究，應該可以一一解決這些問題”。他說他也不知道多少年后才能方便地用上由這些材料制成的電子設備，但新材料是改變整個社會非常重要的原動力，而碳納米管是一個非常有趣的材料，“它只是一個開始，開辟了一個新的發展方向，而且這條路是可以走通的”。