碳纳米管纤维：可以穿上身的充电电池

　　在只有头发丝十万分之一的纤维上实现既发电又储能，还能把它织成衣服穿上身?

　　近日，原创性研究领域权威期刊《应用化学》(Angewandte Chemie International Edition)的封面文章刊登了复旦大学高分子科学系彭慧胜教授课题组的最新研究成果。

　　2006年，彭慧胜从美国博士毕业后，加入了美国能源部Los Alamos国家实验室，两年后，他从美国回到复旦大学，继续从事碳纳米管相关研究。不过研究的着眼点从材料结构本身转移到了利用它的电性能上。

　　据彭慧胜教授介绍，“纳米最直观的概念就是头发丝的十万分之一，如果用一纳米直径的小球堆积起一毫米直径的小球，它的表面积可以提高10的5次方”。这是一种“由小变大”的方法，道理跟石油化工中的催化作用相同，催化剂的表面积越大，效果就越好。彭慧胜将这一设计运用到了碳纳米管的光电转化中。

　　“美国用这个材料做太空电梯”

　　因为曾在美国能源部Los Alamos国家实验室工作，彭慧胜对碳纤维管材料的相关应用领域非常熟悉，“这个材料有什么用?我举一个例子，第一代防弹衣是钢板做的，一件衣服重20 多公斤。1970年代杜邦公司研制出科夫拉纤维材料(Kevlar)，张力是钢的5倍，而第三代的防弹衣就是由碳纳米管纤维来做的”。

　　彭慧胜课题组的仰志斌同学做了现场演示，用一根像蜘蛛网一样肉眼几乎看不见的碳纳米管纤维丝，吊起了一枝圆珠笔。仰志斌告诉在场记者，“要吊起两吨重的汽车，用直径5毫米的碳纳米管纤维就够了”。

　　科幻小说家刘慈欣的“地球往事三部曲”系列《三体Ⅰ》中，人们能通过太空电梯穿梭地球上空，有读者评论说这是在“挑战读者想象力的极限”。但据2012年8月29日英国《每日邮报》的报道，美国加利福尼亚州的电梯港集团公司表示，这一想法能在8年内成为现实。

　　“美国就是用这个材料做太空电梯。”彭慧胜介绍说，碳纳米管纤维最大的特点是很轻、很强韧。

　　像头发丝一样柔软的太阳能新电池

　　负责《应用化学》审稿的专家们认为，彭慧胜课题组用一个“非常简单和低成本的方法”，在世界范围内“首次在一根纤维上同时实现光电转换和储能”，大大提高了太阳能的利用效率，“对全纤维状能源系统的开发，迈出了关键一步”。

　　基于纳米曲度的设计，就像用许多小球堆积成一个大球，“表面积由小变大，有利于电荷的快速传播,从而大大增强了材料的导电性能”，而且，由于碳纳米管纤维具有良好的柔性,它将打破传统太阳能电池一成不变的“平面结构”。

　　根据实验结果，新研制的太阳能电池最高光电转化效率超过9%，但是白天发电，晚上怎么办呢?“我们就在想能不能把发电和储能集成起来，想用的时候用它，不想用就放到那里，把剩下的储存下来。”于是，利用同一纤维材料，彭教授课题组构建出微型线状超级电容器，成功地实现了这一设想。

　　此外，柔软的纤维电池还具有可编织性。彭慧胜告诉记者，“最近我们做的一项研究就是把太阳能电池织成衣服。希望在以后，普通的衣服不仅能防弹，还可以既发电又储能”。

　　彭慧胜表示，碳纳米管在能源方面的开发是走在前面的，但放大生产、大规模制备目前仍然有一定难度。“因为刚刚起步，通过研究，应该可以一一解决这些问题”。他说他也不知道多少年后才能方便地用上由这些材料制成的电子设备，但新材料是改变整个社会非常重要的原动力，而碳纳米管是一个非常有趣的材料，“它只是一个开始，开辟了一个新的发展方向，而且这条路是可以走通的”。