自1993年发现以来，单壁碳纳米管（SWCNTs）在太阳能电池、电池及超级电容器等能源转换与存储设备上的应用展现了新的可能性，并解决了许多技术难题。随着对碳中和和日益增长的能源需求的追求，选择环保且高效的能源存储策略变得十分关键。当前的能量存储机制涵盖了电化学、重力势能和机械能等，但市场主流的锂离子电池虽能量密度高却安全风险大。特定应用，如微型传感器和医疗植入设备，需要能适应宽温度范围的储能解决方案，扭曲的SWCNT绳凭借其高效的纳米机械能存储和良好的温度稳定性显示出独特适用性。
CNTs因其卓越的机械性能和轻质特性而著名，尤其是SWCNT在机械能存储方面显示出巨大潜力，理论上能存储高达8兆焦耳/千克的能量。与传统碳纤维不同，扭曲的SWCNT绳通过独特机制实现能量存储，其性能在极宽温度范围内保持稳定，展现了非凡的性能。
在这里，日本信州大学Katsumi Kaneko教授课题组通过实验证明了扭曲SWCNT绳在机械能存储上的显著潜力。实验表明，使用热塑性聚氨酯（TPU）改性的扭曲SWCNT绳能安全且可逆地存储大量机械能，展现出高达2.1 ± 0.07 MJ kg-1的能量密度和1.85 ± 0.43 MW kg-1的功率密度。这些绳索的机械能存储性能在广泛的温度范围内稳定，与电化学存储介质相比具有更宽的适用温度范围和更高的安全性。此外，经过预处理的扭曲SWCNT绳显示出高效的能量回收能力和循环稳定性，即使在100次循环之后，能量恢复比几乎保持不变。这项研究强调了SWCNT作为未来能量存储介质的巨大潜力。相关成果以“Giant nanomechanical energy storage capacity in twisted single-walled carbon nanotube ropes”为题发表在《Nature Nanotechnology》上。
从市售直径1.5nm、长度1μm的SWCNT材料出发，作者通过纱线法、卷筒法和分散法等不同工艺制备了SWCNT绳。目的是在扭曲纤维中可逆存储大量能量，利用特定设备（图2a）测量GED（能量存储效率）。通过定义扭转应变ε = φD/2L0来定量描述SWCNT绳的扭转能力，保持在弹性极限内以确保能量的可逆存储。发现制造方法对GED值有显著影响，其中纱线法GED值最高。不同绳型的GED值低归因于管束效应，即SWCNT聚集引起的缺陷和紊乱。此外，GED值随线性密度增加而降低，指出了载荷传递效率、强度和刚度的降低。
为解决SWCNT绳的局限性，作者采用了聚合物处理方法，旨在提高SWCNT间的负载转移能力，同时保留单个纳米管的机械性能。通过添加TPU、聚苯乙烯等聚合物对纱线法生产的SWCNT y型绳进行改性，增强了其能量存储性能。该改性通过聚合物的插层或碳、硫的沉积以及微波辐照实现，显著改变了SWCNT绳的形态，如SEM和HRTEM微照片所示。这种改性不仅促进了管间的负载转移，还通过改善SWCNT绳的弹性形变，提高了机械能存储能力。特别是，TPU改性的y型绳在应力-应变测试中表现出优异的机械性能，与未改性绳相比，抗拉强度和伸长率显著提高。此外，实验还观察到，扭转应变下SWCNT绳的G带出现上移，表明了改善的管间负载转移和绳的弹性变形，从而实现了高GED值。
不是所有化学处理都以相同的方式增加GED值。在相似条件下，经PSS和PSL改性的y型绳（分别记为y-ropes (PSS)和y-ropes (PSL)）的扭转应变极限与TPU改性的相似，但最大GED值小于y-rope (TPU)。此外，这些绳的韧性与GED值呈强相关，后者随碳沉积周期数增加而提高，经80周期后达到最大值约1.35 MJ kg−1。硫的进一步沉积仅将能量存储能力略微增加到约1.37 MJ kg−1，但降低了应变极限。作者发现，尽管碳和硫的沉积改善了绳内管间耦合，但其效果不及TPU在提高扭曲SWCNT绳的GED值方面。此外，作者研究了y-ropes (TPU)的横截面直径对GED值和扭转应变极限的影响，发现直径减小时GED增加而扭转应变极限减小，90μm宽绳的扭转应变极限从约2.3降至30μm宽绳的约1.2。
y-ropes (TPU)与其他碳纳米复合材料相比展现出更高的GED值，具有远超其他材料的能量回收效率和快速动态响应，表明其卓越的机械能存储性能。这一性能得益于SWCNTs在制造过程中形成的高度取向和稳定配置。重复扭转/释放循环后，大部分SWCNTs达到优化对齐，通过偏振拉曼光谱和SAXS分析得到证实，显著增强了管间负载转移和机械能存储。此外，y-ropes (TPU)在宽温度范围内展示了高能量转换效率和低自放电率，与其他微型设备相比表现出色。它们能够承受大量扭转/释放循环，保持稳定的GED，显示出卓越的稳定性。扭曲的y-ropes (TPU)还被视为比电化学设备更清洁、更安全的能量存储介质，这对人类健康产品尤为重要。
研究表明，扭曲的SWCNT绳能够可逆地存储能量，其能量存储密度超过锂离子电池三倍，展现出纳米机械能量存储的潜力。通过复合滑轮系统或使用缝纫机，可以设计出高度紧凑且高效的SWCNT绳能量存储系统，实现大量能量的紧凑存储。尽管长SWCNT绳面临能量存储容量下降的挑战，但结合改进的SWCNT纺丝技术，特别是使用TPU等热塑性弹性体，提供了改善的可能性，为实现更大规模能量存储开辟了道路。
可逆能量存储不仅仅局限于电化学系统，如同手表和相机快门中常用的机械弹簧一样，SWCNT绳的扭转弹簧原理相同，但能大幅提升能量密度。SWCNT绳的这种纳米机械能量存储系统比现有技术具有更高的能量存储容量和安全性，尤其是其能量密度远超锂离子电池。这种系统在极宽的温度范围内保持稳定的功率输出，且成本较低，可能适用于医疗领域。特别地，基于运动能量充电的SWCNT绳能为人工器官提供长期稳定的电源，开辟了新的应用前景，促进可持续性发展。
