小区里常常见到这样的警告标语：电动车禁止入楼，禁止提电瓶乘坐电梯——这一警示背后，有着血淋淋的教训。

电动车自燃、电池自爆、电动汽车自燃、电池厂失火……类似事故屡见不鲜，危及到人们的生命安全。而当我们追究事故发生的原因时，矛头却往往指向同一个目标——锂离子电池。

可不可以有一种电池，既能继承锂离子电池环保、灵活、寿命长的优势，又不会自燃和爆炸呢？

近期，一项由日美联合团队发表的研究给了我们这个问题的答案：可以有，并且，它比锂离子电池还能更强，有更长的续航，甚至还能无限充放电！这就是未来可能在市场上广泛出现的“碳纳米电池”。

2024年4月16日，一篇名为《扭曲的单壁碳纳米管绳索可大量储存纳米机械储能》在《自然纳米技术》（ Nature Nanotechnology ）杂志上发表，为目前新能源领域的发展指出了一条光明的道路。

这篇文章由日本諏訪東京理科大學、信州大学的桑吉夫·库马尔·乌贾因（Sanjeev Kumar Ujjain）以及宇津见滋朗（Shigenori Utsumi）等研究者联合发表，算是一个日美联合的科学家团队。文章中，最大的一个关键词，就是“单壁碳纳米管（SWCNT）”。

单壁碳纳米管是什么？听起来似乎非常复杂，但把它放进微观世界来看，就很容易理解。

众所周知，我们目之所及的所有物质都是由分子或原子构成的，它们的体积和质量非常小，而它们在微观世界不同的排列组合形式也就构成了现实中不同的物体。

当我们把碳原子排列成单层的六边形网格，并且将其卷曲成中空的圆筒形状时，单壁碳纳米管就诞生了。它的直径通常在1到2纳米之间，长度可以从几微米到几毫米不等。相对地，如果是多层这样的六边形网格，则形成的就是多壁碳纳米管。

单壁碳纳米管有着独特的性质，使它天然有着可以成为储能工具的优势。首先，它表现出良好的导电性；其次，它具有极高的抗拉强度和弹性，理论上比钢强100倍，比钢轻约6倍，且拥有出色的韧性，可以承受巨大的形变而不断裂，这就为研究中将其进行扭曲埋下了伏笔。

再者，它还有着优异的热传导性能，可以高效地传导热量；最重要的是，它拥有极强的化学稳定性，在常规条件下非常稳定，不易与大多数化学物质反应，这使得它的应用范围很广，且安全性较高，在恶劣环境中不易发生事故。

研究将单壁碳纳米管包裹在热塑性聚氨酯弹性体中，像拧绳子一样将其扭转，制造出了扭曲的单壁碳纳米管绳索。这种绳索可以储存大量的纳米机械能。

“纳米机械储能”是指利用纳米材料的特殊性质来存储机械能的一种技术，不同于传统的化学储能（如电池）或电化学储能（如超级电容器），而是依赖于材料的物理变形来存储能量。

材料的物理变形之所以可以存储能量，是由于材料的弹性。当对材料施加外力时，其内部结构会发生改变，从而导致材料的形变。当外力去除时，材料就会回到初始状态，从而释放出能量。单壁碳纳米管绳索的弹性很大，自然也就可以储存很多能量。

同时，由于绳索可以反复扭转又松开，这就使得单壁碳纳米管绳索可以随意储存和放出能量。若把这种技术应用在电池上，那么碳纳米电池理论上也可以无限充电、放电。而常规的锂离子电池在多次充电、放电后就会发生损耗，增加发生意外事故的风险。

根据实验结果显示，这种扭曲的单壁碳纳米管绳索的能量密度可以达到2.1 MJ/kg以上，而传统的钢质弹簧的能量密度仅为0.00014MJ/kg左右，先进的锂离子电池的能量密度则不超过 0.72 MJ/kg。

这就意味着，单壁碳纳米管绳索的能量密度比金属弹簧高出四个数量级以上，是先进锂离子电池能量密度的三倍。按这个数据来算，若碳纳米电池诞生，其续航能力将是锂离子电池的三倍。

另外，与化学或电化学储能介质不同的是，由于其稳定性，储存在单壁碳纳米管绳索中的机械能在恶劣环境中也可安全稳定地使用，它不仅不会随时间而衰减，且在温度范围从-60°C到100°C之间均可使用。这就表明碳纳米技术不仅可以在电池中可以使用，还能在工业生产等更多领域发挥巨大的作用。

单壁碳纳米管绳索作为一种新型的储能材料，以其卓越的储能能力和安全性能，如果成功商业化，可想而知将在市场上产生多方面的影响。

由于锂离子电池存在的诸多缺陷，尤其是当电池内部温度过高、内部短路，或是过度充电、电解液发生泄漏或分解时，可能发生爆炸和自燃的危险，让许多车主望而却步，也成为了电车要完全把燃油车拿下还棋差一着的主要因素。

2023年8月，江苏省南京市发生一起公交车燃烧事故，经调查，发现起火原因为一乘客携带的锂电池电瓶自燃爆炸。事故中，锂电池起火速度快、持续时间长，且难以扑灭，造成了7人死伤。类似的事故上网一搜，比比皆是，且大多结局惨烈。

这一风险在锂电池的使用过程中一直难以有效避免，即使在电车总体的使用数据中占少数，但谁又敢用自己和家人的生命去赌这个可能性呢？更何况，现在地球环境由于剧烈的全球变暖，越来越极端，夏天越来越热，没人能担保锂电池在这样的高温中不会出岔子。

不过，电车与常规燃油车对比起来，也是存在着明显的优势的。首先，电力价格通常比汽油或柴油便宜，且电动汽车的机械结构更简单，就使得电车维护成本和运营成本较低，再加上不少国家和地区为鼓励电车的使用，还推出了不少优惠政策。

其次，电车在行驶过程中不会排放尾气污染物，这意味着它们不会直接贡献于空气污染和温室气体排放。在不可再生资源被剧烈消耗，以及全球变暖越来越严重的今天，这一点可谓至关重要。

也就是说，如果电车可以在电池上取得重大突破，那么新能源汽车行业一定会发生巨大的改变。

单壁碳纳米管绳索若能成功量产商用，必将在市场上掀起狂风暴浪。现有的锂离子电池和超级电容器技术可能将被彻底淘汰，新能源汽车行业将迎来巨大的革新，向更高性能、更安全、更持久的方向发展。

同时，微型机械和电子设备、智能纺织品以及医疗植入物、太空探索和深海探测等需在极端环境中运行的，精度需求极高的领域中，也将迎来一定程度的变化。单壁碳纳米管绳索技术可以推动下游产业链的发展，为我们提供更高质量的服务，以及更多的就业岗位。

不过，现阶段，距离单壁碳纳米管绳索技术的广泛应用，以及碳纳米电池的真正诞生，还有一段很长的路要走。

单壁碳纳米管技术还处于发展阶段，其生产工艺复杂且成本高昂，还缺乏量产的技术，要实现大规模生产单壁碳纳米管绳索，需要解决如何连续生产高质量、均匀一致的单壁碳纳米管纤维的问题。而目前的生产方法大多还局限于实验室规模。

另外，对于任何新型材料而言，都需要经过严格的安全性和可靠性测试，以确保其在实际应用中的表现符合预期。而单壁碳纳米管技术还缺少“实战”，仍需较长时间的数据积累和实践验证。

再者，需要进入市场，其一必须证明其性能和成本方面的绝对优势，其二必须树立符合市场要求的一系列行业标准和规范，并取得认证。这需要与监管机构完成合作，耗费较长的时间。其三则必须构建出一个完整的供应链体系。

显然，对于目前还处于实验室阶段的单壁碳纳米管绳索来说，这一切都还比较遥远。

不过，随着单壁碳纳米管技术的不断推进，以及对可持续发展的号召的深入相应，相信真正的碳纳米电池距离进入我们的日常生活也不远了。

对于这项技术，你又怎么看呢？