研究重點

(1) 開發奈米結構材料及電極複合材料的組成以提高比電容值,設計與控制來強化電子與離子傳導能力。

採用有機系電解質、膠固態高分子電解質及離子液體以提高電容器的工作電位窗。

指插狀微型電極以提高應答頻率及快速充放電能力,達到微型裝置之能源需求。

研究成果

    研究中使用兩款離子液體1-ethyl-3-methylimidazolium and 1-methyl-1-propylpyrrolidinium bis(trifluoromethylsulfonyl)imides (EMIm- and MPPy-TFSIs)組裝成超級電容器,其電位窗分別可操作在3.5及4.1 V,並且研究加以分析在高電位下電荷儲存之行為。利用具高微孔比例的活化介相瀝青(activated mesophase pitch, aMP)、活化碳纖維(activated carbon fiber, aCF)與大部分為中孔的碳材(templated mesoporous carbon, tMC)組裝成對稱性電容器,前兩者在高電位操作下具有標準的電雙層電容行為,而後者在高電位下卻有電荷嵌入的反應出現。雖然中孔有助於電荷之移動與傳導,不過交流阻抗分析中顯示在高電位操作下,具有較多微孔的碳材(aMP、aCF)其電荷儲存之阻力反而較小。實驗結果顯示在高電位下,含較多微孔的碳材能夠容納離子液體之單一離子,而中孔碳材因含極少量微孔讓離子液體在高電位下作儲存,離子會嵌入到石墨層中進而破壞碳材結構。活化介相瀝青碳材具有階層狀結構能夠連結中孔與大量微孔,在高電位下能夠有效的儲存電荷並有利於高速下作充放電。因其緊密結構搭配離子液體之高穩定電位窗能夠組裝成高體積功率與能量。(J. Mater. Chem. A In press)

    建立膠固態高分子電解質,由聚丙烯腈(Poly(acrylonitrile), PAN)及聚乙二醇(Poly(ethylene glycol), PEG)構成三嵌段共聚物高分子(PAN-b-PEG-b-PAN)為主體,二甲基甲醯胺(Dimethylformamide, DMF)為塑化劑,過氯酸鋰(Lithium perchlorate, LiClO4)為添加的鹽類。探討高分子的腈基及醚基在離子傳遞能力上的協同效應對碳電極電雙層界面的影響。此膠固態電解質隨著丙烯腈及乙二醇組成比例不同,離子傳遞能力也不相同,在丙烯腈對乙二醇鍵長數目比例為24:1下,可得最高的離子傳遞能力為10 Scm-2。另外,此三嵌段共聚物高分子具有特殊的線性結構,與碳電極表面有極佳的搭配性,可使膠態電解質滲入至碳電極之間,有效地降低阻抗中的質傳擴散阻力。丙烯腈可促進鋰鹽解離程度及傳遞鋰離子(Li+)進入碳材洞中。乙二醇在二甲基甲醯胺中有極佳的分散性,可避免丙烯腈鏈段的團聚,也可形成一離子通道促進離子傳遞能力。綜合上述,丙烯腈及乙二醇的協同效應可有效地提高電雙層電容器的儲能表現。在組成對稱性二極式超級電容器,使用活化介相瀝青碳材複合奈米碳管為碳電極材料,工作電位2.1 V,在高功率比為10 kW/kg (~5 kW/L)下,比能量可高達20 Wh/kg (~10 Wh/L)。(J. Phys. Chem. C 2013, 117, 16751)

    本團隊建立以PAN-b-PEG-b-PAN共聚高分子、過氯酸鋰及二甲基甲醯胺製作有機膠態電解質(GPE)。高分子可促進電解質離子在GPE的移動,經由導電度測試得知GPE的導電度6.9 × 10-3 Scm-1高於液相電解質(LE)的2.3 × 10-3 Scm-1;將GPE與碳電極搭配,可大幅降低電容器的質傳阻力。而GPE設計成可用於捲對捲(Roll-to-Roll)的製程方式生產,而GPE及碳電極組成的超高電容器,能量及功率密度的表現方面,10,000 W kg-1的輸出功率下,可放出11.5 Wh kg-1的能量值,明顯優於液相電解質(LE)電容器。(Adv. Funct. Mater. 2012, 22, 4677)

    將活性碳材料用於超高電容,本身具有大量的微孔可提供極高的表面積,以硫酸溶液為電解質,電位窗為1V,能儲存近乎300 Fg-1的電容量。但高速充放電的表現不佳,其功率密度降低快速。為了提升功率密度及改善高速充放電表現,本團隊將具有高表面積(>3000 m2g-1)之活化介相瀝青碳材(MP)進行研磨,得到次微米的MP-m碳材,其粒徑小於1μm,再加入具高導電性之奈米碳管得到MP-mt碳材,而MP-mt具有小粒徑及高顆粒間隙,此間隙有利於電解質在電極間流動,可同時有效提高電子及離子傳遞;而電容效能提升部份,透過縮小電極組成顆徑及奈米碳管的添加,可使MP-mt在能量密度及功率密度方面皆有提升。(J. Mater. Chem. 2012, 22, 7314)

    石墨烯具有單層碳原子結構,擁有獨特的物理和化學性質,具有很大的應用範圍。化學還原方法最具效率與經濟效益,可大量將石墨(nature graphite)氧化成氧化石墨(graphene oxide),進而還原成石墨烯。然而化學還原方法還原的石墨烯卻含有雜質和殘留的還原劑。這些還原劑對環境會造成汙染。為了解決殘留化學藥品及簡化還原製備過程,我們使用光觸媒還原法(photocatalytic reduction)進行石墨烯還原反應。本團隊為首次將光觸媒還原的石墨烯應用於超級電容器中的電極材料。經過本團隊分析,可以發現光觸媒還原石墨烯結構上的含氧官能基大部分已被還原掉,並且恢復雙鍵,不僅可增加電子的傳導能力,亦可形成電雙層電容。而石墨片的邊緣仍殘留含氧官能基,例如phenolic、carbonyl和carboxyl groups,而邊緣的含氧官能基具有穩定的偽電容。照光還原的時間對應的電極電容值,電容值隨著光照時間的增加而有增大的趨勢,4小時光照還原的還原石墨烯達到最大值220 Fg-1。而此碳材具有良好的化學穩定性,經4000次充放電,電容值相對於初始值只降低6;經過20000次,電容值還保持在92左右,由此說明由光照還原的石墨片的穩定性相當高,而還原後所遺留的氧官能基為穩定且具有儲能效益。此碳材為極有潛力的電容電極材料。(J. Phys. Chem. C 2011, 115, 20689)

    本研究透過水熱法合成囊泡狀中孔碳,而以碳球做為基材,在其表面上成長奈米碳纖維,而碳纖維大量包覆在中孔碳的外表面,形成具有階層狀孔隙的海膽狀碳材(SUMC)。以SUMC碳材做為電容器的電極材料,在電化學測試下具有良好的電容行為。所得SUMC具有中孔狀的大孔隙,而同時碳球本身具有中孔隙,因此電解質在碳材內部能快速傳遞而不受阻礙;而表面濃密的奈米碳纖維,能提高碳材的化學穩定性、導電性及離子傳遞能力。碳球間隙的碳纖維不僅增加碳球間的接觸機會,降低電子傳遞阻力,也使碳球間增加些許孔隙以利電解質能在電極內流動,由此電極設計方式強化離子傳導性,使電極能用於高速、高功率的應用上,電化學分析結果可知碳纖維改質對海膽狀碳材的效果,強化電極的電解質傳遞及導電度,使得電容器行為因碳纖維存在而提升。而利用氧化處理,使碳材產生具有擬電容之氧官能基,但也因此電阻相對提高,而經氧化處理後的SUMC則具有電容提高而保持低電阻的特性,奈米碳纖維具有穩定碳球化學特性的效果,使電極保持低電阻的特性。(Carbon 2011, 49, 895)