｜石墨烯超級電容製造技術

摘要：金屬雙極板具有低成本與高機械強度的特性，但是質子交換膜燃料電池的金屬雙極板因為操作在溫度較高的硫酸環境中，所以金屬板會遇到腐蝕的問題。透過雷射披覆碳膜於金屬雙極板上可提供抗腐蝕之保護。

Abstract: Supercapacitor has been shown its great potential in the application of mechanical and power system in energy storage devices due to its superior properties, including extra high power density, long lifetime and high specific capacitance. To these ends, high quality, high specific surface area and high electric conductivity of graphene as well as fabricate supercapacitor are required. In this article, we will issue an electrolysis method of synthesis graphene powder. Then, the graphene powder was made into capacitor which was used to measured specific capacitance at 216F/g. SEM and Raman were used to characterize the quality of graphene powders.

關鍵詞：石墨烯、電解、超級電容

Keywords：Graphene, Electrolysis, Supercapacitor

前言
超級電容（Supercapacitor）是一種電容量可達數千法拉的電容器，擁有極高功率密度（Power density），根據電容器的原理，電容量取決於電極間距離和電極材料比表面積。因此，超級電容以電雙層原理（Electric Double-Layer Capacitor, EDLC）與多孔化之碳材電極，達到極小電極間距並增加電極比表面積，而構成極高電容量之超級電容，如圖1。傳統電容是在兩片金屬電極板中以介電層（dielectric）分隔，電極板吸附可移動的電荷載子（通常為電子e^-）來儲存電能，如圖2。

超級電容器能量密度（Energy density）僅為蓄電池的5%或更少，然而其能量儲存方式可應用於傳統蓄電池不足處與短時高峰值電流中。相比蓄電池來說，超級電容器優勢有：

1. 電容量大：超級電容器採用高比表面積之碳材電極，與電解液接觸面積大大增加，因而達到極大電容量。
2. 充放電壽命長：可達500000次或90000小時，而蓄電池的充放電壽命很難超過1000次。
3. 極高的放電電流：如2700F的超級電容器額定放電電流不低於950A，放電峰值電流可達1680A；而一般高放電電流的蓄電池在如此高的放電電流下，其使用壽命將大大縮短。
4. 快速充電：可在數秒到數分鍾內完成充電，而蓄電池幾乎不可能在如此短的時間內充滿電。
5. 工作溫度範圍廣：-40 ℃ ～ +70 ℃，而蓄電池很難在高溫特別是低溫環境下工作。

石墨烯（Graphene）又稱單層石墨，碳原子間以sp²混成軌域組成六角碳環，呈蜂巢晶格的平面薄膜，延伸成厚度為只有一個碳原子厚度之二維材料，如圖3所示。石墨烯特有二維平面原子層，從熱力學理論觀點是被認為無法單獨穩定存在的結構，因熱擾動而使單層中的原子上下移動，造成原子間重新鍵結，而形成較穩定的三維結構。直至2004年英國曼徹斯特大學（University of Manchester）物理學家A.K. Geim和K. S. Novoselov，成功以機械剝離（mechanical exfoliation）的方式從高定向熱裂解石墨（highly orientated pyrolytic graphite, HOPG）塊材中分離出石墨烯[2]，而證實它可以單獨存在，推翻熱力學原理。兩人也因「在二維石墨烯材料的開創性實驗」為由，共同獲得2010年諾貝爾物理學獎的桂冠[3]。

石墨烯被成功製備的研究成果，引起全世界的研究熱潮。由材料特性理論值來看，石墨烯是目前世上最薄、最堅硬的材料[4]；幾乎完全透明，只吸收約2.3%的光[5]；導熱系數高達5300 W/m·K，高於奈米碳管和金鋼石，且其大小隨溫度升高而縮小；在室溫下，石墨烯的電子遷移率超過15000 cm²/V·s，又比奈米碳管（約10000 cm²/V·s）高，更是矽晶體（1400 cm²/V·s）十倍以上；石墨烯的電阻值約為10^-6 W·cm，比銅或銀更低，為目前世上所有已知材料中，在室溫下具有最低電阻的材料，因為它的電阻極低，電子移動速度極快，因此被期許用來發展出更薄、導電速度更快的新一代電子元件或電晶體。另外石墨烯也是一種透明度良好的導體，適合用來製造觸控螢幕，甚至是太陽能電池。比表面積理論值高達2630 m²/g，加上其極高的電子遷移率，因此石墨烯非常適合做為超級電容的電極材料。

石墨烯擁有近年來陸續地發展出不同的方法成長石墨烯，例如：熱裂解磊晶成長於碳化矽上[6]、氧化還原法[7]、化學氣相沉積法[8,9]等等。上述成長方式皆需要超高溫裂解方式、使用催化劑，待石墨烯成長後再轉移至不同基板上。然而其生產程序繁瑣、耗時且昂貴。

本文將說明一種快速的電解法製造石墨烯粉末，將石墨材料置於正極，浸置於稀硫酸電解液中進行電解[10]。當直流電源供應器進行定電壓供電時，電解液內的硫酸根離子SO₄^2-被吸引並附著於石墨晶粒邊緣，擴散進入石墨層間並將石墨晶層撐開，逐漸分解成氧化石墨烯粉末。以高溫退火還原氧化石墨烯，製備成超級電容模組，並藉CV電性量測、SEM與拉曼光譜分析做定性鑑定。