輕薄的石墨烯,超級電容的問世關鍵

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文/廖英凱

石墨烯是碳原子的一種特別排列方式,是由單層的碳原子,以sp2軌域互相鍵結成由六角環組成蜂巢般的平面結構。雖然在20世紀初,科學家就利用X光對晶體的散射發現了石墨烯的特色,但直到2004年歐洲物理學家A. K. Geim和K. S. K. Novoselov才成功從實驗中證實且分離出石墨烯,並以此獲得2010年的諾貝爾物理學獎。

這樣子單層的石墨烯,具有一些非常重要的特色。它的厚度僅有0.334 nm,是目前世界上最薄的材料。室溫下的電阻約10-6Ω‧cm,比銅和銀更低,電子傳導率(200,000 cm2 V-1s-1)是導電度非常好的導體。它同時也具有半導體的性質,可藉由摻入不同的氣體來形成n或p型半導體。且石墨烯的透光率高達97.7%,幾乎是透明的。它的機械強度高(125Gpa)、拉伸模數大(1.1Gpa)這樣的特性,將可以取代以氧化銦錫為原料的ITO玻璃,而被廣泛運用在透明電極、觸控螢幕等產業。

從結構來看,石墨烯的比表面積高(2,630 m2g-1)且擁有豐富的中孔結構,應用在電極材料上,中孔結構有助於電解液離子快速遷移至石墨烯表面,並利用比表面積儲存電荷。這樣的導電電極可以用作製造「超級電容器」,預計將比目前市面上利用活性碳電極材料所製成的電容擁有更高的能量密度與充放電速率。

不同碳電極材料於超級電容的離子吸附情況示意圖(a)活性碳,(b)石墨,(c)石墨烯

石墨烯目前也試圖應用在鋰離子電池,將石墨烯與奈米矽顆粒結合應用在電池的負極材質。利用石墨烯本身的高比表面積的物理結構以有效釋放鋰離子,並可彌補電池充放電過程中,矽體積變化率過大造成電容量衰退的缺點。而矽奈米顆粒則可提供較高的電容量,並避免石墨烯重新堆疊,達到同時提升能量密度與功率密度的效果。

目前,國防部中科院化學所的防蝕化學組王金鵬計畫主持人及其團隊,已建置了能穩定少量生產石墨烯的製程。此團隊,是應用了「化學插層法」(亦稱:化學剝離法)來生產石墨烯。這種能大量生產石墨烯的製備法,是將天然石墨礦,經強酸處理後形成「氧化石墨」,會使石墨烯平面上產生環氧官能基。氧化石墨,除了可接上其他高分子做為其他應用外,最重要的是當氧化石墨在高溫環境(約1100°C)時,環氧官能基會分解產生二氧化碳氣體充斥在石墨層之間。當氣體所造成的膨脹壓力大於石墨層間的凡得瓦力時,石墨層便會被剝離出來。

中科院化學所的防蝕化學組王金鵬計畫主持人。

中科院化學所的防蝕化學組王金鵬計畫主持人。

此團隊,目前已可生產的10層以內的石墨烯,厚度可達1.2 – 3.0 nm。並建置了自動化的生產流程與國內業者尚缺乏的清洗有效步驟與技術,每次製造量約為100g,並依不同應用需求進行表面改質,提升石墨烯材料於不同材料中的分散性與相容性。但千萬別以為這樣的產量是很小的,石墨烯是質量輕但單價高的技術型產品,目前石墨烯的全球需求量預計也僅有500 – 1500公噸而已!

石墨烯成品。

石墨烯成品。

雖然說,大部分聽到中科院相關消息時,都是與國防科技、軍武研發生產有關。但近年來,中科院也開始針對軍民通用的科技投入研發資源。雖然隸屬於軍方,在中科院的園區中,也有著相當嚴格的安全管制。跟產業界或學術界比起來是個相對管制嚴苛而封閉的環境,但此團隊,集結了幾位以電化學、化工背景為主的成員,將石墨烯的製備,從研發到量產逐步建立起來。特別值得一提的,是團隊中還有一位從國防理工學院畢業,正在服研發替代役的年輕成員,相信他們的研發成果,能為披著神秘色彩的中科院,多幾分親民氣息,也期望團隊的研發成果,能為我國在石墨烯相關的製程與應用產業奪得先機。

自行開發的系統模組化石墨烯生產製程。

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