學位論文
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Item 導電奈米纖維複合RuO2/Graphene應用於超級電容之研製(2018) 陳文璽; Chen, Wen-Hsi超級電容器(Supercapacitors)依其能量儲存機制可分為靜電儲能的電雙層電容器(Electrical double-layers capacitors, EDLC)與電化學儲能的擬電容器 (Pseudocapacitor)兩大類，比起傳統的電容器(陶瓷電容器、鋁質電解電容器、塑膠薄膜電容器、鉭質電容器等)，具有更高的比功率(Wg-1)和比電容(Fg-1)，並且有很優異的循環壽命與穩定性，故在電動車與消費性電子的應用前景受到注目。然而，目前超級電容器的電極製作，大都只使用平面金屬電極，造成感應電荷的傳輸性與電解液的質傳性受到限制，或者必須使用大量導電高分子(PANi)作為電活性(electroactive)材料，才能達到快速可逆氧化還原反應，獲得高密度儲能的效果。 因此，本研究為實現低成本全碳3D電極之製作，利用2×2 cm2人造石墨作為基板，並使用黃光微影製程以SU-8厚膜光阻，製作1.8×1.8 cm2之陣列圓柱微結構 (ϕ40 μm、深寬比5、間距 80 μm)，接著利用靜電紡絲技術，並以SU-8濃度比例為SU-8:thinner=5:1作為紡絲溶液，製備奈米紡絲纖維 (Nano spinning fiber)。完成後，利用碳-微機電系統(C-MEMS)技術，將上述製備之SU-8圓柱結構與SU-8奈米紡絲纖維，以兩段式升溫方式進行碳化，使SU-8材料轉變成類玻璃碳(Glassy carbon)材料，進而得到導電圓柱結構(Conductive cylindrical structure)與線徑約730 nm碳奈米纖維(Carbon nanofiber)，後續再將碳奈米纖維進行均勻破碎，以便製備複合石墨烯(Graphene)、二氧化釕(RuO2) 之漿料。以NMP@PVDF所製備之黏著劑(Binder)作為溶劑，將石墨烯、二氧化釕與破碎之碳奈米纖維進行混合，分別得到單純碳奈米纖維(CF)、碳奈米纖維複合石墨烯(CF/GN)與碳奈米纖維複合石墨烯/RuO2 (CF/GN/RuO2)等三種不同材料摻入的複合纖維漿料。利用滴定技術分別將上述三種複合漿料，滴置於全碳之3D導電圓柱結構電極板中，藉此沉積複合之碳纖維薄膜(Carbon fiber membrane, CFM)，最終完成三種不同材料摻入的全碳3D電極板之製作。最後，製備完成之全碳對襯電極(Symmetrical electrodes)封裝成超級電容元件，並利用恆電位儀進行C-V特性曲線(C-V curve)、恆電流充放電曲線(Galvanostatic charge/discharge curve)與電荷轉移阻抗(Rct)等量測分析。量測結果發現CF/GN之電容性能以石墨烯摻入比例20 wt%為較理想、CF/GN/RuO2以RuO2摻入比例30 wt%為較理想。在0.5 A/g的電流密度下，CF、CF/GN與CF/GN/RuO2三種電極之比電容值，分別為62.4 F/g、96.5 F/g與219.2 F/g。CF/GN/RuO2電容元件的比電容值相較於CF/GN電容元件高出2.3倍、比CF之電容元件高出3.5倍，且當電流密度增加至3 A/g，CF/GN/RuO2之電容元件仍擁有54.8%的電容保持率。經過1500次的充放電測試，CF/GN之電容元件循環壽命保持率為62.2%，而CF/GN/RuO2之電容元件，仍擁有85.7%的保持率。由於導電圓柱結構與碳奈米纖維具有優異的導電性與比表面積，摻入石墨烯可提升電極之導電率，進而降低電荷轉移阻抗(Rct)，而摻入RuO2可增加電極之電活性，因此提升整體電容的特性。