學位論文
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Item 導電奈米纖維複合碳黑/石墨烯應用於鋁離子電池之研製(2019) 林至寬; Lin, Chih-Kuan可充電式之多價金屬離子電池由於具有高理論比電容值和較低之成本而受到廣泛的關注，其中，鋁具有存量豐富，安全性高，對環境友善和利用三電子進行氧化還原反應之高體積容量等優勢，被認為是下一代可充電電池的有力候選人。 本論文以SU-8 2050厚膜光阻為材料，使用黃光微影技術於尺寸2×2 cm2之鉬箔上製作SU-8圓柱陣列結構，並以靜電紡絲技術製備SU-8紡絲奈米纖維。接著透過靜電紡絲技術製備SU-8紡絲奈米纖維。再以兩段式升溫之高溫碳化製程將SU-8光阻轉變為類玻璃碳材料(Glassy carbon)，完成直徑32 µm、深寬比5、間距80 µm之導電碳圓柱陣列結構以及線徑910 nm之碳奈米纖維(Carbon nanofiber)之製備。後續將碳奈米纖維以均質機破碎後，與石墨烯(Graphene)和碳黑(Carbon black)藉由NMP@PVDF黏著劑複合形成鋁離子電池陰極之電極漿料，並滴塗於導電圓柱陣列電極中，完成全碳之鋁離子電池陰極之製作。本論文選擇8組不同漿料用於製備鋁離子電池的陰極，包括未添加碳奈米纖維的漿料，以石墨烯：碳黑=1:0、1:1、1:5、1:8之比例製備四組電極，並於相同之石墨烯與碳黑比例下額外添加碳奈米纖維，再製備出石墨烯:碳黑:碳奈米纖維=1:0:0.5、1:1:0.5、1:5:0.5、1:8:0.5等四組電極。將電極均組裝成鋁離子電池元件後，透過恆電位儀進行循環伏安曲線(Cyclic voltammetry curve, C-V curve)測試以及恆電流充放電(Galvanostatic charge/discharge, GCD)之測試，評估電池之性能。量測結果發現，添加碳奈米纖維之四組電極的C-V 曲線面積，分別比未添加纖維之四組提升了660%、57%、-17%、314%。除石墨烯:碳黑:碳奈米纖維=1:5:0.5電極之C-V曲線面積有小幅度下降外，其餘電極之C-V 曲線面積均有大幅度提升，說明添加碳奈米纖維能夠提供更多比表面積供鋁離子嵌入與嵌出，進而提升電池效能。將上述8組電極所組裝而成之鋁離子電池中，選取性能較好之石墨稀:碳黑=1:1、1:5與石墨烯:碳黑:碳奈米纖維=1:0:0.5、1:1:0.5、1:5:0.5、1:8:0.5六組電極，以100 mA/g之電流密度進行恆電流充放電測試，並計算其比電容值，分別得到3.5、2.5、8.25、14、5、4 mAh/g的結果。其中，石墨烯:碳黑:碳奈米纖維=1:1:0.5之電極具有最高的充電比電容值12 mAh/g，以及放電比電容值14 mAh/g，並且具有85.7%之庫倫效率。此外，石墨烯:碳黑:碳奈米纖維=1:1:0.5與1:5:0.5兩組電極之比電容值，分別達到未添加碳奈米纖維電極的4倍與2倍。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。