機械工業網 - 機械產業的入口網站

:::

當期雜誌

作者:季宇文、胡恩蘭、黃昆平大面積石墨烯電極成長技術

機械所石墨烯團隊致力於開發高品質石墨烯的儲能電極，透過開發大面積電漿輔助化學氣相沉積（PECVD）設備成長: 使用 915 MHz 微波電漿火炬機台（915 MHz Microwave Plasma Torch, 915MHz MPT），可有效成長出面積達15 cm X 15 cm 的石墨烯電極，其品質優異（2D/G >0.85）且均勻性可達95% 以上。915MHz MPT 具有高密度電漿、成長快速及系統穩定等優點，適合用來成長石墨烯儲能電殛，本團隊將石墨烯電極應用到有機相的超級電容上，經測試其工作電壓最高可達4.2V，明顯優於商用活性碳2.8V 之系統。

作者:季宇文、黃昆平、張志振微波電漿火焰法成長石墨烯粉末

石墨烯（grapheme）有非常優異的材料特性，不論是高導電率或是強韌的機械性質都可以成為劃時代產品的主要原料。利用微波電漿火炬（Microwave Plasma Torch, MPT）在大氣環境下生產高品質之石墨烯粉，本方法目前產率達31 %，是目前乾式直接成長石墨烯粉產率最高者，所製得之石墨烯粉因表面無任何官能機殘留，經驗證不易再堆疊（restack）成石墨，可降低分散劑之使用量，並維持石墨烯表面荷電量。而現在最主要的應用則是作為儲能元件，若可以藉由MPT機台更一步的改良得到高品質與高產量之石墨烯粉，便可達到實現量產商品化的目標。

作者:季宇文、黃昆平石墨烯超級電容之開發

多孔性石墨烯材料有需多的優點，其中高比表面積，擁有獨特的多孔性結構以及優良的電子導電性等。這些超乎尋常的材料特性使得石墨烯可以作為高性能超級電容器的關鍵材料。電化學電容器（ECS），也被稱為擬電容器或是超級電容器（SCS），擁有良好的功率密度（power density）表現使得其充放電的速度遠高於電池，而這樣的特性若是應用在電動車或是混合動力上深具潛力也備受關注。本文討論石墨烯成長以及在超級電容上的應用成果，其中包含摻雜石墨烯，直立石墨烯，石墨/金屬氧化物的複合材料超級電容器等進行介紹，以及石墨烯超級電容未來面對的挑戰進行相關的討論。

作者:季宇文、黃昆平垂直成長及摻雜奈米石墨烯壁及其應用

本研究使用低壓微波火炬化學氣相沉積（MPT CVD）設備製作垂直成長及異質元素摻雜奈米石墨烯（X-dope graphene nanowalls, X-GNW）的觸媒極片，透過掃描式電子顯微鏡（scanning electron microscope, SEM）、拉曼光譜儀（RAMAN）以及X光光電子儀（XPS）分析，分析證明有效將異質元素植入奈米石墨烯壁的結構中，氮元素最高含量可達15 at%。嘗試使用不同金屬摻雜對氮摻雜石墨烯（NGNW）特性的影響，藉由電化學量測得知在2% CO環境毒化下，鈀氮摻雜奈米石墨烯壁（Pd-NGNW）、鎳氮摻雜奈米石墨烯壁（Ni-NGNW）、鐵氮摻雜奈米石墨烯壁（Fe-NGNW）之個別電化學活性仍可維持在65%、82%以及90%。其中Pd-NGNW電極作為陽極，在質子交換膜燃料電池（PEMFC）模組測試下放電，達到反應過電位相較於20 wt%鉑金/碳為50 mV、極限電流達到1400 mA/mg。

作者:季宇文、黃昆平石墨烯高電壓超級電容技術

電雙層電容器（electrical double-layer capacitors, EDLCs）受限於電壓不足（2.5~2.7 V在有機電解液系統）無法直接與鋰電池搭配。在此我們歸納出三個可以有效提升EDLCs電壓的三種策略。透過本文提出的策略，成長一電極材料具有安定且惰性的表面可以在商用電解液中耐受較大的電位窗。透過機械所自行開發的機台製作，直接垂直成長奈米石墨烯壁（graphene nanowalls, GNW）於基材上，並同步達成氮摻雜。此非對稱電雙層電容器可以達到4 V的電位窗並且比能量密度與比功率密度分別為52 Wh/kg和8 kW/kg。經過10000次充放電測試仍具有100%的電容維持率。此結果將有效降低EDLCs在高電壓模組中的串聯數並開啟了與鋰電池直接匹配可行性。