TW201501152A - 電容裝置 - Google Patents

Abstract

一種電容裝置，包含第一電極板、第二電極板、分別電連接於第一、二電極板的供電單元，及一絕緣框架。第一、二電極板是由高配向熱裂解石墨所構成，且彼此間隔相對設置，並分別具有一相向的內表面。該絕緣框架供該第一、二電極板裝設，並與該第一、二電極板的內表面共同界定出一介電空間。當供電單元提供電力於第一、二電極板時，令介電空間中產生一電場以吸附位於介電空間中的帶電離子。本發明電容裝置藉由高配向熱裂解石墨所構成的電極板，而在不影響電傳導效果的基礎下，進一步提高電荷的儲存效率並改善了整體電容裝置的電容量及操作成本。

Description

電容裝置

本發明是有關於一種電容裝置，特別是指一種使用高配向熱裂解石墨(highly oriented pyrolytic graphite，HOPG)做為電極的電容裝置。

電容裝置的應用非常廣泛，如常見的電池、電子電路等，甚至是利用電容電荷吸附原理來去除水中離子的電容去離子化(Capacitive deionization，CDI)技術。

因此，以用於水處理的電容裝置為例，圖1是一種傳統的水處理電容裝置1，包含二間隔相對的電極單元11、一分別電連接於該二電極單元11的供電單元12，及一由該二電極單元11界定而出的介電空間110，而該介電空間110供一待處理溶液(如，含有帶電離子的水)容置、通過。

每一電極單元11包括一金屬或合金構成的電極板111及一多孔性材料膜112，一般而言是以鈦金屬片為各電極板111的材料，而每一多孔性材料膜112具有多數活性碳粉113與一形成於其所對應之電極板111表面的黏結層114，各黏結層114則是由高分子膠體所構成以固著其所 應之活性碳粉113，並緊密黏附於其所對應之電極板111上。

在進行水處理時，以該供電裝置12分別施加電壓於該二電極板111令該二電極板111形成電容器的正負兩極，而使得容置有該待處理溶液的介電空間110形成一個電場，此時，在該二電極單元11與該待處理溶液的界面分別產生一層能吸附的帶電離子的區域而將流過該介電空間110的該待處理溶液中的帶電離子吸附於該區域，藉此達到去除水溶液中帶電離子的目地。

該水處理電容裝置1雖然藉由各多孔性材料膜112中該等活性碳粉113的存在，令該等電極單元11的比表面積提高，但由於該等由高分子膠體構成且導電不佳的黏結層114會影響該等電極板111間的電場大小，進而影響到對該待處理溶液的帶電離子吸附效率，因此，目前還發展出如圖2所示之另一種傳統的水處理電容裝置2。該另一種傳統的水處理電容裝置2大致上是相同於該傳統的水處理電容裝置1，唯一不同處是在於，該另一傳統的水處理電容裝置2的兩電極單元21的兩電極板211，是由石墨所構成，其利用石墨本身的多孔化表面來提高各電極板211的比表面積，並藉此取代各多孔性材料膜112。因此，不需要另外以高分子膠體所構成之黏結層114來固著該等活性碳粉113。

但，本案發明人亦注意到，現有的石墨電極主要是以壓製型石墨為材料，因此，在應用於如水處理電容 裝置時，因為流動中的待處理溶液會使得該等電極板211表面的石墨粒子釋出，從而導致錯誤的充放電傳導路徑，並影響電容裝置的整體穩定性。

因此，本發明之目的，即在提供一種低成本、製程穩定的電容裝置。

於是本發明電容裝置，包含一第一電極板、一第二電極板、一絕緣框架及一供電單元。該第一電極板由高配向熱裂解石墨(HOPG)所構成，並具有一內表面。該第二電極板由高配向熱裂解石墨所構成，且與該第一電極板間隔相對設置。該第二電極板具有一面向該第一電極板之內表面的內表面。該絕緣框架用以裝設該第一電極板與該第二電極板，且該絕緣框架、該第一電極板的內表面及該第二電極板的內表面共同界定出一介電空間。該供電單元分別電連接於該第一電極板與該第二電極板，供電時令該第一電極板與該第二電極板其中一者形成正極，並令該第一電極板與該第二電極板的其中另一者形成負極，而使該介電空間產生一電場。

較佳地，該第一電極單元的內表面與該第二電極單元的內表面，分別形成有複數凹部，並由相鄰之凹部共同界定出複數凸部，而分別令其內表面的比表面積增加。

較佳地，該第一電極板與該第二電極板各包括一緻密性高配向熱裂解石墨片，與一疊置於其所對應之緻 密性高配向熱裂解石墨片上的多孔性高配向熱裂解石墨片，且該兩多孔性高配向熱裂解石墨片是相向設置。

較佳地，該第一電極板與該第二電極板，是各先行在一基板上依序塗佈一緻密性的聚醯亞胺(normal polyimide)層及一多孔性的聚醯亞胺(porous polyimide)層後，並經由一石墨爐石墨化(graphitization)後所製成的一石墨板。

較佳地，該絕緣框架具有相間隔設置的一入水口與一出水口，使該介電空間在供電使用時是呈開放狀，且該介電空間是容置一待處理溶液，以使該電容裝置利用電容去離子化的反應機制來是作為一液體淨化裝置使用。

較佳地，該介電空間在供電使用時是呈封閉狀，且該介電空間是容置一電解質，以使該電容裝置是作為一超級電容使用。

本發明之功效在於：藉由高配向熱裂解石所構成的電極板而在不影響電傳導效果的基礎下，進一步提高電荷的儲存效率、改善了整體電容裝置的電容量及操作成本。

3‧‧‧第一電極板

31‧‧‧內表面

311‧‧‧凹部

312‧‧‧凸部

4‧‧‧第二電極板

41‧‧‧內表面

411‧‧‧凹部

412‧‧‧凸部

5‧‧‧絕緣框架

50‧‧‧介電空間

501‧‧‧入水口

502‧‧‧出水口

6‧‧‧供電單元

7‧‧‧待處理溶液

8‧‧‧電解質

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一局部剖面示意圖，說明一傳統的水處理電容裝置；圖2是一局部剖面示意圖，說明另一傳統的水處理電 容裝置的石墨電極結構；圖3是一正視示意圖，說明本發明電容裝置之一第一較佳實施例是用來做為一液體淨化裝置使用；圖4是一正視示意圖，說明該第一較佳實施例的使用狀態；圖5是一局部放大示意圖，說明本發明電容裝置之一第二較佳實施例是用來做為一液體淨化裝置使用；圖6是一正視示意圖，說明本發明電容裝置之一第三較佳實施例是用來做為一超級電容使用；及圖7是一局部放大示意圖，說明本發明電容裝置之一第四較佳實施例是用來做為一超級電容使用。

在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖3與圖4，本發明電容裝置之一第一較佳實施例，包含一第一電極板3、一第二電極板4、一絕緣框架5及一供電單元6。

該第一電極板3由高配向熱裂解石墨所構成，並具有一內表面31。該第二電極板4由高配向熱裂解石墨所構成，且與該第一電極板3間隔相對設置。該第二電極板4具有一面向該第一電極板3之內表面31的內表面41。在本發明該第一較佳實施例中，該第一電極板3與該第二電極板4之高配向熱裂解石墨(以下內容未配合圖式輔助說明)，是分別先行在一基板上依序塗佈一緻密性的聚醯亞 胺層及一多孔性的聚醯亞胺層後，並經由一石墨爐石墨化後所製成的一石墨板；其中，在實施石墨化前，該基板則是先行透過環化(cyclization)處理以被移除掉。

該絕緣框架5用以裝設該第一電極板3與該第二電極板4，以使該第一電極板3與該第二電極板4彼此電性隔絕，且該絕緣框架5、該第一電極板3的內表面31及該第二電極板4的內表面41共同界定出一介電空間50。該絕緣框架5具有相間隔設置的一入水口501與一出水口502，使該介電空間50在供電使用時是呈開放狀，且該介電空間50是容置一待處理溶液7，以使本發明該電容裝置之第一較佳實施例，可利用電容去離子化的反應機制來是作為一液體淨化裝置使用。該待處理溶液7可以是含有陽離子⊕及陰離子的污水。

如圖4所示，該供電單元6分別電連接於該第一電極板3與該第二電極板4，供電時令該第一電極板3與該第二電極板4其中一者形成正極，並令該第一電極板3與該第二電極板4的其中另一者形成負極，而使該介電空間50產生一電場。更詳細地說，該第一電極板3、第二電極板4是導體，而容置在該介電空間50中的該待處理溶液7則是類似介電質的作用；該供電單元6提供不同的電性於該第一電極板3、第二電極板4上，例如在本第一較佳實施例中，是分別提供正電荷與負電荷於該第一電極板3(即，正極)與該第二電極板4(即，負極)，以在該介電空間50中形成一電場，並從而構成電容結構。

當該待處理溶液7由該入水口501流入該介電空間50，且該供電單元6提供電力於該第一電極板3與第二電極板4時，由於電場的作用，該待處理溶液7中的陽離子⊕會朝負極端(即，該第二電極板4)靠近，並被吸引固定於該第二電極板4的表面；該待處理溶液7中的陰離子會往正極端(即，該第一電極板3)靠近，並被吸引固定於該第一電極板3的表面。藉此，本發明第一較佳實施例可由該待處理溶液7中分離出帶電荷的陰離子與陽離子⊕，並使帶電荷的陰離子與陽離子⊕自該出水口502流出該介電空間50外，該待處理溶液7中的帶電離子數量將能有效地減少，並達到淨化水質的效果。

而特別說明的是，高配向熱裂解石墨以往都是因為其高熱傳導性質，而被應用於如導熱基板等改善散熱的產品上。然而，研究得知高配向熱裂解石墨其導電度良好，且質地較普通壓製型石墨緻密。此處特別值得說明的是，前幾段所述之石墨板的構造，為相互堆疊的一緻密性石墨片與一多孔性石墨片，以此構造之石墨板做為電極，不需再與金屬電極複合；此外，緻密性石墨片具有良好的導電度，而多孔性石墨片則是具有良好的比表面積可進行離子吸附作用；又，此構造之石墨板不需要高分子之黏結層114來固著活性碳粉133，避免電場強度因黏結層114的遮蔽而減弱。因此，本發明利用高配向熱裂解石墨做為該第一電極板3與第二電極板4，除了因為石墨材料本身的多孔性表面，可達到增加電極比表面積以提升電荷吸附量之 外，還一併解決了以往壓製型石墨做為電極時，易剝落釋出石墨粒子以影響電傳導路徑的問題。

參圖5，本發明之電容裝置的一第二較佳實施例大致上是相同於該第一較佳實施例，其不同處是在於，本發明該第二較佳實施例之該第一電極單元3的內表面31與該第二電極單元4的內表面41，分別形成有複數凹部311、411，並由相鄰之凹部311、411共同界定出複數凸部312、412，而分別令其內表面31、41的比表面積增加。在本發明該第二較佳實施例中，該第一電極板3上的該等凹部311與凸部312，可以是利用蝕刻(etching)的方式，或者電漿離子轟擊(ion bombarding)等方式製作，且彼此成陣列排列，而該第二電極板4上的該等凹部411、凸部412亦相同。藉由該等凹部311、411與凸部312、412的形成，使得該第一電極板3與第二電極板4之內表面31、41的比表面積有效地增加，以進一步地改善本發明電容裝置的電荷吸附量。

參圖6，本發明之電容裝置的一第三較佳實施例大致上是相同於該第一較佳實施例，其不同處是在於，本發明該第三較佳實施例之介電空間50在供電使用時是呈封閉狀(即，該絕緣框架5未設置有該入水口501與該出水口502)，且該介電空間50是容置一電解質(electrolyte)8，以使本發明該第三較佳實施例之電容裝置是作為一超級電容(supercapacitor)使用。

參圖7，本發明之電容裝置的一第四較佳實施例 大致上是相同於該第二較佳實施例與第三較佳實施例，也就是說，本發明該第四較佳實施例之介電空間50在供電使用時是呈封閉狀，且該介電空間50是容置該電解質8，以使本發明該第四較佳實施例之電容裝置是作為一超級電容使用。此外，在本發明該第四較佳實施例中，該第一電極板3與該第二電極板4的內表面31、41是分別形成有該等凹部311、411與該等凸部312、412，以藉此增加該等內表面31、41的比表面積。

綜上所述，本發明電容裝置藉由高配向熱裂解石墨所構成的第一電極板3與第二電極板4的結構設置，除了在導電形成均勻電場的同時，還能藉著該等內表面31、41的比表面積的提升而改善了電容效率；更特別是，高配向熱裂解石墨的結構相對傳統的壓製型石墨電極更為緻密，不易在使用過程中剝落，因而可能導致電極材料本身的導電性衰退，甚或是介電空間50中的電場衰退，進而影響電容效能，另外，由於不易損壞，也就表示本發明電容裝置的物料成本相對降低，而能提高本發明電容裝置的市場競爭力，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

3‧‧‧第一電極板

31‧‧‧內表面

4‧‧‧第二電極板

41‧‧‧內表面

5‧‧‧絕緣框架

50‧‧‧介電空間

501‧‧‧入水口

502‧‧‧出水口

6‧‧‧供電單元

7‧‧‧待處理溶液

Claims (6)

1. 一種電容裝置，包含：一第一電極板，由高配向熱裂解石墨所構成並具有一內表面；一第二電極板，由高配向熱裂解石墨所構成且與該第一電極板間隔相對設置，該第二電極板具有一面向該第一電極板之內表面的內表面；一絕緣框架，用以裝設該第一電極板與該第二電極板，且該絕緣框架、該第一電極板的內表面及該第二電極板的內表面共同界定出一介電空間；及一供電單元，分別電連接於該第一電極板與該第二電極板，供電時令該第一電極板與該第二電極板其中一者形成正極，並另該第一電極板與該第二電極板的其中另一者形成負極，而使該介電空間產生一電場。
2. 如請求項1所述的電容裝置，其中，該第一電極單元的內表面與該第二電極單元的內表面，分別形成有複數凹部，並由相鄰之凹部共同界定出複數凸部，而分別令其內表面的比表面積增加。
3. 如請求項1所述的電容裝置，其中，該第一電極板與該第二電極板各包括一緻密性高配向熱裂解石墨片，與一疊置於其所對應之緻密性高配向熱裂解石墨片上的多孔性高配向熱裂解石墨片，且該兩多孔性高配向熱裂解石墨片是相向設置。
4. 如請求項3所述的電容裝置，其中，該第一電極板與該 第二電極板是各先行在一基板上依序塗佈一緻密性的聚醯亞胺層及一多孔性的聚醯亞胺層後，並經由一石墨爐石墨化後所製成的一石墨板。
5. 如請求項1至請求項4項任一項所述的電容裝置，其中，該絕緣框架具有相間隔設置的一入水口與一出水口，使該介電空間在供電使用時是呈開放狀，且該介電空間是容置一待處理溶液，以使該電容裝置利用電容去離子化的反應機制來是作為一液體淨化裝置使用。
6. 如請求項1項至請求項4任一項所述的電容裝置，其中，該介電空間在供電使用時是呈封閉狀，且該介電空間是容置一電解質，以使該電容裝置是作為一超級電容使用。