TW202421578A - 奈米石墨烯壁、其製造方法、電極以及超級電容器 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種奈米石墨烯壁、其製造方法、電極以及超級電容器。奈米石墨烯壁的製造方法包括：將基板放入微波電漿設備中；通入碳氫氣體及惰性氣體；以及在基板上形成奈米石墨烯壁。微波電漿設備提供小於1 GHz的微波頻率。

Description

奈米石墨烯壁、其製造方法、電極以及超級電容器

本發明是有關於一種奈米石墨烯壁，且特別是有關於一種奈米石墨烯壁、其製造方法、電極以及超級電容器。

隨著全球對於環境與能源的重視，電動車的發展技術及其相關需求與日遽增。為此，為電動車提供具備高功率密度、短充放電時間、良好的使用壽命以及高可靠度的超級電容器的需求逐漸上升。然而，現有技術所形成的鈦/石墨烯壁（Ti/graphene nanowalls，Ti/GNWs）電極的尺寸為約1公分 3公分，遠小於商用電容器的電極之最小尺寸（約10公分 10公分）。若將現有的Ti/GNWs電極經串聯及/或並聯而使其達到車用電極的尺寸，會使得車用電容器有體積過大的問題。

本發明提供一種具有良好的面積尺寸的奈米石墨烯壁、其製造方法、電極以及超級電容器。

本發明的一種奈米石墨烯壁的製造方法包括將基板放入微波電漿設備中；通入碳氫氣體；以及在基板上形成奈米石墨烯壁。微波電漿設備提供小於1 GHz的微波頻率。

在本發明的一實施例中，上述微波電漿設備提供700℃至1500℃的溫度。

在本發明的一實施例中，上述微波電漿設備提供600瓦（W）至100,000瓦的微波功率。

在本發明的一實施例中，上述微波電漿設備為聚焦式微波電漿設備。

在本發明的一實施例中，上述製造方法沒有額外設置加熱設備。

在本發明的一實施例中，上述基板的材料包括鐵、鈷、鎳、鈦、鉻、鉬、銅、白金或其合金。

在本發明的一實施例中，上述碳氫氣體的通入流速為10 sccm至1,000 sccm。

在本發明的一實施例中，上述製造方法是在0.1托（torr）至100托的壓力下進行。

在本發明的一實施例中，其製程時間為3分鐘至50分鐘。

在本發明的一實施例中，上述基板包括輔助層。輔助層的材料具有高介電常數。

本發明的一種奈米石墨烯壁是由上述的奈米石墨烯壁的製造方法所製得。

在本發明的一實施例中，上述奈米石墨烯壁的長度為10公分以上，且寬度為10公分以上。

本發明的一種電極包括電極基材以及上述的奈米石墨烯壁。

本發明的一種超級電容器包括上述的電極。

基於上述，本發明的奈米石墨烯壁的製造方法包括將基板放入微波電漿設備中以在基板上形成奈米石墨烯壁，且微波電漿設備提供小於1 GHz的微波頻率。藉此，可使形成的奈米石墨烯壁具有良好的面積尺寸，例如長度及寬度可分別為10公分以上的大面積尺寸，而適用於一般電極及超級電容器電極。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例及圖式作詳細說明如下。

以下是詳細敘述本發明內容之實施例。實施例所提出的實施細節為舉例說明之用，並非對本發明內容欲保護之範圍做限縮。任何所屬技術領域中具有通常知識者當可依據實際實施態樣的需要對該些實施細節加以修飾或變化。 ＜ 奈米石墨烯壁的製造方法 ＞

本發明提供一種奈米石墨烯壁的製造方法，包括將基板放入微波電漿設備中；通入碳氫氣體；以及在基板上形成奈米石墨烯壁。此外，在通入碳氫氣體的過程中，也可通入惰性氣體。

微波電漿設備提供小於1 GHz的微波頻率，例如915 MHz或650 MHz；較佳為小於915 MHz。微波電漿設備的類型不限，可依據需求選擇適當的微波電漿設備。在本實施例中，微波電漿設備可提供700℃至1500℃的溫度，較佳為800℃至1100℃。微波電漿設備所提供的溫度可藉由其提供的微波功率來調整。舉例來說，微波電漿設備可提供600瓦至100,000瓦的微波功率，較佳為600瓦至60,000瓦（即60千瓦（kW））。微波電漿設備可為聚焦式微波電漿設備或其他合適的微波電漿設備。舉例來說，聚焦式微波電漿設備可藉由產生高能量密度的高溫電漿而提供900℃以上的溫度。

基板的材料沒有特別的限制，可依據需求選擇適當的基板材料。舉例來說，基板的材料必須使基板在製備奈米石墨烯壁的過程中不會熔化。基板的材料可為電極的材料，較佳為超級電容器的電極之材料。在本實施例中，基板的材料可包括鐵、鈷、鎳、鈦、鉻、鉬、銅、白金、其合金或其他合適的材料，較佳為鈦。

基板可更包括位於其上的輔助層。舉例來說，基板可具有第一表面以及與第一表面相對的第二表面。在預期將奈米石墨烯壁形成在第一表面上的情況下，輔助層可預先形成在第二表面上。輔助層的材料包括具有高介電常數的材料，較佳為介電常數大於3的材料，例如石英、碳化矽（SiC）、氧化鋁（Al ₂O ₃）、氮化鋁（AlN）、二氧化鋯（ZrO ₂）或其他合適的高介電常數材料；較佳為具有高介電常數以及高微波吸收係數的材料，例如碳化矽、氧化鋁、氮化鋁、二氧化鋯或其他合適的高介電常數材料。在基板包括輔助層的情況下，輔助層可輔助吸收微波以產生熱能，進而使微波電漿設備的腔室內的溫度升高，有助於減少製程時間。

通入碳氫氣體的流速沒有限制，可依據需求選擇適當的通入流速。在本實施例中，碳氫氣體的通入流速為10 sccm（標準狀況下每分鐘幾毫升，standard cubic centimeter per minute）至數千sccm（即1 slm（標準狀況下每分鐘幾公升，standard liter per minute）），較佳為10 sccm至1,000 sccm。碳氫氣體沒有特別的限制，可依據需求選擇適當的碳氫氣體。舉例來說，碳氫氣體可包括乙炔（C ₂H ₂）、乙烯（C ₂H ₄）、甲烷（CH ₄）或其他合適的碳氫氣體，較佳為甲烷或乙烯。

在本實施例中，在通入碳氫氣體的過程中，還可同時通入惰性氣體。惰性氣體可包括氬氣或其他合適的氣體。

奈米石墨烯壁的製造方法可在0.1托至100托的壓力下進行，較佳為0.1托至10托。製程時間可影響所形成的奈米石墨烯壁的厚度。製程時間可為3分鐘至50分鐘，較佳為3分鐘至10分鐘。舉例來說，在前述製程時間內可形成厚度為1微米至540微米的奈米石墨烯壁。

由於微波電漿設備已可藉由微波功率來調整微波電漿設備可提供的溫度且提供高溫環境，因此奈米石墨烯壁的製造過程中可不用額外設置加熱設備。此外，也可藉由包括輔助層的基板來提高微波電漿設備腔室內的溫度。

在本實施例中，是在通入碳氫氣體以及惰性氣體後，才開啟微波電漿設備，並且於微波電漿設備的腔室內藉由化學氣相沉積法（chemical vapor deposition，CVD）將奈米石墨烯壁形成於基板上。藉此，省略傳統製造方法中的混漿、塗佈、輾壓及烘烤等步驟，有助於減少製程時間及成本。 ＜ 奈米 石墨烯壁 ＞

本發明的一例示性實施例提供一種使用上述奈米石墨烯壁的製造方法製得的奈米石墨烯壁。奈米石墨烯壁可以不用從基板上剝除而直接與基板一併用於電容器（例如超級電容器）中。

用以形成奈米石墨烯壁的基板長度可為10公分以上，且寬度可為10公分以上；較佳為長度大於10公分，寬度大於10公分；更佳為長度為15公分以上，寬度為15公分以上。藉此，可以形成與基板尺寸相當的奈米石墨烯壁尺寸。藉由上述奈米石墨烯壁的製造方法製得的奈米石墨烯壁可具有大面積尺寸，例如長度可為10公分以上，且寬度可為10公分以上；較佳為長度大於10公分，寬度大於10公分；更佳為長度為15公分以上，寬度為15公分以上，而適用於電化學電極及電容器電極（例如超級電容器）。 ＜ 電極 ＞

本發明的一例示性實施例提供一種包括電極基材以及上述奈米石墨烯壁的電極。

在本實施例中，由上述奈米石墨烯壁的製造方法所製得的奈米石墨烯壁可以不用從基板上剝除而直接與基板一併用於電容器（例如超級電容器）中。也就是說，電極基材可以是上述的基板。奈米石墨烯壁可直接形成於電極基材上。

在下文中，將參照實例來詳細描述本發明。提供以下實例用於描述本發明，且本發明的範疇包含以下申請專利範圍中所述的範疇及其取代物及修改，且不限於實例的範疇。 奈米石墨烯壁及其製造方法的實施例

先將尺寸為10公分 10公分的鈦基板放入聚焦式微波電漿設備的腔室中，再將聚焦式微波電漿設備中的壓力抽真空至 托。接著，依序以50 sccm的流速通入氬氣以及以50 sccm的流速通入甲烷至微波電漿設備的腔室後，開啟微波電漿設備（微波功率為約1745~1760瓦）。在900℃以上的溫度以及約0.693托的壓力下進行反應5~6分鐘，即可藉由化學氣相沉積法獲得形成在鈦基板上的奈米石墨烯壁。

圖1是依照本發明一實施例的奈米石墨烯壁的製造方法所製得的奈米石墨烯壁的尺寸圖片。由圖1可得知，奈米石墨烯壁的製造方法可製得長度為約15公分且寬度為約15公分的奈米石墨烯壁。藉此，可形成具有良好的面積尺寸的奈米石墨烯壁，而適用於需要大面積尺寸的電極。

圖2是依照本發明一實施例的奈米石墨烯壁的製造方法所製得的奈米石墨烯壁的俯視掃描式電子顯微鏡影像。圖3是依照本發明一實施例的奈米石墨烯壁的製造方法所製得的奈米石墨烯壁的剖面掃描式電子顯微鏡影像。由圖2及圖3可得知，奈米石墨烯壁的製造方法所製得的奈米石墨烯壁具有大量孔隙、孔隙分佈均勻以及良好的厚度。藉此，使得奈米石墨烯壁適用於一般電極以及電容器（例如超級電容器）電極。

圖4是依照本發明一實施例的奈米石墨烯壁的製造方法所製得的奈米石墨烯壁的拉曼光譜影像。由圖4可得知，奈米石墨烯壁的製造方法所製得的奈米石墨烯壁具有良好的均勻度以及品質。

綜上所述，本發明的奈米石墨烯壁的製造方法包括將基板放入微波電漿設備中以在基板上形成奈米石墨烯壁，且微波電漿設備提供小於1 GHz的微波頻率時，使其形成的奈米石墨烯壁具有良好的面積尺寸（大面積尺寸）、孔隙數量與分佈性、厚度、均勻度以及品質，而可適用於一般電極以及超級電容器電極。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

無

圖1是依照本發明一實施例的奈米石墨烯壁的製造方法所製得的奈米石墨烯壁的尺寸圖片。 圖2是依照本發明一實施例的奈米石墨烯壁的製造方法所製得的奈米石墨烯壁的俯視掃描式電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）影像。 圖3是依照本發明一實施例的奈米石墨烯壁的製造方法所製得的奈米石墨烯壁的剖面掃描式電子顯微鏡影像。 圖4是依照本發明一實施例的奈米石墨烯壁的製造方法所製得的奈米石墨烯壁的拉曼光譜（Raman spectrum）影像。

Claims (14)

1. 一種奈米石墨烯壁的製造方法，包括： 將基板放入微波電漿設備中； 通入碳氫氣體；以及 在所述基板上形成奈米石墨烯壁， 其中所述微波電漿設備提供小於1 GHz的微波頻率。
2. 如請求項1所述的奈米石墨烯壁的製造方法，其中所述微波電漿設備提供700℃至1500℃的溫度。
3. 如請求項1所述的奈米石墨烯壁的製造方法，其中所述微波電漿設備提供600瓦至100,000瓦的微波功率。
4. 如請求項1所述的奈米石墨烯壁的製造方法，其中所述微波電漿設備為聚焦式微波電漿設備。
5. 如請求項1所述的奈米石墨烯壁的製造方法，沒有額外設置加熱設備。
6. 如請求項1所述的奈米石墨烯壁的製造方法，其中所述基板的材料包括鐵、鈷、鎳、鈦、鉻、鉬、銅、白金或其合金。
7. 如請求項1所述的奈米石墨烯壁的製造方法，其中所述碳氫氣體的通入流速為10 sccm至1,000 sccm。
8. 如請求項1所述的奈米石墨烯壁的製造方法，是在0.1托至100托的壓力下進行。
9. 如請求項1所述的奈米石墨烯壁的製造方法，其製程時間為3分鐘至50分鐘。
10. 如請求項1所述的奈米石墨烯壁的製造方法，其中所述基板包括輔助層，所述輔助層的材料具有高介電常數。
11. 一種奈米石墨烯壁，是由請求項1至10中任一項所述的奈米石墨烯壁的製造方法所製得。
12. 如請求項11所述的奈米石墨烯壁，其長度為10公分以上，且寬度為10公分以上。
13. 一種電極，包括： 電極基材；以及 如請求項11或12所述的奈米石墨烯壁。
14. 一種超級電容器，包括如請求項13所述的電極。