TWI471881B - 具核-殼型電極的超級電容器 - Google Patents

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Description

具核-殼型電極的超級電容器
本發明攸關於一種超級電容器，而特別關於一種具核-殼型電極的超級電容器。
超級電容器，亦稱電化學電容器(electrochemical capacitor，EC)或電雙層電容器(electric double layer capacitor，EDLC)，其工作原理為：充電時，超級電容器的二電極表面分別帶有正電荷與負電荷，而正電荷會吸引超級電容器之電解質中的陰離子，負電荷會吸引電解質中的陽離子，如此陰、陽離子於二電極與電解質之間的介面獲得一電位差；放電時，帶走二電極表面的正電荷與負電荷，而陰離子及陽離子會流返至電解質中，如此釋放獲致的電位差。超級電容器具備有較傳統電池高的功率密度(power density)、多的充放電次數、短的充電時間、及長的儲電時間，以及較傳統電容器高的能量密度(energy density)、及長的放電時間，於是逐漸取代這些傳統儲電裝置，而作為電子元件的供電來源。
本發明人於中華民國發明專利公開號第201316362號，已揭示一種超級電容器，其至少有一固態高分子電解質與一改良式碳質電極。電極是一活性物質塗佈於一導電性碳質基材而製得的，而活性物質除了一主成分及一導電助劑外，還有一可協助主成分及導電助劑黏附於碳質基材 的黏結劑。然而，電極因添加有黏結劑而存在著高阻抗的問題，從而造成超極電容器的電性效能仍有改善空間。此外，電極更因添加有黏結劑而導致電極的製造過程過於繁瑣。
職是之故，設計一種超級電容器，此可降低其電極的阻抗，並簡單化電極的製造過程，乃為本技術領域人士積極解決的議題之一。
本發明旨在提出一種超級電容器，其含有一對電極以及一電解質。每一電極具有一石墨纖維核心以及一原子級包覆於核心之外表面的活性碳殼體。電解質為配置於此對電極之間，並接觸每一電極的殼體，用以電性連接此對電極。
依據本發明，活性碳殼體為原子級包覆於石墨纖維核心的外表面，不須一黏結劑協助殼體附著於核心的外表面。如此一來，可降低超級電容器之電極的阻抗，並提升超級電容器的電性效能。另一方面，基於未添加有黏結劑，可簡單化超級電容器之電極的製造過程。
(1)‧‧‧上電極
(11)‧‧‧活性碳殼體
(12)‧‧‧石墨纖維核心
(2)‧‧‧下電極
(3)‧‧‧電解質
(4)‧‧‧包裝外殼
(5)‧‧‧隔離膜
第一圖為一剖面圖，說明著本發明一實施方式的超級電容器。
第二圖為一剖面圖，說明著本發明另一實施方式的超級電容器。
第三圖為一掃描式電子顯微鏡照片圖，顯示著製備例中使用之石墨纖維原料的外觀。
第四圖為一掃描式電子顯微鏡照片圖，顯示著製備例得到之電極的外觀。
第五圖顯示著製備例之超級電容器以及先前技術之超級電容器的自放電效能。
第六圖顯示著製備例之超級電容器以及先前技術之鋰離子電池多次充放電循環後的重量比容量。
第七圖顯示著製備例之超級電容器以及先前技術之鋰離子電池多次充放電循環後的體積比容量。
為讓本發明上述及/或其他目的、功效、特徵更能明顯易懂，下文特舉較佳實施方式，作詳細說明。
如第一圖所示，係繪示著本發明之一實施方式的超級電容器，而此實施方式的超級電容器含有一上電極(1)、一下電極(2)、一電解質(3)及一包裝外殼(4)。
上電極(1)具有一石墨纖維核心(12)以及一活性碳殼體(11)，而活性碳殼體(11)為原子級包覆於石墨纖維核心(12)的外表面。本文中使用的片語「原子級包覆」是指活性碳殼體(11)的碳原子與石墨纖維核心(12)的碳原子間形成一碳-碳化學鍵，而活性碳殼體(11)透過此化學鍵包覆於石墨纖維核心(12)的外表面。於本實施方式中，石墨纖維核心(12)的直徑約為100μm至500μm，活性碳殼體(11)的厚度約為1nm至50nm。
上電極(1)可以為利用高溫酸洗法(acid cleaning at a high temperature)或電漿誘發法(plasma induction)而形成的。就高溫酸洗法而言，是將一石墨纖維原料經過一高溫酸類(如硝酸)處理其外表面，讓石 墨纖維原料外表面反應成活性碳，以得到上電極(1)。就電漿誘發法而言，是先將二電漿電極夾住一石墨纖維原料，再於特殊氣體氛圍下，通入高頻脈波電壓至其中一電漿電極，將另一電漿電極接地，使得石墨纖維原料的孔隙充滿有電漿，而使用電漿將石墨纖維原料的外表面轉化為活性碳，以得到上電極(1)。於本實施方式中，電壓的大小約為±200V至400V，電壓的頻率約為1kHz至50kHz，而特殊氣體氛圍可以為但不限於，氮氣、惰性氣體或乾燥空氣，氣體氛圍的壓力約為0.05torr至0.5torr。
相較於高溫酸洗法，電漿誘發法更適宜用來製造上電極(1)，其原因在於：電漿誘發法可藉助上述及/或其他製程參數來調控活性碳殼體(11)的厚度。
下電極(2)具有與上電極(1)相同的結構，且可以為利用與上電極(1)相同之製造方法而形成的。
電解質(3)是配置於上電極(1)及下電極(2)之間，並接觸於上電極(1)及下電極(2)的活性碳殼體(11)。這樣一來，電解質(3)可電性連接此上電極(1)及下電極(2)。於本實施方式中，電解質(3)為一固態電解質，固態電解質的組成可以為但不限於，導電性高分子，或含導電性高分子與離子化合物的混合物，而導電性高分子的例子如，聚乙炔(polyethene)、聚苯胺(polyaniline)、聚吡咯(polypyrrole)、聚噻吩(polythiophene)、或聚對苯乙烯(poly(p-phenylenevinylene))。
包裝外殼(4)為設置來供此二電極(1、2)及電解質(3)容置，包裝外殼(4)的材質可以為但不限於，鋁、鋁合金、或耐熱樹脂(如環氧樹脂(epoxy resin)、酚樹脂(phenol resin)、或聚醯亞胺樹脂(polyimide resin))。
如第二圖所示，係繪示著本發明之另一實施方式的超級電容器，而此實施方式的超級電容器具備有與上述實施方式之超級電容器相同的結構特徵，除了以下差異外：此實施方式之超級電容器的電解質(3)為一液態電解質，液態電解質的組成可以為但不限於，IA族金屬鹽類的溶液、或熔融態IA族金屬鹽類。
為避免上電極(1)及下電極(2)短路，此實施方式的超級電容器尚配置有一隔離膜(5)，而隔離膜(5)為設置於電解質(3)內，並隔離上電極(1)及下電極(2)。隔離膜(5)的例子可以為但不限於，聚烯烴無紡布、聚氯乙烯微孔隔膜、微孔硬橡膠隔膜、或玻璃纖維隔膜。
此實施方式之超級電容器的包裝外殼(4)為設置來供此二電極(1、2)、電解質(3)及隔離膜(5)容置。
茲以下文實施例，以進一步例示說明本發明。
<製備例>
首先，將二電漿電極夾住一石墨纖維原料(請參照第三圖)。於氣壓0.05torr至0.5torr的氮氣、惰性氣體或乾燥空氣下，通入高頻脈波電壓(大小約為±200V至400V，頻率約為1kHz至50kHz)至其中一電漿電極，將另一電漿電極接地，使得石墨纖維原料的孔隙充滿著電漿。利用電漿將石墨纖維原料的外表面轉變為活性碳，以得到一電極(請參照第四圖)。也就是說，形成的電極具有一石墨纖維核心及一活性碳殼體，而石墨纖維核心是對應於石墨纖維原料內部，活性碳殼體是對應於石墨纖維原料外表面並 原子級包覆於石墨纖維核心的外表面。
接著，取二個如上所述的電極與一電解質，並裝置於一包裝外殼內，而得到一超級電容器，其中電解質是設置於此二電極之間，並接觸每一電極的活性碳殼體。
<分析例>
為瞭解製備例得到之超級電容器的自放電(self-discharge)效能，各自將此超級電容器及先前技術的超級電容器(作為對照例)充電至1V的電位，接著於靜置一段時間後，測量它們剩餘的電位。如第五圖所示，製備例得到之超級電容器於靜置80小時後，剩餘的電位為0.6V，而先前技術的超級電容器於靜置80小時後，剩餘的電位為0.25V。此結果意謂著製備例得到的超級電容器具有相對低的自放電效能。換言之，製備例得到的超級電容器具有相對長的儲電時間。
為更進一步瞭解製備例得到之超級電容器的充放電循環效能，各別將此超級電容器及先前技術的鋰離子電池(作為對照例)充電至滿後，完全放電，並重複上述充放電動作多次。如第六、七圖所示，每次的充放電動作代表著一次的充放電循環。依據這些圖式，可以推知：此超級電容器於每次充放電循環測得的充電能量密度及放電能量密度均保持一致。又依據這些圖式，可以推知：此超級電容器於每次充放電循環測得的充電能量密度及放電能量密度均優於先前技術之鋰離子電池於每次充放電循環測得的充電能量密度及放電能量密度。這些結果意謂著製備例得到之超級電容器具有相對高的電容量及相對優異的充放電循環效能。
綜合上述實施例，證實了本發明之實施方式的超級電容器具 有優異於及/或等效於先前技術之超級電容器及電池的電性效能。而本發明人臆測此電性效能乃因電極未添加有黏結劑而降低其阻抗所造成的。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例，但不能以此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效改善與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
(1)‧‧‧上電極
(11)‧‧‧活性碳殼體
(12)‧‧‧石墨纖維核心
(2)‧‧‧下電極
(3)‧‧‧電解質
(4)‧‧‧包裝外殼

Claims (11)

  1. 一種超級電容器，係包括：一對電極，係各自具有一石墨纖維核心以及一原子級包覆於該核心之外表面的活性碳殼體；以及一電解質，係配置於該對電極之間，並接觸該每一電極的殼體，用以電性連接該對電極；其中該殼體的厚度係為1nm至50nm。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之超級電容器，其中該電解質係為一固態電解質。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之超級電容器，其中該電解質係為一液態電解質。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之超級電容器，尚包括：一隔離膜，係設置於該電解質內，並隔離該對電極，用以避免該對電極短路。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之超級電容器，更包括：一包裝外殼，係供該對電極及該電解質容置。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之超級電容器，另包括：一包裝外殼，係供該對電極、該電解質及該隔離膜容置。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之超級電容器，其中該每一電極係利用高溫酸洗法(acid cleaning at a high temperature)、或電漿誘發法(plasma induction)而形成的。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之超級電容器，其中該核心的直徑係為100μm 至500μm。
  9. 如申請專利範圍第4項所述之超級電容器，其中該隔離膜係為聚烷烴無紡布、聚氯乙烯微孔隔膜、微孔硬橡膠隔膜、或玻璃纖維隔膜。
  10. 如申請專利範圍第2項所述之超級電容器，其中該固態電解質的組成係為導電性高分子、或含導電性高分子與離子化合物的混合物。
  11. 如申請專利範圍第3項所述之超級電容器，其中該液態電解質的組成係為IA族金屬鹽類的溶液、或熔融態IA族金屬鹽類。
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