TWI592959B - 高能量密度的非對稱型擬電容器的製作方法 - Google Patents

高能量密度的非對稱型擬電容器的製作方法 Download PDF

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Description

高能量密度的非對稱型擬電容器的製作方法
本發明是有關於一種非對稱型電容器的製作方法，特別是指一種利用電泳法所製得之高能量密度的非對稱電容器的製作方法。
由於電化學電容器能於一小體積中擁有高電容值，適合發展作為儲能工具，所以，電化學電容器逐漸成為新一代電池的發展主流。
其中，非對稱型擬電容器(asymmetric pseudocapacitor)是其中一種新穎的電化學電容器，其工作原理在於利用一材料表面的電活性(electro active)與電解液，而進行快速可逆的法拉弟反應，以儲存電荷。
參閱圖1，一般的非對稱型擬電容器包括一陽極板11、一陰極板12，及一設置於該陽極板11與該陰極板12間而可供離子穿透的隔離膜13。
該陽極板11包括一導電基材111、一陽極薄膜112，及一位於該導電基材111與該陽極薄膜112間並供該陽極薄膜112與該導電基材111彼此相連結的黏著劑 113。
該陰極板12包括一導電基材121、一陰極薄膜122，及一位於該導電基材121與該陽極薄膜122間並供該陽極薄膜122與該導電基材121彼此相連結的黏著劑123。
該非對稱型擬電容器的製作方法如下：(1)準備一導電基板，於該導電基板的其中一表面塗佈一層黏著劑，再於該黏著劑的表面以加壓的方式設置該陽極薄膜；(2)準備另一導電基板，於該導電基板的其中一表面塗佈一層黏著劑，再於該黏著劑的表面以加壓的方式設置該陰極薄膜；及(3)於該陽極薄膜與該陰極薄膜間設置一隔離膜。
然而，由於該陽極板的黏著劑，及該陰極板的黏著劑是屬於不導電的材料，造成該陽極板與該陰極板的電阻值過高的問題。
針對該黏著劑113、123所造成電阻值過高的問題，有學者提出利用電泳法，將該陽極薄膜與該陰極薄膜直接沉積於該導電基板表面，繼而省略該黏著劑，其中，使用於電泳法之電泳液，為了增加電泳度，以使該陽極薄膜與該陰極薄膜材料表面帶電荷，而於電泳液中添加一界面活性劑。但此作法的缺點在於，在完成電泳法之後續蒸發電解質的過程中，該界面活性劑未能同時揮發隨蒸發 過程同時揮發，反而使得陽極板的陽極薄膜及該陰極板的該陰極薄膜中含有大量的界面活性劑，導致電阻值仍然無法有效地被降低。
因此，如何改善該非對稱型擬電容器之陽極板與該陰極板的電阻值，繼而有效地大幅提升非對稱型擬電容器的功率密度、能量密度與循環壽命(cycle time)，為本技術領域主要研究發展的方向之一。
因此，本發明之目的，即在提供一種具有高功率密度、高能量密度與長循環壽命之高能量密度的非對稱型擬電容器。
此外，本發明之另一目的，即在提供一種具有高功率、高能量密度與長循環壽命之高能量密度的非對稱型擬電容器的製作方法。
於是，本發明高能量密度的非對稱型擬電容器，包含一陰極板、一陽極板，及一隔離膜。
該陰極板包括一第一導電基材，及一形成於該第一導電基材上的多孔性陰極薄膜，該多孔性陰極薄膜具有多數片狀複合物，及一穿伸於該等片狀複合物的間隙間且與該等片狀複合物接觸的網狀結構，每一該等片狀複合物為具有石墨烯、過渡金屬化合物及奈米碳管的複合物，該網狀結構具有奈米碳管。
該陽極板包括一第二導電基材，及一形成於第二導電基材上的陽極薄膜，該陽極薄膜具有石墨烯及奈米 碳管的複合物。
該隔離膜設置於該陽極板及該陰極板間，並供離子穿透。
較佳地，該陰極板的第一導電基材與該陽極板的第二導電基材為鎳金屬。
較佳地，該陰極板的該等片狀複合物的過渡金屬化合物為二氧化錳。
再者，本發明非對稱型擬電容器的製作方法，包含：氧化一石墨粉體成為一石墨烯氧化物。
利用氫氧化鈉水液溶作為還原劑還原該石墨烯氧化物為一石墨烯。
將一具有該石墨烯、一過渡金屬氧化物及一奈米碳管之已合成的第一複合物粉體，及一奈米碳管粉體，分散於一含有質子酸的有機溶劑中，成為一第一溶液。
利用電泳法配合該第一溶液於一第一導電基材的表面沈積得一陰極薄膜。
將一石墨烯粉體及一奈米碳管粉體，分散於一含有質子酸的有機溶劑中，成為一第二溶液。
利用電泳法配合該第二溶液於一第二導電基材的表面沈積得一陽極薄膜。
於該陽極薄膜與該多孔性陰極薄膜間設置一供離子穿透的間隔板，製得該高能量的非對稱型電容器。
較佳地，該第一複合物粉體是利用該石墨烯、 該過渡金屬氧化物及該奈米碳管進行合成而製得。
較佳地，該第一導電基材及該第二導電基材為鎳金屬。
較佳地，該過渡金屬氧化物為二氧化錳。
較佳地，該質子酸為鹽酸，該有機溶劑為異丙醇。
11‧‧‧陽極板
111‧‧‧導電基材
112‧‧‧陽極薄膜
113‧‧‧黏著劑
12‧‧‧陰極板
121‧‧‧導電基材
122‧‧‧陰極薄膜
123‧‧‧黏著劑
13‧‧‧隔離膜
2‧‧‧陰極板
21‧‧‧第一導電基材
22‧‧‧多孔性陰極薄膜
3‧‧‧陽極板
31‧‧‧第二導電基材
32‧‧‧陽極薄膜
4‧‧‧隔離膜
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是一剖視圖，說明習知一非對稱型擬電容器；圖2是一剖視圖，說明本發明高能量密度的非對稱型擬電容器的一較佳實施例；圖3是一掃描式電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)圖，說明該較佳實施例的陰極薄膜；圖4是一本發明高能量密度的非對稱型擬電容器之具體例的陰極板的電壓對電流密度曲線圖；圖5是一本發明高能量密度的非對稱型擬電容器之具體例的陰極板的時間倒數之平方根(1/t1/2)對電流(i)的曲線圖；圖6是一本發明高能量密度的非對稱型擬電容器之具體例的電壓對電流密度曲線圖；圖7是一本發明高能量密度的非對稱型擬電容器之具 體例的充放電之循環周期數對電容保持度的曲線圖；及圖8是一本發明高能量密度的非對稱型擬電容器之具體例的功率密度和能量密度分佈圖。
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2，本發明高能量密度的非對稱型擬電容器之一較佳實施例包含一陰極板2、一陽極板3，及一隔離膜4。該較佳實施例具有高能量及高功率密度。
該陰極板2包括一第一導電基材21，及一形成於該第一導電基材21上的多孔性陰極薄膜22。
配合參閱圖3，該多孔性陰極薄膜22具有多數片狀複合物，及一穿伸於該等片狀複合物的間隙間而用以支撐該等片狀複合物的網狀結構，每一該等片狀複合物為具有石墨烯、過渡金屬化合物及奈米碳管的複合物，該網狀結構具有奈米碳管。
該陽極板3包括一第二導電基材31、一設置於該第一導電基材31上的陽極薄膜32。該陽極薄膜32具有石墨烯及奈米碳管的複合物。
該隔離膜4設置於該陽極板3與該陰極板2間，並供離子穿透。
較佳地，該第一導電基材21及該第二導電基材 31為鎳金屬；該陰極板2的該等片狀複合物的過渡金屬化合物為二氧化錳。
又，本發明高能量密度的非對稱型擬電容器(asymmetic pseudocapacitor)屬於電化學電池的其中一種態樣。
本發明高能量密度的非對稱型擬電容器的製作方法如下：(1)氧化一石墨粉體成為一石墨烯氧化物；(2)利用氫氧化鈉水液溶作為還原劑還原該石墨烯氧化物為一石墨烯；(3)將一具有該石墨烯、一過渡金屬氧化物及一奈米碳管之已合成的第一複合物粉體，及一奈米碳管粉體，分散於一含有質子酸的有機溶劑中，成為一第一溶液；(4)利用電泳法配合該第一溶液於一第一導電基材21的表面沈積得一多孔性陰極薄膜22；(5)將一石墨烯粉體及一奈米碳管粉體，分散於一含有質子酸的有機溶劑中，成為一第二溶液；(6)利用電泳法配合該第二溶液於一第二導電基材31的表面沈積得一陽極薄膜32；及(7)於該陽極薄膜32與該多孔性陰極薄膜22間設置一供離子穿透的隔離膜4，製得該高能量密度的非對稱型擬電容器。
較佳地，該過渡金屬氧化物為二氧化錳；該有 機溶劑為異丙醇；及該質子酸為鹽酸，以提供氫離子。
需說明的是，該第一複合物粉體是利用該石墨烯、該過渡金屬氧化物及該奈米碳管進行合成而製得。
由於本發明非對稱擬電容器的製作方法是於無毒的氫氧化鈉水溶液中製作石墨烯，不會造成環境汙染。
其次，本發明高能量密度的非對稱型擬電容器的製作方法是於提供質子酸之鹽酸作為電解質進行電泳法，以沉積形成具有該等片狀複合物及該網狀結構的該多孔性陰極薄膜22，且該多孔性陰極薄膜22在乾燥後經測試証實不會殘留影響導電性的物質，可有效地維持該多孔性陰極薄膜22的導電性質，不會有目前殘留界面活性劑，或必需附著於一習知的黏著劑所造成該陰極導電薄膜的電阻值過高的問題。
又，該第一導電基材及該第二導電基材為金屬基材，在該較佳實施例中，該第一導電基材與該第二導電基板是以鎳金屬所構成。
當使用時，可將本發明高能量密度的非對稱型電容器封裝於一以鐵氟龍為主要材料所構成的殼體(圖未示出)中，並於該陽極板3與該陰極板2間注入硫酸鈉作為電解質溶液。
以下詳細地說明本發明該高能量密度的非對稱型擬電容器之較佳實施例之具體例的製作過程。
首先，利用哈姆法氧化一石墨粉體成為一石墨烯氧化物；再將100克的該石墨烯氧化物分散於50毫升的 去離子水，並利用超音波法攪拌30分鐘，以得到褐色之已分散該石墨烯氧化物的水溶液。
繼續，利用一酸鹼值為14的氫氧化鈉水溶液作為還原劑，與已分散該石墨烯氧化物的水溶液於95℃的環境反應12小時直到水溶液呈現黑色，用以還原該石墨烯氧化物為一石墨烯，再於110℃的環境乾燥該收集得到的石墨烯，再於750℃及充滿混合有氫氣與氬氣的環境熱退火30分鐘，得到成粉體狀之該石墨烯。
接著，準備0.095克之該石墨烯、二氧化錳及奈米碳管所構成的第一複合物粉體、0.005克之已純化的奈米碳管粉體，及0.2毫升之重量百分濃度為37%的鹽酸，置於80毫升的異丙醇中，再以超音波儀振盪30分鐘，使得該第一複合物粉體與奈米碳管粉體均勻地分散於異丙醇中，成為該第一溶液。
接著，分別以一鎳薄板作為電泳陰極，以一白金薄板作為電泳陽極，並將該鎳薄板與該白金薄板以一公分的間距浸置於該第一溶液中。
再利用50V的直流電進行2分鐘的電泳法，而於該鎳薄板上沉積一層具有以該等石墨烯、二氧化錳及奈米碳管構成的片狀複合物，及一以奈米碳管所構成且形成於該等片狀複合物周圍的網狀結構的多孔性陰極薄膜。
接著，利用烤箱以溫度120℃，烘烤設置於該鎳薄板上的該多孔性陰極薄膜12小時直到乾燥，得到該陰極板，並測得該乾燥後的多孔性陽極薄膜的重量為0.55毫 克。
再來，準備0.05克之已純化的奈米碳管粉體，0.2毫升之重量百分濃度為37%的鹽酸，置於含有0.05g的石墨烯之80毫升的異丙醇中，再以超音波儀振盪30分鐘，使得該奈米碳管粉體與石墨烯均勻地分散於異丙醇中，成為該第二溶液。
接著，分別以另一鎳薄板作為電泳陰極，以一白金薄板作為電泳陽極，並將該鎳薄板與該白金薄板以一公分的間距浸置於該第二溶液中。
再利用50V的直流電進行2分鐘的電泳法，而於該鎳薄板上沉積一層以石墨烯及奈米碳管所構成的陽極薄膜。
接著，利用烤箱以溫度120℃，烘烤設置於該鎳薄板上的該陽極薄膜12小時直到乾燥，得到該陽極板，並測得該乾燥後的陽極薄膜的重量為2.7毫克。
接著，於該陽極板及該陰極板間設置該間隔板(廠牌型號：DuPontTM Nafion® NRE211 membrane)，製得本發明高能量密度的非對稱型擬電容器的具體例。
[量測結果]
圖4為本發明該高能量密度的非對稱型擬電容器具體例之該陰極板的電壓對電流密度曲線圖。採用傳統三電極系統作為量測該陰極板2內半電池(Half Cell Test)電化學反應行為。此量測條件是以該陰極板2作為工作電極，一白金金屬板作為輔助電極，一甘汞電極作為參考電極， 濃度為0.1M的硫酸鈉作為電解質。由圖4可以得知。當掃描速率在5~500mVs-1時，電壓對電流密度曲線圖成近理想的長方形。
圖5為本發明該高能量密度的非對稱型擬電容器具體例之該陰極板的時間倒數之平方根(1/t1/2)對電流(i)的曲線圖。需先敘明的是，根據擴散方程式(Cottrell equation)，可計算得知一物質於一電極表面上的擴散係數(diffusion coefficient)。本具體例的擴散係數可透過圖5之斜率，再代入法拉第常數、電極板的表面積、電子數目，及電活性物質密度等已知參數計算得知，由於此為所屬技術領域的通常知識，在此不再多加贅述。本發明具體例之陰極板的擴散係數的量測過程主要是量測0.1M的硫酸鈉水溶液中的鈉離子於該具體例的陰極板2表面之代表嵌入與嵌出的擴散係數(diffusion coefficient for intercalation and deitercalation)。根據圖5接近時間關係軸為0的斜率，分別計算出鈉離子之嵌入與嵌出的擴散係數為6.34×10-7cm2s-1及8.8610-7cm2s-1。此也是遠高於目前現有文獻的擴散係數。
圖6為本發明該高能量密度的非對稱型擬電容器的具體例的電壓對電流密度曲線圖。在量測之前，先將本發明該高能量密度的非對稱型擬電容器的具體例封裝於一以鐵氟龍為主要材料所構成的殼體中，再於該殼體中注入0.1莫耳濃度的硫酸鈉作為電解質溶液，使得該陽極板與該陰極板間充滿電解質溶液。此量測條件是以該陰極板 2作為陰極，該陽極板3作為陽極，濃度為0.1M的硫酸鈉作為電解質。由圖6可以得知。當掃描速率在5~500mVs-1時，電壓對電流密度曲線圖成近理想的長方形；特別地，即便掃描速率高達500mVs-1，電壓對電流密度曲線仍不會失真，仍然成封閉之近理想的長方形。
圖7為本發明該高能量密度的非對稱型擬電容器的具體例的充放電之循環周期數對電容量的曲線圖，即表示本發明該高能量密度的非對稱型電容器的循環周期數對電容保持度的關係。由圖7可以得知，本發明具體例在經過超過10000次的充放電循環週期，仍能維持約89%的電容保持率，表現出優異的電荷儲存特性。
圖8為本發明該高能量密度的非對稱型擬電容器的具體例的功率密度和能量密度分佈圖。由圖8可以得知，本發明具體例於1Ag-1電流密度下所得能量密度跟功率密度各約為304.1Whkg-1與19.9kWkg-1，當電流密度提升至30Ag-1，該具體例的能量密度跟功率密度仍能維持各約為171.2Whkg-1與242.1kWkg-1。其中，具體例於電流密度為1Ag-1下所測得之能量密度(304.1Whkg-1)更遠高於目前文獻所載之超高電容器的儲能紀錄。
綜上所述，本發明的多孔性陰極薄膜22不需習知的黏著劑即可直接附著於該第一導電基材21表面，且不含習知的界面活性劑，有效提升該多孔性陰極薄膜22的導電特性，繼而提升本發明該高能量密度的非對稱型擬電容器整體的儲能效率；再者，本發明該高能量密度的非對稱 型擬電容器的製作方法整體是在無毒的現境中進行，不會造成環境汙染，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。
2‧‧‧陰極板
21‧‧‧第一導電基材
22‧‧‧多孔性陰極薄膜
3‧‧‧陽極板
31‧‧‧第二導電基材
32‧‧‧陽極薄膜
4‧‧‧隔離膜

Claims (5)

  1. 一種高能量密度的非對稱型擬電容器的製作方法，包含：(1)氧化一石墨粉體成為一石墨烯氧化物；(2)利用氫氧化鈉水液溶作為還原劑還原該石墨烯氧化物為一石墨烯；(3)將一具有該石墨烯、一過渡金屬氧化物及一奈米碳管之已合成的第一複合物粉體，及一奈米碳管粉體，分散於一含有質子酸的有機溶劑中，成為一第一溶液；(4)利用電泳法配合該第一溶液於一第一導電基材的表面沈積得一陰極薄膜；(5)將一石墨烯粉體及一奈米碳管粉體，分散於一含有質子酸的有機溶劑中，成為一第二溶液；(6)利用電泳法配合該第二溶液於一第二導電基材的表面沈積得一陽極薄膜；及(7)於該陽極薄膜與該多孔性陰極薄膜間設置一供離子穿透的隔離膜，製得該高能量的非對稱型電容器。
  2. 如請求項1所述的高能量密度的非對稱型擬電容器的製作方法，其中，該第一複合物粉體是利該石墨烯、該過渡金屬氧化物及該奈米碳管進行合成而製得。
  3. 如請求項1所述的高能量密度的非對稱型擬電容器的製作方法，其中，該第一導電基材及該第二導電基材為鎳金屬。
  4. 如請求項1所述的高能量密度的非對稱型擬電容器的製作方法，其中，該過渡金屬氧化物為二氧化錳。
  5. 如請求項1所述的高能量密度的非對稱型擬電容器的製作方法，其中，該質子酸為鹽酸，該有機溶劑為異丙醇。
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