利用超音波噴塗技術製備超級電容活性碳薄膜電極

 

刊登日期:2016/1/5
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由於材料成本、比表面積及化學穩定性之要求,碳成為近年來超級電容電極的主要材料。其中以超音波噴塗方式所製備之超級電容碳電極除了製程簡單且可大面積製備外,具有超音波振動之噴嘴可噴出粒子更細小之漿料,並可均勻塗佈於基板表面。本研究以高比表面積活性碳搭配黏著劑,以超音波噴塗技術於金屬基板上製備活性碳薄膜電極,並探討不同材料混合比例對其電容特性之影響,利用場發射電子顯微鏡( FE-SEM )及薄膜厚度輪廓測度儀觀察噴塗後電極的厚度和表面形貌。研究結果顯示,以 2 wt% 黏著劑搭配固含量11 wt%活性碳漿料噴塗效果最佳,在電極膜厚為 23.6 nm 時,其片電阻值與比電容值分別為 45.68 Ω/sq 和213 F/g。

 
圖一、超級電容器應用
 
常用之EDLC電極材料
表二為碳系材料特性比較表,碳系材料的原料便宜、來源容易取得,不但具有高的比表面積,同時也有好的導電性。以下將針對幾種常用的電雙層電容器電極材料之製備方法、表面特性和電容量表現做一介紹。
2. 石墨烯
石墨烯是由碳原子以 sp2 共價鍵形成之二維平面結構,因而具有良好的導熱、導電和應力特性;另外,單層石墨烯可提供超過 2,500 m2/g 的理論比表面積,若可完全被利用,每單位克電容量可達 500 F/g以上。但由於石墨烯的比表面積利用率有限,目前比電容量在 100~200 F/g。Meryl 等人以聯氨進行還原反應,使聚集的石墨烯尺寸降至 15~25 μm,改質後的石墨烯於水系與有機系電解液中分別可達到 135 F/g 及 99 F/g 的表現。Zhu 等人則藉由微波與直接加熱方式進行展開並還原石墨烯氧化物( GO ),於水系與有機系電解液中分別為 190 F/g 及 120 F/g。
 
超級電容電解液種類及影響

超級電容器中, 電解質溶液扮演著一個很重要的角色。選擇電解液須考慮要有足夠高的溶質濃度以提供正、負離子;且須具備高導電性,降低整體電容元件的阻抗。另外,電解液不可與電極材料和元件封裝材料發生化學反應,基於環境因素的考量,期望於適當之電位、溫度範圍,可提升電極材料之擬電容性質。
 
超級電容隔離膜選擇
隔離膜是放置在兩極之間以防止正/負極接觸,同時傳遞電解液中的離子,使電化學反應可以持續發生,隔離膜必須防止電子短路兼具離子導通的能力,因此一個絕緣的多孔隙材料即為很好的選擇。目前市面上的隔離膜大多以聚烯烴材料為主,由於隔離膜需長時間浸泡於電解液之中,周圍不斷地進行電化學反應,因此必須選擇化學與電化學皆穩定之材料,而聚烯烴材料在這方面有很好的表現。
 
超音波噴塗技術
噴塗技術的原理是將配製好的漿料透過高速氣流使其霧化,並以一定的速度噴射和沉積至工件表面,形成具有各種功能覆蓋層的一種表面工程技術。而本研究使用之超音波噴塗技術相較於其他的噴塗方式,能夠以特殊的超音波噴嘴設計搭配超音波的高頻振動,使漿料有效的霧化,產生更細緻的霧化液滴。

由於超音波噴塗不使用壓力霧化漿料,因此能提供輕柔、低流速的噴霧,流速約為 3~5 inches/s,其他常見的噴霧方式,以壓力霧化時,流速通常會是超音波噴嘴的 100倍以上,兩者間流速的明顯差異,具有其重要的意義,低流速的霧化方式,霧化的漿料能夠安定的落在基材表面,不會因壓力過大而反彈,而噴霧的範圍則是透過調整輔助氣流來控制,不僅能有效降低原料的消耗及避免噴塗過量,更能減少對於環境的影響 ……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。


 
圖五、電容器組裝與量測示意圖
 
作者:黃俊杰/大葉大學工業工程與管理學系;吳宛玉/明道大學材料與能源工程學系;詹亮辰/國立彰化師範大學機電系;劉旺林、賴佩君/財團法人精密機械發展中心

★本文節錄自「工業材料雜誌」349期,更多資料請見下方附檔。

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