自動化活化技術用作碳纖維多功能儲能複合材料(下)

 

刊登日期:2022/6/29
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胡哲愷、吳政諺、黃心豪 / 臺灣大學工程科學及海洋工程學系暨研究所;陳洵毅 / 臺灣大學生物機電工程學系暨研究所
 
超級電容製程及其電化學表現
完成局部活化碳纖維的參數測試實驗後,接下來就是製備超級電容以及封裝的部分,主要目標是製備可以同時存儲電能和承受負載的多功能儲能複合材料。本團隊使用碳纖維的目的即為在初步封裝過程中樹脂能夠滲透到纖維中且與電容器完美的結合達到一體式超級電容的效果,而不是靠額外的包裝來達到提升超級電容本身結構強度的效果。再來會使用真空輔助樹脂傳遞模塑(VARTM)將一體式電容器製作成一體式多功能儲能複合材料。但由於一體式超級電容碳纖維電極的材料特性,容易使環氧樹脂滲透,造成膠體電解質劣化並對電化學性能產生負面影響。為了解決這個問題,我們使用氟碳樹脂作為環氧樹脂的替代品來塗覆活性材料的邊緣。將膠體電解質倒在有活化後的電極上方並在外側塗上氟碳樹脂後形成改良後的一體式超級電容並進行後續步驟,最後再針對固化完成的一體式多功能儲能複合材料進行電化學檢測。而透過此種方式未來無論是風機、飛機等等,需要使用到樹脂封裝之複合材料製程皆可將一體式超級電容順便一併放入,形成一體式多功能儲能複合材料。這樣能夠在不失結構強度下擁有一定的儲能能力。上述之製造過程如圖三所描述。
 
圖三、一體多功能儲能複合材料製作流程
圖三、一體多功能儲能複合材料製作流程
 
其中,超級電容中所使用的電解液材料為:過氯酸鋰(LiClO4)、聚碳酸酯(PC)、碳酸乙烯酯(EC)、聚偏二氟乙烯(PVDF) 和 四氫呋喃(THF) ;根據前人研究的方法進行膠體電解質調配。其中PVDF佔膠體電解液重量濃度為 15 wt%,PC-EC以1:1 的比例進行混和且佔全部電解液的重量比為 38.5 wt%,LiClO4 為 8 wt%,THF 用量為12 克。製備膠體電解質步驟為將PC、EC、PVDF、LiClO4 和 THF 在充滿氬氣的手套箱中混合,用以防止樣品與電解質與任何蒸汽接觸。而後將混合物置於165°C的熱板上10分鐘並用磁力攪拌器攪拌,最後得到透明膠體電解質。最後使用此膠體電解質與活化後碳纖維電極在手套箱中進行一體式超級電容製作。
 
我們針對製作過程中的不同步驟完成品進行電化學性能測試,其中會用到恆流充放電法(GCD)及交流阻抗法(EIS)去進行測試,並利用測試結果去計算比電容值(單位重量能儲存的電容量)、庫倫效率(放電/充電 時間的比例)、能量密度(單位重量能儲存的能量)、功率密度(單位重量所含有的功率,可用於確定能量轉移率)。
 
測試部分會分為 ①.尚未進行任何封裝步驟的一體式超級電容 (UB);②.進行VARTM 製程後所形成的一體式多功能儲能複合材料(FC-EP),並使用 2 mA/g 之電流密度進行恆電流充放電實驗。電化學測試結果如表三所示。
 
表三展示了不同階段所測量的比電容值和庫侖效率。封裝前(UB),比電容值為 1,439 mF/g。通過 VARTM 進行環氧樹脂封裝後(FC-EP),比電容值下降到大約 952.3 mF/g,導致比電容值下將的原因為環氧樹脂滲入碳纖維接觸到膠體電解質,影響了膠體電解質表面官能基團,從而降低了比電容值。而庫倫效率從80 % 左右提升至95 %,原因為經過VARTM 製程後,能夠減少電極之間的距離,使得充放電效率變佳,最終使得庫論效率提升。封裝前的超級電容之能量密度為0.2 Wh/kg。經過VARTM 封裝之後,降至0.132 Wh/kg,整體減少了34 %,減少原因與比電容值下降原因相同。功率密度在VARTM封裝前後從133.7 W/kg 增加到304 W/kg。整體增加了大約227%。
 
電力同步性能測試
由於目標是針對多功能儲能結構複合材料進行研究,且此複合材料能夠同時承受機械載荷並存儲電能,因此,本研究進行了同步電化學和機械性能測試。為了研究不同加載循環下的電化學性能,進行了四點彎曲測試;由於四點彎曲可以均勻的分佈力矩,能精確地進行分析。此外,會將一體式多功能儲能複合材料製作成---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 

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