具多孔矽結構/石墨烯/RuO2複合電極之抗壓耐震型超級電容的開發

超級電容擁有快速充放電、功率密度高、元件壽命長等優點，可應用於行動通訊、車輛運輸、智慧電網等領域。然而，目前超級電容的製作技術中，許多是利用平面金屬電極，再加上碳海綿、碳氣凝膠或電紡絲碳纖維等3D多孔碳結構，意圖以增加碳活性材料之比表面積的方式，達到提高電容器功率密度之目的。但是，這些平面金屬加上3D多孔碳結構的電極，當元件受到大應力、高速撞擊與震動的作用下，這種平面金屬/多孔碳結構將產生嚴重的的脫層或塌陷而失效，使其無法應用於國防工業、航天太空、電動載具等抗壓耐震需求之超級電容上。因此，本計畫將以多孔矽(Porous silicon)作為電極結構，其表面成長碳膜做為鈍化膜並增加導電性，再將混拌石墨烯薄片、過渡金屬氧化物、高分子材料的電解液滲入多孔結構中並固化，以實現高抗壓耐震性超級電容之開發。整體的計畫執行要點與工作要項包括： 1. 開發多孔性結構電極：以電化學蝕刻技術完成2 cm x 2 cm之多孔矽/矽層複合結構作為耐壓性電極板。低阻值多孔矽結構本身具有良好的導電性，也具極大的比表面積，大幅增加與電解質接觸的面積，多孔矽厚度約170 μm、孔徑約2~3 μm，矽層厚度約80 μm。 2. 開發高效固態電解質：將以高分子材料為底材，混拌石墨烯，再摻雜過渡金屬氧化物(RuO2)等形成電解液，塗佈於多孔矽表面，並將試片放進真空腔體中，利用真空抽氣方式將高分子電解液滲入多孔矽結構中，然後固化即可完成固態電解質之製備。 3. 超級電容組裝與性能測試：將兩塊已滲有固態電解質的多孔矽電極板適當加壓組合，以聚二甲基矽氧烷(PDMS)封裝固定，即完成電容元件之製作。進行循環伏安法之電化學特性檢測，包括充放電循環壽命 (V-T)、比電容(Fg-1)、功率密度(Wkg-1)-能量密度(Wh kg-1)、震動性能差異測試等評估，比電容值可達到1.5 Fg-1以上、功率密度達207 Wkg-1-能量密度達0.115 Wh kg-1，可承受壓應力≧15 kPa，且在30 g以下的震動加速度作用下不會因脫層而失效。