導電奈米纖維複合碳黑/石墨烯應用於具三維電極之鋁離子電池研製

開發具有高能量密度、長循環壽命、低成本且高安全性的新型儲能裝置，已是現今研究重點之一。其中，鋁離子電池具有低成本、安全性高，低污染等優勢，並在性能方面有望超越鋰離子電池的工作電壓(3 V)及其循環壽命(< 1000次)，成為下世代新型電池。然而，目前鋁離子電池仍有一些瓶頸存在，如電容量大約僅落在80-150 mA h g-1，壽命則僅約1000次左右。因此，本研究將致力於改進上述的缺點以提升鋁離子電池性能。本計畫將使用碳-微機電製程並結合微奈米碳材，開發特殊的三維陰極結構。以SU-8厚膜光阻作為材料基底，使用黃光微影技術製作圓柱陣列，並以靜電紡絲技術製備奈米纖維。再高溫碳化形成碳圓柱陣列及碳奈米纖維，並結合高導電性、高比表面積的石墨烯/碳黑及碳圓柱陣列的立體結構，使氯鋁酸根離子(AlCl4−)能快速的嵌入嵌出，以提高電池的充電速度、循環壽命、放電電壓。預期電容量可達200 mA h g-1、2000次壽命及3.5 V以上之放電電壓，可超越市售鋰離子電池性能。整體計畫的執行要點與工作要項包括： 1.碳圓柱陣列之三維陰極結構製備：利用SU-8厚膜光阻其優異的材料性質，以黃光微影的方式在鉬箔上形成圓柱陣列，再高溫碳化成直徑30 -50 um、深寬比5、間距80-100 um的導電碳圓柱陣列三維結構。 2.碳奈米纖維/石墨烯/碳黑之複合漿料製備：以靜電紡絲技術製備SU-8奈米纖維，並同樣高溫碳化形成導電碳奈米纖維，再將其以均質機進行強力破碎與細小化，並摻入石墨烯與碳黑等材料，配製成複合漿料，最後滴塗於圓柱結構電極板中，以提升整體比表面積及導電性。 3.鋁離子電池之陰陽極封裝：本研究以 [EMIM]Cl與AlCl3之混合溶液作為鋁電池的電解液，由於電解液不可有水氣滲入，因此全程須在氬氣氛保護之手套箱中作業。使用鋁箔做為陽極，三維圓柱陣列結構做為陰極，兩極中間夾一層隔離膜防止短路並封裝於鋁箔袋中。最後以熱封機密封即可完成。 4.鋁離子電池性能評估：將使用恆電位儀，進行循環伏安、定電流充放電、能量密度、循環壽命之電化學量測，預期電容量將達200 mA h g-1及2000次以上之壽命，達成超越市售鋰離子電池的性能。 5.電池的實務應用與效能評估：本計畫完成的鋁離子電池，將進行一些實務應用的評估。例如，對電池進行充電，並將其與多顆LED (> 50顆)相連，計算點燈時間。