下世代能源材料-石墨烯.PDF

下世代能源材料 - 石墨烯 撰文　劉偉仁、郭信良 石墨烯由於其優異的特性，目前在電晶體、透明電極、觸控面板、複合材料、 儲能材料、感測器等被廣泛地應用。為了開發下世代高能量密度的能源材料， 比表面積高達 2600 m2/g 的石墨烯更被證實在超級電容器、鋰離子二次電池、 燃料電池、太陽能電池等能源材料極具應用潛力，本文將對石墨烯在儲能材料 應用進行一系列的介紹。 石墨烯由於具有超比表面積與高導電度 ，近幾年 來以廣泛應用在許多的儲能材料系統 ，例如超級電 容器 、燃料電池 、染料敏化太陽能電池與鋰離子電 池 。本文將對石墨烯在儲能材料應用之必威体育精装版發展趨 勢做一介紹 。 超級電容器 超級電容器(supercapacitors) 又稱為電化學電容器 (electrochemical capacitors) 或超電容器(ultracapaci- 圖一 一般常見的超級電容器材料與比電容量之整理。1 tors) ，為一適於高功率充放電且具有高循環壽命( 超 capacitor) 兩大類 ，前者是藉由陰陽離子吸附在電 過10 萬次) 的儲能元件 ，常與具高能量密度的電池 極表面形成電雙層以貢獻電容 ，其整體儲能特性正 搭配使用 。 比於活性物質的表面積 ，泛用之活性材為具高比表 雖然超級電容器的能量密度遠高於傳統陶瓷電容 面積之碳材 ；而後者的電容特性則由材料的可逆氧 與電解電容 ，但其整體儲能特性仍低於電池與燃料 化還原反應達到儲能效果 ，材料以金屬氧化物( 如 電池 ，目前一般商用超級電容器的能量密度約為 10 RuO 、MnO ) 以及導電高分子等為主 ，單位面積的 2 2 Wh/kg ，僅約鋰電池(~ 150 Wh/kg) 的1/ 10 。 比電容甚至可達 100 µF/cm2 ，圖一為不同超級電容 電容器依其能量儲存機制可分為電雙層電容器 1 器材料比電容量(F/g) 比較圖 。目前超級電容器材 (electrical double-layers capacitors) 與偽電容器(pseudo 料的選擇基於價格與特性的考量上仍以碳系材料為 表一 不同碳材的基本物性與電容器應用特性 1 主 ，主要包含碳 黑 、活性碳 、中孔 洞多孔性碳材等 ， 表一表列不同碳材 在基礎物性與對應 之電容器應用特性 比較 。而在石墨烯 178 雙月刊 33卷2期 下世代能源材料 - 石墨烯 物理專文 5-