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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

305期2017年03月號

出版日期:2017/03/15

正方形 Icon 創新之鑰Innovations

十年磨一劍 研發石墨烯超級電容器

整理/陳玉鳳 攝影/李庭歡 圖片提供/楊文財

現有鋰電池的壽命有限,這給了超級電容器逆勢崛起的絕大機會;其中,石墨烯對於超級電容器能量密度提昇的助益,更給了超級電容器有朝一日取代鋰電池的無限希望。臺灣的佳榮能源科技借助工研院的石墨烯研發能量,積極布局超級電容器市場。

電動車裡的純電池整體性能與續航力,深受電池的化學特性、使用方式及壽命的影響,例如,鋰電池充放電速度過慢的特性,就足以讓消費大眾卻步,畢竟誰希望在急著用車時,還得耐心等待汽車充飽電呢?

美國政府於2016 年7月提出,未來的電動車需在10分鐘內充電完成的目標;針對此訴求,超級電容器充放電快速的特性也就相當值得稱頌,更不用說超級電容器所具有的效率高、循環壽命長、高電壓、耐高溫、耐高壓且安全性高等特性,足以解決電動車為人所詬病的種種缺點。

超級電容器是一種介於靜電電容器和充電電池之間的儲能裝置,它的基本原理和其他種類的雙電層電容器一樣,都是利用活性碳多孔電極和電解質組成的雙電層結構獲得大容量,它具有比靜電電容器更高的能量密度,以及比電池更大的功率密度。基於超級電容器的各種優勢,市場研究機構IDTechEx甚至大膽預估,超級電容器的全球市場產值將在2024年達到65億美元。

提高能量密度 超級電容器的當務之急

在儲能領域長期耕耘的佳榮能源科技總經理黃泳勝指出,「目前超級電容器多是作為鋰電池的輔助應用,不過,如果能進一步提高超級電容器的能量密度,超級電容器就可能全面取代鋰電池。」佳榮能源科技為能源儲存元件製造商,成立於2003年,該公司已開發完成的元件包括氮化鋁(A1N)薄膜散熱基板、超級電容器、奈米電極板等,針對新世代環保電動車輛的需求,並積極投入新一代固態超級電容器的開發。

關於超級電容器於電動車輛上的應用,高雄輕軌捷運是最佳範例。黃泳勝指出,超級電容器的功率可以瞬間拉高、充放電快速,加上充放電次數高達數萬次,所以非常適合用於每站間隔不長的大眾運輸交通工具。

高雄捷運環狀輕軌列車為動力分散式的電聯車,採用超級電容器電池供給動力的方式推進,在這種「無架空線系統」中,列車的電力是來自於進站停靠時利用車站上方設置的「剛性架空線」進行充電。這是亞洲首個採用「電聯車無架空線系統」的捷運電聯車。在上述的應用中,超級電容器的快速充放電特性是最關鍵的,據了解,機電大廠ABB甚至已經開發出可在15秒內閃充的超級電容器。

加入石墨烯材料 突破瓶頸

超級電容器非常適合用於每站間隔不長的大眾運輸交通工具,例如高雄捷運環狀輕軌列車是分散式的電聯車,採用超級電容器電池供給動力的方式推進。
超級電容器非常適合用於每站間隔不長的大眾運輸交通工具,例如高雄捷運環狀輕軌列車是分散式的電聯車,採用超級電容器電池供給動力的方式推進。

超級電容器因為快速的充放電性能備受矚目,然而目前的超級電容器仍因為儲存的能量密度不及鋰離子電池,因此超級電容器的應用受到重重限制,全球超級電容器廠商紛紛急於提升超級電容器的儲存能量密度,而其中最受寄望的方式,就是將石墨烯(graphene)應用於超級電容器。據了解,相較於活性碳超級電容器,石墨烯/活性碳複合電極超級電容器的能量更大,壽命更長。

「為了要提高超級電容器的能量密度,我們其實和許多石墨烯業者討論過,但是結果都不太理想,直到我們透過台電綜合研究所的介紹,認識了工研院機械與機電系統研究所的黃昆平經理,才讓超級電容器的開發真正走向新的進度。」黃泳勝說。

黃泳勝進一步表示,石墨烯這種新材料的開發並非一蹴可幾,需要有人才及相關資源的持續投入,這並非佳榮能源科技所能長期負擔,「我們很高興能和工研院合作,經過五年多的努力,現在似乎已經看到了曙光。」

一直對超級電容器懷抱期待的黃泳勝,過去這些年洽談合作過的廠商、研發單位不計其數,黃泳勝觀察,投入石墨烯生產的廠家雖多,但其中技術的優劣差距也非常大;工研院機械所黃昆平說明,「目前一般獲取石墨烯的方式,是將石墨透過強酸拆解、再氧化等過程得到,但工研院是直接將氣體分子合成為石墨烯,不僅能得到更純的石墨烯粉末,因為缺少雜質影響,石墨烯的物理特性可以發揮得更好。」

曾經是國內半導體大廠的主任工程師,擁有交大材料科學與工程學博士光環的黃昆平,選擇在2008年加入工研院,致力於石墨烯的研發。回想當初之所以選擇工研院,黃昆平說:「一開始我在工研院主要是研發太陽能設備及製程,只是沒想到,太陽能產業景氣在隔年瞬間急凍,讓我不得不重新思考研究方向,那時候就覺得石墨烯的優異特性非常值得投入研發,而出乎意料的是,英國曼徹斯特大學石墨烯物理學家蓋姆(Andre Geim)與諾伏西羅夫(Konstantin Novoselov)在2010年獲得諾貝爾獎,這使得石墨烯聲勢看漲。」

從2010年投入至今,黃昆平及其領導的團隊始終專注於石墨烯的研究,除了持續在石墨烯儲能領域進行開發外,亦將準備投入石墨烯生醫領域的研究開發。

靈光一閃 用創新技術讓石墨烯「直接生長」

「在合作開發石墨烯超級電容器的過程中,我們一度出現石墨烯粉末效果不佳的問題,」黃泳勝娓娓道來與工研院合作的起伏,「經過各種製造程序後,石墨特性會消失,與活性碳並無不同,所以我就異想天開,提出將IBM的『奈米碳管』技術用於石墨烯生長方法。」

根據IBM科學家的研究,此技術是採用化學「誘騙」的方法讓奈米碳管自行組裝成所需結構,此一過程更像是晶體的生長過程,而由單層原子構成的石墨烯則像是攤平的奈米碳管,將其捲成筒狀就是奈米碳管,因此黃泳勝認為或可走出一條有別於其他石墨烯粉末業者的路。

黃昆平興奮地表示,「當時乍聽黃總經理提出的構想,腦中的確閃過一絲懷疑,但工研院團隊非常喜歡挑戰新事物,於是就大膽放手一試。經過無數個日子的努力,竟然真的讓我們做出了領先世界的成果!」黃昆平領導團隊成功開發出高工作電壓石墨烯超級電容器,可達到模組工作電壓四伏特、能量密度16 Wh/kg以及功率密度2k W/kg,此技術已申請專利,實驗結果同時發表於國際期刊 Nano Letters(IF:13.779),研發成果極具應用潛力。

不同於一般的石墨烯粉末,工研院研發的奈米石墨烯壁(Graphene Nanowall)可直接成長於金屬片的電極上,相較於傳統儲能元件的製作方法,就可省略混漿分散、漿料塗佈、極片烘烤以及極片碾壓這四個步驟。

「這是非常創新的儲能電極製作方法,可以有效提高超級電容器的能量密度度,」黃昆平進一步說明此技術原理,「我們透過電漿技術直接成長電極,不需使用黏著劑,且導電性良好,也不用額外添加不具電容性的助導劑,這使得活性物質總量可以增加,單元儲能量得以提升。」就目前的研發果來看,在工作電壓為四伏特時,工研院的石墨烯超級電容器的能源密度可達到16 Wh/kg。

發展此技術還須具備一項關鍵設備─微波電漿火炬機台,也是由黃昆平團隊自行研發,「工研院擁有相當優秀的設備人才,可以自行設計設備,這對降低設備成本有很大幫助,且自行開發設備也有助於建立競爭門檻。」工研院自行設計製作的石墨烯相關設備,已與清大及台科大合作,有助於石墨烯相關技術能量的擴散。

工作電壓達到四伏特 超級電容器應用範圍擴大

值得一提的是,由於工研院所研發的石墨烯電極材料沒有官能基及不純物,因此不易與電解液起反應,如此可有較高的工作電壓。黃昆平強調,「我們將工作電壓提高至四伏特,這是非常重要的進展,因為工作電壓與鋰離子電池相同,能與鋰離子電池直接並聯,整合成高功率儲能元件,這樣的儲能元件就能同時兼具高功率、高儲能密度等優點。」例如應用在電動腳踏車、穿戴裝置等。未來可應用於電車、電動汽車、太陽能板及風力發電等相關產品。

持續合作 鎖定下世代儲能元件市場

佳榮能源科技借助工研院的石墨烯研發能量,積極布局超級電容器市場。
佳榮能源科技借助工研院的石墨烯研發能量,積極布局超級電容器市場。

「我們的下一個挑戰是要將石墨烯面積由5cm x 5cm增加至10cm x 10cm,進一步提高此技術的商業價值。」要達到這個目標,黃昆平團隊必須採用不同以往的方式,「以前的石墨烯是水平生長,接下來得垂直生長,我們得開發新的設備。」

佳榮能源科技與工研院的長期合作,奠基於雙方都了解新材料的研發,原本是一條寂寞又漫長的路。同樣擁有技術研究開發背景,黃泳勝很能了解黃昆平付出的心血之多,「我很感謝黃博士在聽到我的構想時,沒有一口回絕,他總是願意試看看,而且也真的做出了不錯的成果,讓我們的超級電容器產品可以取得競爭優勢。」同樣的,黃昆平也認為,「黃總經理總是能提出一些新想法,讓我們有機會突破瓶頸,我們之間的相輔相成,造就了今天的創新成果。」

工研院與佳榮能源科技將持續投入石墨烯超級電容器的合作,透過高品質石墨烯成長設備、同步成長與異質元素摻雜的技術,讓臺灣能以石墨烯超級電容器,在下世代高功率儲能元件產業中,奪得一席之地。

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