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点“石”成金:石墨烯制程改良 助超级电容更有力

有听过超级电容吗?超级电容是介于电池和电容之间的一种设备。和普通的电池相比,超级电容存放的电要来的少,但是可以用更快的速度充电和放电;和普通的电容相比又可以储存更多的电力。在一般生活中,超级电容器的其中一个应用就是高雄轻轨捷运──为了不破坏市容的美观,高雄轻轨采用了无架空线的设计,也就是说列车不是直接从上方的电线取得电力,而是在车内设备了许多的超级电容。在列车进站时,可以利用车站内的设备快速充电,而在站与站之间则是靠着充饱的电力行驶。如果换成普通的电池的话,停站的时间这么短,可就不够把电力充饱了呢!

超级电容器的原理,是用两层以极小的间隔隔开的电极,泡在电解液中。这个间隔允许电离子穿过,但却不允许电子通过,所以当“充电”时,电离子会向阴极和阳极游动,同时产生电容效应,吸引电子集中在阴极。这时候电极的选择就非常地重要,因为这个电极要能有符合电容效应需求的性质,同时还要能尽量加大表面积,让它的表面能附着更多的电子,达成更大的电容量。

这就是石墨烯登场的地方了。石墨烯是碳原子的一种特别排列方式,由单层的碳原子排成由六角环所组成的蜂窝状平面结构。它有许多非常特别的物理特性,不仅电阻小(比铜、银都低)、透光率高,而且机械强度大,结构不容易损坏。它导电优良的特性以及多孔的结构,正好符合超级电容的需求,是发展超级电容技术的重要材料。

国防部中山科学研究院(中科院)化学所的防蚀化学组计划主持人王金鹏和其团队,目前就致力于稳定生产石墨烯的制程,为未来的应用铺路。首先,天然的石墨经强酸处理后,会形成氧化石墨,在石墨的结构平面上,产生环氧官能基。当这些环氧官能基曝露在高温环境下(约摄氏 1,100 度)时,会分解出二氧化碳,充斥在石墨层间,这些二氧化碳气体累积所产生的压力,就可以从石墨表面剥离出极薄的石墨层,做各种应用。

除了前面提到的超级电容外,石墨烯作为锂电池的负极,和透明的导电膜应用也成为研究的课题,虽然现阶段都还停留在应用方式与制备阶段,但在可预见的未来,它将成为各产业发展重要的推动力,因此中、日、韩等国都投入大量的资金,而台湾当然也不能落于人后,希望中科院的研究,能让台湾在未来石墨烯的世界里,也占有一席之地啰!

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