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碳之煉金術師:升級石墨烯電池的陽極效能!

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

  • 採訪編輯|林婷嫻、美術編輯|林洵安

石墨烯的合成

無論是風力、火力、太陽能發電,產生電力後,需要儲存電力的系統,其中一種選擇是「石墨烯電池」,也就是以石墨烯為電極的鋰電池的顏宏儒實驗室,將碳原子精準地合成為石墨烯,並應用於鋰電池陽極,有助提升儲電效能。

承載希望的石墨烯

生活中最常看到的「石墨」,是鉛筆的筆芯,這一小塊石墨,是由許多層「石墨烯」堆疊而成。

你可能不認識石墨烯 (Graphene),但石墨烯可能會改變你未來的生活。這個人造的奈米材料具備許多超能力:極薄、透光度極高、高導熱率、高導電率,倍受人們期待。其中一個期待,是打造可用於儲能的石墨烯電池。

石墨烯,是由碳原子(圖中圓點)以六角形組成的一片薄膜,薄膜的厚度只有一個碳原子高。
示意圖來源│iStock

石墨烯之所以具備「高導電率」,簡單來說,是源於碳原子的六角形結構。這結構使得碳原子穩固地牽著彼此,電子就能在一個個碳原子之間暢行無阻。因此,石墨烯相當適合用來作為鋰電池的陽極,導電效果更勝於傳統的石墨陽極。

石墨烯的鍊成陣

雖然石墨烯和鑽石一樣,都是由碳原子組成,但石墨烯無法透過開採岩層而獲得,只能藉由科學家在實驗室裡合成。換句話說,科學家就像是「碳之鍊金術師」,透過特殊的「鍊成陣」,合成出原本只存在於假設理論的石墨烯結構。

當然,這裡所指的鍊成陣,並非合掌一拍、再往地上一擊,就能變出神奇的東西。而是科學家夜不成眠地,操作一次又一次的化學實驗,失敗了,再重頭來過。

世界上,其中一位能精準合成石墨烯結構的鍊金術師,就是中研院化學所的顏宏儒助研究員。身後的置物架,就是由多個六角形苯環建構而成的石墨烯結構。
攝影│林洵安

顏宏儒比喻,目前石墨烯常見的製備方法,是像小時候我們用美工刀切橡皮擦,把一大塊橡皮擦,切成一小塊,再細切成一層層,如下圖所示。但這樣「由大到小」剝離的石墨烯,所含的碳原子數量不精準,導致難以掌控後續應用於電子元件的效能。

常見的石墨烯製程。
圖說設計│林婷嫻、林洵安

為了精準地合成石墨烯,顏宏儒與實驗室成員逆向操作,透過「由小到大」(bottom-up) 的合成方式,將一個六角型的苯環 (C6H6) ,接上另一個六角型的苯環 (C6H6) ,逐步累加、直到所需的碳原子總額,如下圖所示。

顏宏儒實驗室的石墨烯合成方法。
圖說設計│林婷嫻、林洵安

更好的石墨烯電池

戀人之間,若要讓愛持續流動,需要保持剛剛好的距離,鋰電池的原理也是。

石墨烯電池的儲電、供電原理,與陽極上的石墨烯結構。
資料來源│顏宏儒 圖說設計│林婷嫻、林洵安

鋰電池之所以可儲電、供電,是因為電極有剛剛好的空間,讓鋰離子跑來跑去、傳遞電流。若電極的空間太小,鋰離子進不去;若空間太大,對於鋰離子的吸引力又太小。鋰離子跑來跑去的方式,影響著電池的儲能表現。

顏宏儒說明:「我們會先透過理論計算,找出最適合鋰離子跑來跑去的空間,然後在單片石墨烯接上不同大小的原子,調控兩片石墨烯之間的距離,並裝在鋰電池的陽極。」

看元素周期表,就能知道不同原子的大小,並依據理論計算,在單片石墨烯接上指定大小的原子,例如氮原子、氧原子。
資料來源│顏宏儒 圖說設計│林婷嫻、林洵安

精準地合成出石墨烯薄層,再精準地接上所需的原子大小,這種方式大幅提升了石墨烯電池的陽極表現。顏宏儒團隊經過實驗測試(註一),這種石墨烯陽極經過數百次充電與放電循環,呈現很好的耐久性,並且儲電容量是傳統石墨陽極的三倍。

不過,將實驗結果投入業界生產線,並非實驗室現階段的目的。顏宏儒說明:「我們提供了這樣的資訊,證明石墨烯陽極可以達到很好的導電與儲電效果,但坦白說,製備過程需要非常多時間和人力,也需要相對應的陰極來配合供電。」

正在進行有機合成的實驗室成員。
攝影│林洵安

顏宏儒舉例,實驗室花了 12 個月才合成出想要的單片石墨烯結構,多一個或少一個碳原子都不行。而合成出這片結構後,還要經過許多實驗測試、調校等等。

「真的很需要耐心!」顏宏儒擦汗說,這種精準合成石墨烯的方式,不是很容易,可是很有趣、也有挑戰性,對於未來儲能發展也有幫助,「所以我們會繼續往這方向堅持下去。」

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本文轉載自中央研究院研之有物,原文為碳之煉金術師:升級石墨烯電池的陽極效能!,泛科學為宣傳推廣執行單位


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關於作者

研之有物│中央研究院

研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook

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