TWI749511B - 石墨烯電極之製程方法及其製作裝置 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種石墨烯電極之製程方法及其製作裝置，其方法包括(1)：取液態之聚醯亞胺以超音波噴霧方式將其滲入一具有多個孔隙的多孔隙基材，如此形成一多孔隙塗層基材；(2)：該多孔隙塗層基材於一隧道窯內移動，複數個二氧化碳雷射照射器以二氧化碳雷射持續照射經過該隧道窯之多孔隙塗層基材，使該多孔隙塗層基材形成一多孔石墨烯基材；(3)：將該多孔石墨烯基材進行鋰化程序，使該多孔石墨烯基材形成一鋰化石墨烯電極；藉此，能提供一種新的石墨烯電極之製程方法，且其鋰化石墨烯電極可作一鋰離子電池之負電極，或是一超級電容鋰電池之負電極，其多孔石墨烯基材可作一超級電容器的一電極板。
Description
本發明係有關於一種石墨烯電極之製程方法及其製作裝置，尤指一種利用超音波噴霧、結合多孔隙基材、二氧化碳雷射器照射而能生產石墨烯電極之製程方法及其製作裝置。
石墨是由多層石墨烯構成的結晶構造，而石墨烯(graphene)是一種單層的石墨結構，每個碳原子之間以sp2結晶結構與相鄰的三個碳原子形成鍵結，並延伸成蜂窩狀六角形的二維結構，目前石墨烯已被廣為應用於半導體、觸控面板或太陽能電池等領域中，且更預期廣泛應用於光電、綠能發電、環境生醫感測、複合性功能材料等諸多產業領域之發展。
另一方面，目前之電動汽車、智慧型手機都需要具更高容量、更快速充電之電池，需要業界尋求解決方案。緣此，本發明人有鑒於此，即著手研發構思其解決方案，希望能開發出一種石墨烯電極之製程及其製作裝置，以促進此業之發展，遂經多時之構思而有本發明之產生。
本發明之目的係在提供一種石墨烯電極之製程方法及其製作裝置，可達到石墨烯電極製造生產之極佳經濟效益性者，且其鋰化石墨烯電極可作一鋰離子電池之負電極；其多孔石墨烯基材可作一超級電容器的一電極板；其鋰化石墨烯電極可作一超級電容鋰電池之負電極。
本發明為了達成上述目的，其所採用之技術方法包括有：步驟1：取液態之聚醯亞胺，以超音波噴霧方式將該液態之聚醯亞胺形成霧狀粒子後滲入一具有多個孔隙的多孔隙基材，使該多孔隙基材在該等孔隙的
週邊附上一聚醯亞胺層，如此形成一多孔隙塗層基材；
步驟2：該多孔隙塗層基材藉由一輸送帶於一隧道窯內移動，該隧道窯之內部設有複數個二氧化碳雷射照射器，該等複數個二氧化碳雷射照射器並以二氧化碳雷射持續照射經過該隧道窯之多孔隙塗層基材，使該多孔隙塗層基材之聚醯亞胺層形成一高純度多孔石墨烯層，如此形成一多孔石墨烯基材。
前述方法，更可在該步驟2後進行一步驟3：將該多孔石墨烯基材進行鋰化程序，使該多孔石墨烯基材形成一鋰化石墨烯電極。
前述方法其中之取液態之聚醯亞胺以超音波噴霧方式形成霧狀粒子後滲入一具有多個孔隙的多孔隙基材，係以至少一個或複數個超音波噴霧器將液態聚醯亞胺之霧狀粒子滲入一多孔隙基材，該至少一個或複數個超音波噴霧器係設於該隧道窯之內部側面、內部上方或內部下方。
前述方法其中該多孔隙基材為捲式基材並有一第1表面與一第2表面，該多孔隙基材設置於一第1轉軸上，該多孔隙基材以第1表面向上露出，由該輸送帶輸送進該隧道窯內移動，使該多孔隙基材之第1表面接受該複數個超音波噴霧器將液態聚醯亞胺之霧狀粒子噴霧滲入該多孔隙基材，然後於該隧道窯內接受該複數個二氧化碳雷射照射器以其二氧化碳雷射持續照射，使該多孔隙塗層基材之聚醯亞胺層形成高純度多孔石墨烯層，然後成捲置於一第2轉軸上；
接續，移動該第2轉軸，令捲置於該第2轉軸之該多孔隙基材，通過一轉向惰輪，使該多孔隙基材以第2表面向上露出，並由該輸送帶輸送進該隧道窯內移動，使該多孔隙基材之第2表面接受該複數個超音波噴霧器將液態聚醯亞胺之霧狀粒子噴霧滲入該多孔隙基材，然後於該隧道窯內接受該複數個二氧化碳雷射照射器以其二氧化碳雷射持續照射，使該多孔隙塗層基材之聚醯亞胺層形成高純度多孔石墨烯層，然後成捲置於一第3轉軸上，如此形成一多孔石墨烯基材。
前述方法，其中該液態之聚醯亞胺係為液化之Katpon®。
前述方法，其中該多孔隙基材係選自以下其中之一：多孔隙碳材基材、多孔隙石墨、多孔隙金屬基材。
前述方法，更可在該步驟2之形成鋰化石墨烯電極後，將多個鋰化石墨烯電極推疊為一多層鋰化石墨烯電極。
前述方法，其中該多孔石墨烯基材係作為一超級電容器的電極板。
前述方法，其中該鋰化石墨烯電極係作為一鋰離子電池之負電極。
前述方法，其中該鋰化石墨烯電極係作為一超級電容鋰電池之負電極。
本發明之技術手段包括有：一隧道窯，其內係設有一輸送帶；複數個超音波噴霧器，係設於該隧道窯內；複數個二氧化碳雷射照射器，係設於該隧道窯內；前述構成，該超音波噴霧器用以設置液態聚醯亞胺，並將該液態聚醯亞胺形成霧狀粒子後噴出，而該二氧化碳雷射照射器係用以提供二氧化碳雷射之持續照射。
茲為使 貴審查委員對本發明之技術、方法特徵及所達成之功效更有進一步之了解與認識，謹佐以較佳之實施例圖及配合詳細之說明，說明如後：
11:聚醯亞胺
12:超音波噴霧器
20:多孔隙基材
201:步驟1
202:步驟2
203:步驟3
205:孔隙
207:第1表面
208:第2表面
21:聚醯亞胺層
22:多孔隙塗層基材
28:輸送帶
29:轉向惰輪
30:隧道窯
302:第1轉軸
304:第2轉軸
306:第3轉軸
32:二氧化碳雷射照射器
34:多孔石墨烯層
36:多孔石墨烯基材
38:鋰化石墨烯電極
39:多層鋰化石墨烯電極
40:超級電容器
42:電極板
46:第2電極板
50:鋰離子電池
52:負電極
54:隔膜
56:正電極
第1圖為本發明之製程方法流程示意圖。
第2圖為本發明以超音波噴霧方式將液態之聚醯亞胺滲入一多孔隙基材上之示意圖。
第2-1圖為本發明之多孔隙基材之局部放大圖。
第3圖為本發明之多孔隙塗層基材之示意圖。
第3-1圖為本發明之多孔隙塗層基材之局部放大圖。
第4圖為本發明之以二氧化碳雷射照射多孔隙塗層基材之一
實施例示意圖。
第5圖為本發明之多孔石墨烯基材之示意圖。
第5-1圖為本發明之多孔石墨烯基材之局部放大圖。
第6圖為本發明在隧道窯內以超音波噴霧方式將液態之聚醯亞胺滲入一多孔隙基材與二氧化碳雷射照射之示意圖。
第7-1圖為本發明在隧道窯內對一捲式多孔隙基材之第1表面進行超音波噴霧與二氧化碳雷射照射示意圖。
第7-2圖為本發明在隧道窯內對一捲式多孔隙基材之第2表面進行超音波噴霧與二氧化碳雷射照射示意圖。
第8圖為本發明之多層鋰化石墨烯電極之剖面圖。
第9圖為本發明之超級電容器之示意圖。
第10圖為本發明之鋰離子電池之示意圖。
請參閱第1-10)圖，為本發明石墨烯電極之製程方法及其製作裝置之較佳實施例，該些圖式均為用以便利說明之示意圖，其僅以示意方式說明本發明之基本結構，且所顯示之構成繪製並未限定相同於實際實施時之形狀及尺寸比例，其實際實施時之形狀及尺寸比例乃為一種選擇性之設計。
如第1圖所示，本發明係提供一種石墨烯電極之製程方法，其製程方法(包括製作裝置)包括：
步驟1(201)：如第2圖所示，取液態之聚醯亞胺11(Polyimide，簡稱PI)，以超音波噴霧方式將該液態之聚醯亞胺11形成霧狀粒子後滲入一具有多個孔隙205的多孔隙基材20上，使該多孔隙基材20在被該等孔隙205的週邊附上一聚醯亞胺層21，如此形成一多孔隙塗層基材22，該多孔隙塗層基材22之示意圖如第3圖所示；
前述該液態之聚醯亞胺11之以超音波噴霧方式運作實施，係
可將液態之聚醯亞胺11輸入一超音波噴霧器12，該超音波噴霧器12利用壓電水晶體震盪器(壓電振盪器/振盪子)，產生高頻率震波(超音波)作用於液態之聚醯亞胺11，用以將液態之聚醯亞胺11震成極小的霧狀粒子，並可利用超音波噴霧器12之噴嘴造形、風流或壓力差等方式使其能持續穩定噴出聚醯亞胺11之霧狀粒子，進而使該多孔隙基材20之該等孔隙205的週邊附上形成該聚醯亞胺層21。
如第2-1圖，其為該多孔隙基材20之局部放大圖，顯示該多孔隙基材20內有無數個孔隙205；
步驟2(202)：如第4圖所示，該多孔隙塗層基材22藉由一輸送帶28於一隧道窯30內移動，該隧道窯30之內部(包括內部側面、內部上方或內部下方)設有複數個二氧化碳雷射照射器32，該等複數個二氧化碳雷射照射器32並以二氧化碳雷射持續照射經過該隧道窯30之多孔隙塗層基材22，使該多孔隙塗層基材22之聚醯亞胺層21形成一高純度多孔石墨烯層34，如此使該多孔隙塗層基材22形成一多孔石墨烯基材36，該多孔石墨烯基材36如第5圖所示。如第5-1圖，其為該多孔石墨烯基材之局部放大圖，顯示該多孔石墨烯基材內有無數個孔隙205，且在該等孔隙205的週邊附有一高純度多孔石墨烯層34。
選擇性的，本製程方法還包括一步驟3(203)：將該多孔石墨烯基材36進行鋰化程序，使該多孔石墨烯基材36形成一鋰化石墨烯電極38(lithiated graphene electrode)。
藉此，能提供一種新的石墨烯電極之製程方法，並能達到極佳之生產經濟效益性。
其中，該步驟1(201)之液態之聚醯亞胺11係為液化之Katpon®，Katpon®是美國杜邦公司生產的聚醯亞胺(PI)薄膜材料的商品名稱，市面上即可購得，可藉應用此產品快速與低成本的取得聚醯亞胺。
其中，該步驟1(201)之多孔隙基材20可選自以下其中之一：多孔隙碳材基材、多孔隙石墨、多孔隙金屬基材，但不以此為限；該多孔
隙基材20之孔隙205，可增加整個基材表面積。
其中，該步驟1(201)之取液態之聚醯亞胺11以超音波噴霧方式噴出聚醯亞胺11之霧狀粒子後滲入一多孔隙基材20上，如第2圖所示，係以一個或複數個超音波噴霧器12將液態之聚醯亞胺11之霧狀粒子滲入一多孔隙基材20上；選擇性的，如第6圖所示，至少一個或複數個超音波噴霧器12係設於該隧道窯30之內部(包括內部側面、內部上方或內部下方)，當該等多孔隙基材20於該輸送帶28上移動時，該等多個超音波噴霧器12係從各角度對該等多孔隙基材20充份噴塗液態之聚醯亞胺11霧化後之霧狀粒子，使該等多孔隙基材20在該等孔隙205的週邊附有一聚醯亞胺層21，形成一多孔隙塗層基材22。如第3-1圖，其為該多孔隙塗層基材22之局部放大圖，顯示該多孔隙塗層基材22內有無數個孔隙205，且在該等孔隙205的週邊附有一聚醯亞胺層21。
在另一實施例中，如第7-1圖所示，該多孔隙基材20為捲式基材並有一第1表面207與一第2表面208，該多孔隙基材20設置於一第1轉軸302上，該多孔隙基材20以第1表面207向上露出，由該輸送帶輸28送進該隧道窯30內移動，使該多孔隙基材20之第1表面207接受該複數個超音波噴霧器12將液態之聚醯亞胺11之霧狀粒子噴霧滲入該多孔隙基材20，然後於該隧道窯30內接受複數個二氧化碳雷射照射器32以其二氧化碳雷射持續照射，使該多孔隙塗層基材22之聚醯亞胺層21形成一高純度多孔石墨烯層34，然後成捲置於一第2轉軸304上；
如第7-2圖所示，接續，移動該第2轉軸304，令捲置於該第2轉軸304之該多孔隙基材20，通過一轉向惰輪29，使該多孔隙基材20以第2表面208向上露出，由該輸送帶28送進該隧道窯30內移動，使該多孔隙基材20之第2表面208接受該複數個超音波噴霧器12將液態之聚醯亞胺11之霧狀粒子噴霧滲入該多孔隙基材20，然後於該隧道窯30內接受複數個二氧化碳雷射照射器32以其二氧化碳雷射持續照射，使該多孔隙塗層基材22之聚醯亞胺層21形成一高純度多孔石墨烯層34，然後成捲置於一第3轉軸306上，如此形
成一多孔石墨烯基材36。
上述步驟2(202)之該等複數個二氧化碳雷射照射器32並以二氧化碳雷射持續照射經過該隧道窯30之多孔隙塗層基材22，使該多孔隙塗層基材22之聚醯亞胺層21形成高純度多孔石墨烯層34，係因為：該聚醯亞胺層21被二氧化碳雷射照射而吸收能量，使該聚醯亞胺11之原子晶格產生振動，打破其分子中之C=O與N-C鍵，使其原子重新排列芳香族化合物(Aromatic compounds)以形成多孔石墨烯層34；因為聚醯亞胺11包含芳香族與醯亞胺(aromatic and imide)，因此聚醯亞胺11最終可以形成多孔石墨烯層34。
其中，該步驟3(203)之將該等多孔石墨烯基材36進行鋰化程序，使該等多孔石墨烯基材36形成多個鋰化石墨烯電極38，其鋰化是指將鋰離子嵌入該多孔石墨烯基材36之石墨烯層與層的間隙內，方便當其為負極時，放電時鋰離子脫插，充電時鋰離子插入之反應，其鋰化的方式並不限定，現有的鋰化方式都可適用。
此外，如第8圖所示，更可在該步驟3(203)之形成鋰化石墨烯電極38後，將多個鋰化石墨烯電極38推疊為一多層鋰化石墨烯電極39。
鋰化石墨烯電極38，具有多個優點，例如：其超薄的厚度能加快鋰離子在正負極之間的往返速度；再者其具有足夠的間隙、孔隙除了能提升充放電速率外，亦能提供電極在充放電時體積伸縮變化的緩衝空間，避免電極損壞。
如第9圖所示，在一實施例中，在該步驟2(202)之形成多孔石墨烯基材36後，該多孔石墨烯基材36可作一超級電容器40的一電極板42；根據平行板電容量公式：
C=ε A/D，
其中C為電容量，A為平行板的面積，D為平行板間的距離，ε為平行板間介質的電容率，
因為該多孔石墨烯基材36其間隙與孔隙較一般電極更多，因此表面積更大，由以上公式可知，表面積越大電容量越大，因此使其作為
超級電容器40的電極板42其電容量更大。
再者，該超級電容器40的另一第2電極板46，亦可由一多孔石墨烯基材36作為該第2電極板46，其表面積亦大，亦可使該超級電容器40的電容量更大。
如第10圖所示，在一實施例中，在該步驟3(203)之形成鋰化石墨烯電極38後，該鋰化石墨烯電極38可作一鋰離子電池50之負電極52；因為該鋰化石墨烯電極38具有多個石墨烯層與層的間隙，能讓更多鋰離子嵌入其間隙，使其作為鋰離子電池50的負電極52其蓄電量更大。第10圖之鋰離子電池50是以聚合物鋰離子電池為例說明，聚合物鋰離子電池亦屬於一般鋰離子電池50，只是聚合物鋰離子電池之電解質為固體電解質。一般鋰離子電池50主要由正電極56、負電極52、隔膜54(separator)等組成。而聚合物鋰離子電池亦由正電極56、負電極52、隔膜54(separator)等組成，而其隔膜54是由固體電解質兼顧的。
進一步說明，前述之將多個鋰化石墨烯電極38推疊為一多層鋰化石墨烯電極39後，該多層鋰化石墨烯電極39較單層鋰化石墨烯電極38，其石墨烯層與層的間隙更多，能讓更多鋰電子嵌入其間隙，使其作為鋰離子電池50的電極板42其蓄電量更大。
在一實施例中，在該步驟3(203)之形成鋰化石墨烯電極38後，該鋰化石墨烯電極38可作一超級電容鋰電池(Ultracapacitor Lithium Battery)之負電極，因為該鋰化石墨烯電極38具有多個石墨烯層與層的間隙，能讓更多鋰離子嵌入其間隙，使其作為超級電容鋰電池之負電極其蓄電量更大。
本發明石墨烯電極板之製程方法藉由前述構成設計，其能使多孔石墨烯基材36與鋰化石墨烯電極38具有量產化之可實施性；其鋰化石墨烯電極38可作一鋰離子電池50之負電極52，使其作為鋰離子電池50的電極板42其蓄電量更大；其多孔石墨烯基材36可作一超級電容器40的一電極板42，使其作為超級電容器40的電極板42其電容量更大；其鋰化石墨烯電極38可作
一超級電容鋰電池之負電極，使本發明石墨烯電極之製程方法之生產與應用達到極佳經濟效益性。
綜上所述，本發明確實為一相當優異之創思，爰依法提出發明專利申請；惟上述說明之內容，僅為本發明之較佳實施例而已，舉凡依本發明之技術手段所延伸之變化，理應落入本發明之專利申請範圍。
201:步驟1
202:步驟2
203:步驟3
Claims (10)
- 一種石墨烯電極之製程方法，其包括：步驟1：取液態之聚醯亞胺，以超音波噴霧方式將該液態之聚醯亞胺形成霧狀粒子後滲入一具有多個孔隙的多孔隙基材，使該多孔隙基材在該等孔隙的週邊附上一聚醯亞胺層，如此形成一多孔隙塗層基材；步驟2：該多孔隙塗層基材藉由一輸送帶於一隧道窯內移動，該隧道窯之內部設有複數個二氧化碳雷射照射器，該等複數個二氧化碳雷射照射器並以二氧化碳雷射持續照射經過該隧道窯之多孔隙塗層基材，使該多孔隙塗層基材之聚醯亞胺層形成一高純度多孔石墨烯層，如此形成一多孔石墨烯基材。
- 如申請專利範圍第1項所述之一種石墨烯電極之製程方法，更可在該步驟2後進行一步驟3：將該多孔石墨烯基材進行鋰化程序，使該多孔石墨烯基材形成一鋰化石墨烯電極。
- 如申請專利範圍第1項所述之石墨烯電極之製程方法，其中之取液態之聚醯亞胺以超音波噴霧方式形成霧狀粒子後滲入一具有多個孔隙的多孔隙基材，係以至少一個或複數個超音波噴霧器將液態聚醯亞胺之霧狀粒子滲入一多孔隙基材，該至少一個或複數個超音波噴霧器係設於該隧道窯之內部側面、內部上方或內部下方。
- 如申請專利範圍第3項所述之一種石墨烯電極之製程方法，其中該多孔隙基材為捲式基材並有一第1表面與一第2表面，該多孔隙基材設置於一第1轉軸上，該多孔隙基材以第1表面向上露出，由該輸送帶輸送進該隧道窯內移動，使該多孔隙基材之第1表面接受該複數個超音波噴霧器將液態聚醯亞胺之霧狀粒子噴霧滲入該多孔隙基材，然後於該隧道窯內接受該複數個二氧化碳雷射照射器以其二氧化碳雷射持續照射，使該多孔隙塗層基材之聚醯亞胺層形成高純度多孔石墨烯層，然後成捲置於一第2轉軸上；接續，移動該第2轉軸，令捲置於該第2轉軸之該多孔隙基材，通過一轉向惰輪，使該多孔隙基材以第2表面向上露出，並由該輸送帶輸送進該隧道窯內移動，使該多孔隙基材之第2表面接受該複數個超音波噴霧器將液態聚醯亞胺之霧狀粒子噴霧滲入該多孔隙基材，然後於該隧道窯內接受該複數個二氧化碳雷射照射器以其二氧化碳雷射持續照射，使該多孔隙塗層基材之聚醯亞胺層形成高純度多孔石墨烯層，然後成捲置於一第3轉軸上，如此形成一多孔石墨烯基材。
- 如申請專利範圍第1項所述之一種石墨烯電極之製程方法，其中該液態之聚醯亞胺係為液化之Katpon®，該多孔隙基材係選自以下其中之一：多孔隙碳材基材、多孔隙石墨、多孔隙金屬基材。
- 如申請專利範圍第1項所述之一種石墨烯電極之製程方法，更可在該步驟2之形成鋰化石墨烯電極後，將多個鋰化石墨烯電極推疊為一多層鋰化石墨烯電極。
- 如申請專利範圍第1項所述之一種石墨烯電極之製程方法，其中該多孔石墨烯基材係作為一超級電容器的電極板。
- 如申請專利範圍第2項所述之一種石墨烯電極之製程方法，其中該鋰化石墨烯電極係作為一鋰離子電池之負電極。
- 如申請專利範圍第2項所述之一種石墨烯電極之製程方法，其中該鋰化石墨烯電極係作為一超級電容鋰電池之負電極。
- 一種石墨烯電極之製作裝置，其包括：一隧道窯，其內係設有一輸送帶；複數個超音波噴霧器，係設於該隧道窯內；複數個二氧化碳雷射照射器，係設於該隧道窯內；前述構成，該超音波噴霧器用以設置液態聚醯亞胺，並將該液態聚醯亞胺形成霧狀粒子後噴出，而該二氧化碳雷射照射器係用以提供二氧化碳雷射之持續照射。
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