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石墨烯超級電容器

 
 

「超電容」當前積極運用於「大眾交通工具」的動力來源,高雄輕軌捷運就是一例。
▲「超電容」當前積極運用於「大眾交通工具」的動力來源,高雄輕軌捷運就是一例。

 

電影〈回到未來〉(Back to the Future)是西元1985年上映的美國經典科幻片,劇中主角藉著改裝自跑車的「時光機」穿梭時空,看似輕鬆自如。但實際上時光機的操作須有巨大的瞬間功率輸出,而「超級電容器」便是主角得以逞能的重要元件。

 

「超級電容器」(簡稱:超電容)並非杜撰的產物,而是實際存在的。它原始的概念起源於1950年代,但到1971年才有產品問世,並在1988年前後因市場擴張,產品更為多樣化。

 

基本上,超電容的功能與「電池」頗為相似,都是儲存、供給電能的裝置。但相較於一般充電電池,「超電容」有更高的輸出功率、更長的使用壽命(能充、放電次數超多)、充電效率更高、可靠度更好等諸多優點,儼然是目前儲能界眾星之最。然而,它有一個致命的缺點,即「能量密度」太低,使其應用受到很大的限制。另一方面,「電壓」顯著地遜於鋰離子電池,也使「超電容」無法與目前廣泛使用的鋰離子電池合併應用。

 

自1980年代第一代「超電容」產品問世後,科學家對它的優點驚艷不已,也希望能改善其關鍵缺點,使它早日「普及化」。其中「提升電容」與「提高電壓」是兩大目標,後者更是有效改善性能的方向。一般而言,提高電壓的方法有「更改電解質」、「修飾電極」與「更改電極」3大類。但目前超電容常用的電極材料是「活性碳」,科學家雖想直接對其改良修飾甚至更換,但至今成效甚微。雖然如此,科學研究對這目標仍前仆後繼。

 

清華大學化學工程學系的胡啟章教授深入研究「超電容」多年,日前與工研院機械所合作改以「石墨烯奈米壁」為電極,成功地改善了「超電容」電壓過低的問題。胡教授的方法是用低缺陷的「石墨烯奈米壁」為正極,另以摻雜「氮」元素的石墨烯奈米壁成功造出近乎完美的負電極。

 

這種能「垂直」成長的「石墨烯奈米壁」,因為沒有黏著劑的干擾,大幅增進了電化學儲能的效能。值得一提的是,這種「超電容」的「可用電壓」提升到4V左右之後,「能量密度」也隨之大幅提升,使「超電容」直接與商用鋰離子電池並聯的可能性大幅增高。更重要的是,上述的串並方法能使得「超電容」的應用層面大幅擴展,有效地增加「商業化」的機會。

 

「超電容」出色的超快速充、放電優點,吸引了電力領域專家的興趣,並把它導入電力系統相關應用。依其「高功率輸出」與「快速回充電」的特性,目前最適用的領域便是作為在「特定距離範圍內」行駛的「電動車」動力來源,尤其是「行車路程」短,需走走停停的「大眾交通工具」最為恰當。例如高雄輕軌捷運,便是其可大施所長的最佳舞台。

 

其實「超電容」的應用性還可以更廣泛,胡教授進一步分析:超電容的「可用電壓」問題解決後,可把它與商用「鋰離子電池」直接並聯使用,形成另一種可「截長補短」極具優勢的「混合電力」。例如,當系統需要較高輸出功率時,先由「超電容」打前鋒負責能量輸出,待運轉穩定僅需一般電力時,再改由「鋰離子電池」專司其責。如此一來,除盡情發揮兩種元件的優點外,也保護、延長了鋰離子電池的壽命。這一方法已應用於許多電動工具機與部分品牌的手機。

 

「化石燃料」終有枯竭的時候,「電能」儼然是下一世代能源的主要型態,電能的轉化、儲存、運用都成為當前科學界主要的議題。「超電容」雖擁有許多優點,但也有些根本上的缺陷。胡教授以為,「超電容」不應被過譽為「下一個世代的儲能元件」,並妄想能全面取代現有的儲電裝置,而應理性地為其定位,規劃使它多元地結合各種儲能裝置「適長應用」,使「電能」做最妥善的利用,才是其最佳的未來。

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