[发明专利]石墨烯电极、包含它的能量储存装置、及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯电极结构及其制造方法，且特别是涉及一种可应用于能量储存装置的石墨烯电极结构及其制造方法。

背景技术

随着绿色环保议题受到世界各国的重视，电动车的开发已成为目前最热门的研究课题之一。然而，传统锂离子电池无法满足电动车对于所使用之电池的高电容量、高功率以及快充等需求。为改善传统锂离子电池，业界目前亟需能够取代石墨的新世代负极材料。

石墨烯因具备优异的电子导电度和多孔性结构，使得电子的传导以及锂离子的扩散都相当快速。另外，由于石墨烯的不规则结构，使其具备比石墨更高的电容量。然而，由于石墨烯的不可逆电容太大及导电度较低，使得石墨烯负极在锂电池的应用迟迟无法商业化。

发明内容

本发明提供一种石墨烯电极及其制造方法，其利用干式表面改性处理，在低温下对石墨烯表面进行杂原子掺杂，可提升石墨烯电极的电容量、以及降低不可逆电容。此外，所得的石墨烯电极适合应用于能源储存系统中。

本发明所述的石墨烯电极，包含：金属箔；未掺杂石墨烯层；以及，杂原子掺杂石墨烯层，其中该杂原子掺杂石墨烯层与该金属箔被该未掺杂石墨烯层隔开。

本发明还提出一种石墨烯电极的制造方法，用以形成上述的石墨烯电极。该方法包含，提供金属箔；形成石墨烯层于该金属箔之上；以及，对该石墨烯层进行干式表面改性处理，从而将杂原子掺杂至该石墨烯层表面。

根据本发明一种实施方式，本发明还提供一种能量储存装置，其中该能量储存装置包含上述石墨烯电极作为第一电极、第二电极、以及配置于该第一电极与该第二电极之间的隔离膜。

为让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：

附图说明

图1为剖面示意图，说明本发明一种实施方式的石墨烯电极。

图2为本发明一种实施方式所述的石墨烯电极制造方法的步骤流程图。

图3为剖面示意图，说明本发明一种实施方式的能量储存装置。

图4说明石墨烯电极(II)、石墨烯电极(III)、及石墨烯电极(IV)其杂原子掺杂石墨烯层的氮元素含量。

图5为电池(I)及电池(II)的充放电曲线图。

图6说明电池(I)及电池(II)不同的充电率(C-rate)下的放电电容。

图7为电池(I)、电池(III)、以及电池(IV)的充放电次数及放电电容的关系图。

附图中的标号具有以下含义：

10~金属箔；

20~石墨烯层；

21~表面；

22~杂原子掺杂石墨烯层；

23~杂原子；

24~未掺杂石墨烯层；

100~石墨烯电极；

101、102、103~步骤；

200~能量储存装置；

202~第一电极；

204~隔离膜；以及

206~第二电极。

具体实施方式

请参照图1，本发明所述之石墨烯电极100，可具有金属箔(metal foil)10，其上具有石墨烯层20。其中，该石墨烯层20包含未掺杂石墨烯层24，以及杂原子掺杂石墨烯层22。值得注意的是，该杂原子掺杂石墨烯层22与该金属箔10被该未掺杂石墨烯层24所隔开。该金属箔10的材料可为导电金属，例如为铜箔。该金属箔10的厚度并无限制，可例如介于0.1至200μm之间。该杂原子掺杂石墨烯层22为该石墨烯层20的表面21经杂原子23掺杂后所得，而该石墨烯层20未被掺杂的部份则定义为该未掺杂石墨烯层24。该杂原子23可为氮原子、磷原子、硼原子、或其组合，例如为氮原子。该杂原子掺杂石墨烯层22的杂原子掺杂量可为0.1-3原子%(原子百分比)，上述原子百分比的分母为该杂原子掺杂石墨烯层22的总原子数。该未掺杂石墨烯层24可为单层石墨烯(graphene)、多层石墨烯(graphene nanosheets、GNS)、或上述的组合；且该杂原子掺杂石墨烯层22可为杂原子掺杂单层石墨烯(graphene)、杂原子掺杂多层石墨烯(graphene nanosheets、GNS)、或上述的组合。