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〈研之有物〉碳之煉金術師：升級石墨烯電池的陽極效能！

研之有物 2019-05-11 16:00

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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。中研院化學所的顏宏儒實驗室，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。

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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。

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。

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。

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。

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。

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。」

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。」

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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