奈米碳管複合材料與電漿改質碳纖維應用於超級電容之研究

Carbon Nanotube Composites and Plasma Modified Carbon Fiber Cloth for Supercapacitors

廖乙媗(I-Hsuan Liao)

指導教授 ： 徐文光

國立清華大學/工學院/材料科學工程學系/碩士(2021年)

摘要

本研究試圖開發以碳纖維布作為電極基材的超級電容，利用兩種方式去提升電容值，分別是在碳纖維布(carbon fiber cloth，CFC)上塗佈奈米碳管(carbon nanotubes，CNTs)漿料以及施加電漿來對碳纖維布進行表面改質。
本實驗將多壁奈米碳管和聚乙烯醇(PVA)混合配置成漿料，塗佈於碳纖維布上，在氮氣保護下經過1000°C並持溫一小時的熱處理，以達到碳化效果，由循環伏安法測得其比電容為18.9 F/g，相較於同樣經過熱處理，但未塗佈漿料的純碳纖維布，其比電容值提升了超過兩倍。
此外也將碳纖維布分別施打氧氣電漿與氮氣電漿，並比較經過1、3、5分鐘處理時間的結果，以化學分析電子能譜儀(ESCA)分析鍵結的種類與比例關係，經由表面水接觸角的量測，探討碳纖維布的親水性變化，並利用電化學阻抗圖譜(EIS)分析不同試片的電阻差異。實驗發現經過一分鐘的氧氣電漿處理的CFC，擁有最高的比電容值，可以提升至30.3 F/g，此外在經過3000次循環伏安法量測後，其仍保有83 %的比電容，擁有良好的循環壽命。
最後將電極組裝成三明治結構的超級電容器，將其充電十秒後再接至LED燈上，可以成功讓它發光，表示不需要耗費很高的成本和繁複的製程，也能製作出具有一定效能的超級電容器。

關鍵字

奈米碳管 ； 電漿改質 ； 碳纖維布 ； 超級電容

並列摘要

This research attempts to develop a supercapacitor using carbon fiber cloth as electrodes. Two methods are used to promote specific capacitance, including coating of carbon nanotubes (CNTs) on carbon fiber cloth (CFC) and plasma modified CFC.
In this experiment, multi-walled CNTs and polyvinyl alcohol (PVA) are mixed and configured into a slurry, which is coated on a CFC and is carbonized at 1000°C in the presence of N2 for 1h. The specific capacitance measured by cyclic voltammetry is 18.9 F/g, which is more than twice as large as the pure CFC that has been heat-treated but is not coated with slurry.
In addition, oxygen and nitrogen plasma are applied to CFC, and results of different gases and treatment times are compared. Experiments show that CFC treated with oxygen plasma for one minute has specific capacitance of 30.3 F/g with 83% retention after 3000 cyclic voltammetry measurements.

並列關鍵字

Carbon Nanotubes ； Plasma Modification ； Carbon Fiber Cloth ； Supercapacitor

參考文獻

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