第三章 實驗方法
3.5 鋰硫電池系統
3.5 鋰硫電池系統
3.5.1 陰極極片製作
漿料的配置將陰極材料 (CNFs/S、CNFs/PEI/S)：Super P(導電碳，SP)：Poly Vinylidene Difluoride (黏著劑，PVDF) 以80：10：10的比例加入 1-Methyl-2-Pyrrolidinone(NMP)溶劑中，利用均質機以 2.5K rpm 攪拌 2 小時，使材料均勻分散於溶劑中。
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3.5.2 電解液除水與配製
1,2-Dimethoxyethane (DME)將 DME 除水前要將鈉塊做前處理，如圖 3-3，先將存放在礦物 油裡之鈉塊取出，切成小塊，並用壓克力板將鈉塊壓平，之後將壓扁 的鈉塊放入正己烷中除去鈉塊上的油，之後將除水裝置架式完後，把 溶 劑 (DME) 及 鈉 塊 置 入 圓 底 燒 瓶 內 ， 再 加 入 指 示 劑 二 苯 甲 酮 (Benzophenone) 加熱除水，當除水完成後溶液會呈藍色，將收集瓶抽 真空，利用內外的壓力差，將 DME 轉移至溶液儲存瓶中，最後放 入分子篩並移入手套相中存放。
圖 3-3 DME 除水的示意圖
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1,3-Dioxolane (DOL)
先將 DOL 與 CaSO4(指示劑) 加入圓底燒瓶內，並將環境抽至 真空後填充 Ar 。蒸餾過程中從左邊儲存瓶汽化，經過冷凝管降溫後，
流入道右邊儲存瓶中，如圖 3-4。
圖 3-4 DOL 除水的示意圖
電解液配製
於手套箱中，以定量瓶取 DME 和 DOL 各 10 mL (v/v=1:1)，
加入 5.74g 的 LiTFSI (1M ) 及 0.13 g LiNO3 ( 0.1M ) ，並以磁石攪 拌過夜，使粉末均勻分散於溶劑中。
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3.5.3 鋰硫電池組裝
鋰硫電池組具為 CR2032 coin cell，組裝過程需在填充氬氣的手 套箱中進行 (H2O < 1 ppm, O2 < 1 ppm)，電解液為 1 M Lithium Bis-(Trifluoromethanesulfone)imide (LiTFSI) 和 0.1 M LiNO3 溶於 1,3-Dioxolane (DOL) / 1,2-Dimethoxyethane (DME) (v / v = 1:1)，隔離 膜為 PP/PE/PP 三層多孔隔離膜，組裝步驟如下，如圖 3-5：首先以 裁刀將 Li 金屬裁成直徑 1.1 公分大小的圓形，並將其輾平，接著將 陰極極片置於下蓋中央，取 80 uL 的電解液將隔離膜潤濕，並疊放 於極片上，再依序疊放 Li 金屬、墊片、彈簧及上蓋，最後用電池封 口機使電池緊密密合即可。
圖 3-5 CR2032 鈕扣電池組裝圖
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3.5.4 循環伏安法測試( Cyclic Voltammetry)
將組裝完成的鋰硫電池利用電位儀進行循環伏安法分析，將電池 置於測試組具上，分別以鋰金屬做為相對電極和參考電極，正極材料 極片當作工作電極，儀器參數設定為掃描電位範圍 1.6~2.8 V，掃描 速率0.2 mV/sec，進行 5 個循環測試。
3.5.5 充放電測試
本實驗使用鋰-硫電池進行充放電測試，利用電腦紀錄電流-電壓 變化，了解材料對於電池充放電的電容量。
儀器參數設定分為三個階段，分別為定電流放電、定電流充電和 定電壓充電，在充放電過程中皆以 mA/g 的電流密度進行實驗，第 一階段以定電流放電至 1.5V，接著再進行第二階段以定電流充電至 3.0V 或放電電容的 120% ，最後再定電壓 3.0V 或放電電容的 120% 進行充電，休息1分鐘再回到第一階段進行下一個循環，每三 個階段為一個循環進行充放電測試。
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3.5.6 交流阻抗法測試 (Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS )
此實驗是以雙恆電位儀進行測試，實驗步驟為：先將組裝好的鈕扣型
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(3) 低頻區( < 1 Hz )與電子傳遞相關
耐奎斯特圖中高頻區的半圓來自於電極和電解液之間的界面阻 抗及電荷轉移阻抗，半圓直徑越小，其電荷轉移阻抗越小，低頻區的 斜直線則是對應固態電極中鋰離子的擴散阻抗，斜率越大，則鋰離子 的擴散阻抗越小 26。
圖 3-6 耐奎斯特圖：Re( electrolyte resistance )、Rct( charge-transfer resistance )、Cd(double-layer capacitance )26