靜電紡絲技術與超級電容之相關應用

透過靜電紡絲技術能夠快速大量地製備高分子奈米纖維，其孔隙率高與

比表面積大，是當前極有效率製作連續性奈米纖維的技術，因此，有研究將 此纖維結構應用於超級電容上，以提升整體電容的能量密度。以下將提出靜 電紡絲技術與超級電容相關之應用文獻。

2013 年，L. Deng 等人複合多壁奈米碳管(Multiwalled carbon nanotube, MWNT)與醋酸纖維素(Cellulose acetate, CA)，藉由靜電紡絲技術進行超級電 容之電極製作【60】，圖 2-36 為纖維有無摻入 MWNT 之 SEM 圖，接著進行 高溫熱處理於氬氣氛中以 1000 ^oC 進行碳化，使其成為活性碳纖維(Activated carbon nanofiber, ACNF)。由圖 2-37 的 TEM 圖可明顯得知，多壁奈米碳管於 醋酸纖維素內產生團聚，而形成複合的效果。圖 5-38 為各實驗條件之拉曼 光譜圖，可明顯得知碳材的兩個特徵峰值，其中 1350 cm^-1為 D 峰，1590 cm^-1 為 G 峰，代表著醋酸纖維素已碳化完全。圖 2-39 即為循環伏安法所量測其 電化學特性，計算出之比電容值約為 121 F/g。

Figure 2-36 SEM images of (a) the neat CA and (b) the 1.5% MWNT/CA nanofibers.【60】

Figure 2-37 TEM images of (a-b) the pristine ACNF and (c-d) the 6%

MWNT/ACNF. The black arrows indicate the presence of nanotubes.【60】

Figure 2-38 Raman spectra for the pristine and composite ACNFs.【60】

Figure 2-39 C-V curves obtained at a scan rate of 10 mV s^-1 for the pristine ACNF, MWNT/ACNF and carbon black electrodes.【60】

2013 年，P. F. Jao 等人利用 SU-8 光阻當做靜電紡絲的高分子基底材料

【61】，使其噴出 SU-8 奈米纖維(SU-8 NFs)，而後將此纖維利用堆疊方式，

組裝出超級電容之元件，圖 2-40 即為其製作超級電容之製程圖。由於 SU-8 為黃光微影常見之光阻材料，此團隊將奈米纖維進行圖案化定義，形成陣列 式微電極(如圖 2-41)，而後將此纖維進行高溫熱處理使其碳化後，即可成為 高比表面積之電極，並透過電性量測，可得到電容密度為 3.7 F/mm³。

Figure 2-40 Fabrication process of an SU-8 NF based supercapacitors, (a) current collector fabrication in SU-8 thin film, (b) NFs in SU-8 using electrospinning, (c) patterning of NFs by photolithography, (d) carbon NFs derived from SU-8 NFs by carbonization, (e) NF separator fabrication using electrospun, (f) capacitor assembly with a pair of electrodes, a separator and an electrolyte.【61】

Figure 2-41 Lithographically patterned NFs: (a) large scale photopatterned SU-8 NFs, (b) single exposure patterning with different shapes, (c) magnified view of patterned thick NF stack.【61】

2014 年，H. Joh 等人利用氧化石墨烯(Graphene oxide, GO)與聚丙烯腈 (Polyacrylonitrile, PAN)複合後，利用靜電紡絲技術製作電雙層電極【62】， 圖 2-42 即為製作完成之纖維薄膜，藉由此薄膜所量測的拉曼光譜(圖 2-43)，

可獲得經由氧化石墨烯複合後之薄膜品質狀況，由 1347 cm^-1與 1597 cm^-1峰 值可得知，此為氧化石墨烯常見的峰值。圖 2-44 表示透過熱處理使其纖維 表面產生粗糙化，熱處理的功用可使整體纖維之比表面積再提升，以及活化 氧化石墨烯進而轉變成氧化還原石墨烯(Reduced Graphene oxide, rGO)。圖 2-45 即為循環伏安法之量測結果，可從量測出之圖形得知，經過熱處理之纖 維薄膜其曲線相較於未經過熱處理之纖維而言，其電流-電位掃瞄範圍有明 顯差異，此團隊所製作之超級電容器的比電容值為 191.2 F/g。

(a) (b) (c)

Figure 2-42 Pictures of (a) electrospun pure PAN fiber sheet, (b) electrospun PAN/GO composite nanofiber sheet, and (c) dissolved solution of electrospun PAN/GO composite nanofiber containing 10 wt% GO in DMF solution.【62】

Figure 2-43 Characteristics of PAN/GO Raman spectrum.【62】

Figure 2-44 Morphology of Carbon nanofiber (CNF) and activated carbon nanofiber (ACNF) analyzed by SEM. (a) CNF, (b) CNF-G10, (c) CNF-G15, (d) ACNF, (e) ACNF-G10 and (f) ACNF-G15.【62】

Figure 2-45 Cyclic voltammograms in a 0.5 M H2SO4 aqueous solution at a 100 mV/s scan rate for (a) CNF-G and (b) ACNF-G carbonized at 1200 ^oC.【62】

2014 年，L. Liu 等人利用浸漬與乾燥法(Dipping and drying)層層堆疊，

複合氧化還原石墨烯(Reduced Graphene oxide, rGO)、聚苯胺(PANi)與纖維素 纖維(Cellulose fibers, CF)成為三維結構的奈米纖維紙，並透過此纖維紙製作 成可撓性超級電容器【63】。圖 2-46 即為複合纖維製程示意圖，於 CF 滴上 GO 溶液，CF 與 GO 會以共價鍵緊密結合，接著利用水熱法(Hydrothermal assembly)進行還原，乾燥後使整片纖維紙成為 rGO 纖維，最後利用化學聚 合法(Polymerization)使得 PANi 顆粒附著於纖維表面，達到複合 CF-rGO-PANi 各有其優點的纖維紙，用以製作超級電容器。

透過循環伏安法所量測之電流-電壓曲線圖，如圖 2-47 所示，可明顯得 知複合了三種材料之掃描面積，明顯相較其餘兩種參數大出許多，表示其電 荷儲存效果較佳，經計算得知此超級電容器之比電容值約可達 464 F/g。由 於是可撓式超級電容器，圖 2-48 透過不同彎曲角度，評估其電容變化，可 發現在彎折 180°時，僅降低約 11%的比電容值，表示其可撓能力優異。

Figure 2-46 Schematic diagram of PANi-rGO/CF composite paper.【63】

Figure 2-47 C-V curves with a scan rate of 10 mV/s.【63】

Figure 2-48 Variations of specific capacitances of the all-solid-state supercapacitor in different folding states.【63】