石墨烯於儲能元件的發展與應用
近年來，隨著科技的進步，目前各國對於能源的相關議題無不重視，不論是新能源的開發或是節能系統改進，都是時下重要的綠色產業，隨著裝置規格水準不斷提升，連帶各種機械、電器運作功率的要求也隨之增加，高效能且具經濟效益的儲能元件一直是近年來各領域努力的目標，舉凡電機、航太、運輸、電子各領域之產品均仰賴高性能的供電系統以維持其運作。
以儲能元件來說，一般可分為電池及電容器兩大類，可重複利用的二次電池是透過電極間可逆的氧化還原反應將電以化學能的形式儲存，常見之二次電池包含鉛蓄電池、鎳氫電池、鋰離子電池；電容器則以物理機制將電荷或離子儲於正負兩極之活性材料表面，常見之電容器包含鋁質電解電容、陶瓷電容等，而在眾多元件中，其中又以鋰離子電池為目前最關注的研究方向，但因其反應速率受到動力學上的限制，以至於鋰離子電池雖擁有良好的能量密度，卻受限於低的功率密度。
超級電容器，依儲能方式可分為電雙層電容器(Electric Double Layer Capacitors, EDLC)、擬電容器(Pseudocapacitors)兩大類，是一種具有高功率密度的儲能元件，其特性正好彌補了鋰離子電池在功率表現上的不足，自超級電容問世以來已有三十年的歷史，發展之初由於其能量密度甚低，於當代並未受到特別的重視，時至今日隨著材料技術的躍進，超級電容的實用價值漸漸抬升，成為新儲能系統的重要角色。超級電容的電極材料目前是以碳系材料為主要發展方向，因為碳系材料同時具有導電性以及高比表面積，隨著碳系材料的研究越來越多，如活性碳、碳60、奈米碳管等都有相關研究，而在此，要介紹的是近年來最熱門的能源材料－石墨烯。
石墨烯(Graphene)，為蜂巢狀之單層碳原子的結構，其碳原子以sp2鍵結而成的二維材料。自2004年由Andre Geim與Konstantin Novoselov以機械剝離法發現石墨烯以來，其優越及獨特的物理特性漸漸受到不同領域的關注，在應用端也是爭相嘗試的當紅材料，不論是在能源儲存、功能性複合材料、電子、光電元件等應用，而其中以能源儲存方面的應用較為廣泛。
石墨烯的合成方法可分為機械剝離法、化學氣相沉積法、氧化還原合成法、液相剝離法等，其中又以Hummer’s method所製作的氧化還原石墨烯比其他合成方式較簡易、成本低廉且可大量製備，因此於應用端的商品化較為迅速。此外，此法可以製備石墨烯水溶液，以冷凍乾燥法，合成出三維結構，再經由退火(annealing)移除氧基團後得到三維結構石墨烯(Graphene sponge)，它具有獨特的性質，像是在化學上的穩定性、機械結構上的高彈性、良好的電性及熱傳導率、高比表面積等，這些性質在儲能元件上深具應用潛力。[1]
目前，石墨烯應用在超級電容(EDLCs)上已可達341F/g[2]，應用在鋰離子電池的負極材料之可逆電容量能達到600mAh/g[3]，而Zhou[4]等學者利用臨場(in-situ)氫氧化鐵還原法，製備出石墨烯奈米帶(GNS)/Fe3O4複合材料，其第一次可逆電容量則可達900mAh/g。以未來幾年石墨烯於市場應用來說，能源的應用領域占比最高，可以期待未來石墨烯作為高效能超電容或是其他儲能元件的應用和發展仍深具潛力。
[1] Jun-He Chang, Yu-Han Hung, Xu-Feng Luo, Chi-Hsien Huang, Sungmi Jung, Jeng-Kuei, Chang, Jing Kong and Ching-Yuan Su” The hierarchical porosity of three-dimensional graphene electrode for binder-free and high performance supercapacitors”, RSC Advances, 6, 8384 (2016)
[2]Wang, Qian, Jun Yan, and Zhuangjun Fan. "Carbon materials for high volumetric performance supercapacitors: design, progress,challenges and opportunities." Energy & Environmental Science (2016).
[3] Pan, Dengyu, et al. "Li storage properties of disordered graphene nanosheets."Chemistry of Materials 21.14 (2009): 3136-3142.
[4] Zhou, Guangmin, et al. "Graphene-wrapped Fe3O4 anode material with improved reversible capacity and cyclic stability for lithium ion batteries."Chemistry of Materials 22.18 (2010): 5306-5313.
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