石墨烯电极的制作方法及其制作装置与流程

1.本发明涉及一种石墨烯电极的制作方法及其制作装置，特别涉及一种利用超音波喷雾、结合多孔隙基材、二氧化碳激光器照射而能生产石墨烯电极的制作方法及其制作装置。


背景技术：

2.石墨是由多层石墨烯构成的结晶构造，而石墨烯(graphene)是一种单层的石墨结构，每个碳原子之间以sp2结晶结构与相邻的三个碳原子形成键结，并延伸成蜂窝状六角形的二维结构，目前石墨烯已被广为应用于半导体、触控面板或太阳能电池等领域中，且更预期广泛应用于光电、绿能发电、环境生医感测、复合性功能材料等诸多产业领域的发展。
3.另一方面，目前的电动汽车、智能型手机都需要具更高容量、更快速充电的电池，需要业界寻求解决方案。缘此，本发明人有鉴于此，即着手研发构思其解决方案，希望能开发出一种石墨烯电极的制作及其制作装置，以促进此行业的发展。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种石墨烯电极的制作方法及其制作装置，可达到石墨烯电极制造生产的极佳经济效益性，且其锂化石墨烯电极可作一锂离子电池的负电极；其多孔石墨烯基材可作一超级电容器的一电极板；其锂化石墨烯电极可作一超级电容锂电池的负电极。
5.本发明为了达成上述目的，其所采用的技术方法包括有：步骤1：取液态的聚酰亚胺，以超音波喷雾方式将该液态的聚酰亚胺形成雾状粒子后渗入一具有多个孔隙的多孔隙基材，使该多孔隙基材在该等孔隙的外围覆上一聚酰亚胺层，如此形成一多孔隙涂层基材；
6.步骤2：该多孔隙涂层基材藉由一输送带于一隧道窑内移动，该隧道窑的内部设有复数个二氧化碳雷射照射器，该等复数个二氧化碳雷射照射器并以二氧化碳雷射持续照射经过该隧道窑的多孔隙涂层基材，使该多孔隙涂层基材的聚酰亚胺层形成一高纯度多孔石墨烯层，如此形成一多孔石墨烯基材。
7.前述方法中，优选的，更可在该步骤2后进行一步骤3：将该多孔石墨烯基材进行锂化程序，使该多孔石墨烯基材形成一锂化石墨烯电极。
8.前述方法中，优选的，取液态的聚酰亚胺以超音波喷雾方式形成雾状粒子后渗入一具有多个孔隙的多孔隙基材，是以至少一个或复数个超音波喷雾器将液态聚酰亚胺的雾状粒子渗入一多孔隙基材，该至少一个或复数个超音波喷雾器是设于该隧道窑的内部侧面、内部上方或内部下方。
9.前述方法中，优选的，该多孔隙基材为卷式基材并有一第1表面与一第2表面，该多孔隙基材设置于一第1转轴上，该多孔隙基材以第1表面向上露出，由该输送带输送进该隧道窑内移动，使该多孔隙基材的第1表面接受该复数个超音波喷雾器将液态聚酰亚胺的雾状粒子喷雾渗入该多孔隙基材，然后于该隧道窑内接受该复数个二氧化碳雷射照射器以其
二氧化碳雷射持续照射，使该多孔隙涂层基材的聚酰亚胺层形成高纯度多孔石墨烯层，然后成卷置于一第2转轴上；
10.接着，移动该第2转轴，令卷置于该第2转轴的该多孔隙基材，通过一转向惰轮，使该多孔隙基材以第2表面向上露出，并由该输送带输送进该隧道窑内移动，使该多孔隙基材的第2表面接受该复数个超音波喷雾器将液态聚酰亚胺的雾状粒子喷雾渗入该多孔隙基材，然后于该隧道窑内接受该复数个二氧化碳雷射照射器以其二氧化碳雷射持续照射，使该多孔隙涂层基材的聚酰亚胺层形成高纯度多孔石墨烯层，然后成卷置于一第3转轴上，如此形成一多孔石墨烯基材。
11.前述方法中，优选的，该液态的聚酰亚胺为液化的
12.前述方法中，优选的，该多孔隙基材选自以下其中之一：多孔隙碳材基材、多孔隙石墨、多孔隙金属基材。
13.前述方法中，优选的，更可在该步骤2的形成锂化石墨烯电极后，将多个锂化石墨烯电极推迭为一多层锂化石墨烯电极。
14.前述方法中，优选的，该多孔石墨烯基材是作为一超级电容器的电极板。
15.前述方法中，优选的，该锂化石墨烯电极是作为一锂离子电池的负电极。
16.前述方法中，优选的，该锂化石墨烯电极是作为一超级电容锂电池的负电极。
17.本发明的技术手段包括有：一隧道窑，其内设有一输送带；复数个超音波喷雾器，设于该隧道窑内；复数个二氧化碳雷射照射器，设于该隧道窑内；前述构成，该超音波喷雾器用以设置液态聚酰亚胺，并将该液态聚酰亚胺形成雾状粒子后喷出，而该二氧化碳雷射照射器系用以提供二氧化碳雷射的持续照射。
附图说明
18.图1为本发明的制作方法流程示意图；
19.图2a为本发明以超音波喷雾方式将液态的聚酰亚胺渗入一多孔隙基材上的示意图；
20.图2b为本发明的多孔隙基材的局部放大图；
21.图3a为本发明的多孔隙涂层基材的示意图；
22.图3b为本发明的多孔隙涂层基材的局部放大图；
23.图4为本发明的以二氧化碳雷射照射多孔隙涂层基材的一实施例示意图；
24.图5a为本发明的多孔石墨烯基材的示意图；
25.图5b为本发明的多孔石墨烯基材的局部放大图；
26.图6为本发明在隧道窑内以超音波喷雾方式将液态的聚酰亚胺渗入一多孔隙基材与二氧化碳雷射照射的示意图；
27.图7a为本发明在隧道窑内对一卷式多孔隙基材的第1表面进行超音波喷雾与二氧化碳雷射照射示意图；
28.图7b为本发明在隧道窑内对一卷式多孔隙基材的第2表面进行超音波喷雾与二氧化碳雷射照射示意图；
29.图8为本发明的多层锂化石墨烯电极的剖面图；
30.图9为本发明的超级电容器的示意图；
31.图10为本发明的锂离子电池的示意图。
32.主要组件符号说明:
33.聚酰亚胺
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11
34.超音波喷雾器
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12
35.多孔隙基材
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20
36.步骤1
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201
37.步骤2
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202
38.步骤3
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203
39.孔隙
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205
40.第1表面
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207
41.第2表面
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208
42.聚酰亚胺层
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21
43.多孔隙涂层基材
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22
44.输送带
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28
45.转向惰轮
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29
46.隧道窑
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30
47.第1转轴
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302
48.第2转轴
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304
49.第3转轴
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306
50.二氧化碳雷射照射器
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32
51.多孔石墨烯层
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34
52.多孔石墨烯基材
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36
53.锂化石墨烯电极
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38
54.多层锂化石墨烯电极
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39
55.超级电容器
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40
56.电极板
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42
57.第2电极板
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46
58.锂离子电池
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50
59.负电极
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52
60.隔膜
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54
61.正电极
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56
具体实施方式
62.为使本领域技术人员对本发明的技术、方法特征及所达成的功效更有进一步的了解与认识，谨佐以较佳的实施例图及配合详细的说明，说明如下。
63.请参阅图1-10，为本发明石墨烯电极的制作方法及其制作装置的较佳实施例，该些图式均为用以便利说明的示意图，其仅以示意方式说明本发明的基本结构，且所显示的构成绘制并未限定相同于实际实施时的形状及尺寸比例，其实际实施时的形状及尺寸比例乃为一种选择性的设计。
64.如图1所示，本发明提供一种石墨烯电极的制作方法，其制作方法(包括制作装置)包括：
65.步骤1(201)：如图2a所示，取液态的聚酰亚胺11(polyimide，简称pi)，以超音波喷雾方式将该液态的聚酰亚胺11形成雾状粒子后渗入一具有多个孔隙205的多孔隙基材20上，使该多孔隙基材20在被该等孔隙205的外围覆上一聚酰亚胺层21，如此形成一多孔隙涂层基材22，该多孔隙涂层基材22的示意图如图3所示；
66.前述该液态的聚酰亚胺11的以超音波喷雾方式运作实施，可将液态的聚酰亚胺11输入一超音波喷雾器12，该超音波喷雾器12利用压电水晶体震荡器(压电振荡器/振荡子)，产生高频率震波(超音波)作用于液态的聚酰亚胺11，用以将液态的聚酰亚胺11震成极小的雾状粒子，并可利用超音波喷雾器12的喷嘴造形、风流或压力差等方式使其能持续稳定喷出聚酰亚胺11的雾状粒子，进而使该多孔隙基材20的该等孔隙205的外围覆上形成该聚酰亚胺层21。
67.如图2b，其为该多孔隙基材20的局部放大图，显示该多孔隙基材20内有无数个孔隙205；
68.步骤2(202)：如图4所示，该多孔隙涂层基材22藉由一输送带28于一隧道窑30内移动，该隧道窑30的内部(包括内部侧面、内部上方或内部下方)设有复数个二氧化碳雷射照射器32，该等复数个二氧化碳雷射照射器32并以二氧化碳雷射持续照射经过该隧道窑30的多孔隙涂层基材22，使该多孔隙涂层基材22的聚酰亚胺层21形成一高纯度多孔石墨烯层34，如此使该多孔隙涂层基材22形成一多孔石墨烯基材36，该多孔石墨烯基材36如图5a所示。如图5b，其为该多孔石墨烯基材的局部放大图，显示该多孔石墨烯基材内有无数个孔隙205，且在该等孔隙205的外围覆有一高纯度多孔石墨烯层34。
69.选择性的，本制作方法还包括一步骤3(203)：将该多孔石墨烯基材36进行锂化程序，使该多孔石墨烯基材36形成一锂化石墨烯电极38(lithiated graphene electrode)。
70.藉此，能提供一种新的石墨烯电极的制作方法，并能达到极佳的生产经济效益性。
71.其中，该步骤1(201)的液态的聚酰亚胺11为液化的其中，该步骤1(201)的液态的聚酰亚胺11为液化的是美国杜邦公司生产的聚酰亚胺(pi)薄膜材料的商品名称，市面上即可购得，可藉应用此产品快速与低成本的取得聚酰亚胺。
72.其中，该步骤1(201)的多孔隙基材20可选自以下其中之一：多孔隙碳材基材、多孔隙石墨、多孔隙金属基材，但不以此为限；该多孔隙基材20的孔隙205，可增加整个基材表面积。
73.其中，该步骤1(201)的取液态的聚酰亚胺11以超音波喷雾方式喷出聚酰亚胺11的雾状粒子后渗入一多孔隙基材20上，如图2a所示，是以一个或复数个超音波喷雾器12将液态的聚酰亚胺11的雾状粒子渗入一多孔隙基材20上；选择性的，如图6所示，至少一个或复数个超音波喷雾器12设于该隧道窑30的内部(包括内部侧面、内部上方或内部下方)，当该等多孔隙基材20于该输送带28上移动时，该等多个超音波喷雾器12从各角度对该等多孔隙基材20充份喷涂液态的聚酰亚胺11雾化后的雾状粒子，使该等多孔隙基材20在该等孔隙205的外围覆有一聚酰亚胺层21，形成一多孔隙涂层基材22。如图3b，其为该多孔隙涂层基材22的局部放大图，显示该多孔隙涂层基材22内有无数个孔隙205，且在该等孔隙205的外围附有一聚酰亚胺层21。
74.在另一实施例中，如图7a所示，该多孔隙基材20为卷式基材并有一第1表面207与一第2表面208，该多孔隙基材20设置于一第1转轴302上，该多孔隙基材20以第1表面207向上露出，由该输送带输28送进该隧道窑30内移动，使该多孔隙基材20的第1表面207接受该复数个超音波喷雾器12将液态的聚酰亚胺11的雾状粒子喷雾渗入该多孔隙基材20，然后于该隧道窑30内接受复数个二氧化碳雷射照射器32以其二氧化碳雷射持续照射，使该多孔隙涂层基材22的聚酰亚胺层21形成一高纯度多孔石墨烯层34，然后成卷置于一第2转轴304上；
75.如图7b所示，接着，移动该第2转轴304，令卷置于该第2转轴304的该多孔隙基材20，通过一转向惰轮29，使该多孔隙基材20以第2表面208向上露出，由该输送带28送进该隧道窑30内移动，使该多孔隙基材20的第2表面208接受该复数个超音波喷雾器12将液态的聚酰亚胺11的雾状粒子喷雾渗入该多孔隙基材20，然后于该隧道窑30内接受复数个二氧化碳雷射照射器32以其二氧化碳雷射持续照射，使该多孔隙涂层基材22的聚酰亚胺层21形成一高纯度多孔石墨烯层34，然后成卷置于一第3转轴306上，如此形成一多孔石墨烯基材36。
76.上述步骤2(202)的该等复数个二氧化碳雷射照射器32并以二氧化碳雷射持续照射经过该隧道窑30的多孔隙涂层基材22，使该多孔隙涂层基材22的聚酰亚胺层21形成高纯度多孔石墨烯层34，是因为：该聚酰亚胺层21被二氧化碳雷射照射而吸收能量，使该聚酰亚胺11的原子晶格产生振动，打破其分子中的c＝o与n-c键，使其原子重新排列芳香族化合物(aromatic compounds)以形成多孔石墨烯层34；因为聚酰亚胺11包含芳香族与酰亚胺(aromatic and imide)，因此聚酰亚胺11最终可以形成多孔石墨烯层34。
77.其中，该步骤3(203)的将该等多孔石墨烯基材36进行锂化程序，使该等多孔石墨烯基材36形成多个锂化石墨烯电极38，其锂化是指将锂离子嵌入该多孔石墨烯基材36的石墨烯层与层的间隙内，方便当其为负极时，放电时锂离子脱插，充电时锂离子插入的反应，其锂化的方式并不限定，现有的锂化方式都可适用。
78.此外，如图8所示，更可在该步骤3(203)的形成锂化石墨烯电极38后，将多个锂化石墨烯电极38推迭为一多层锂化石墨烯电极39。
79.锂化石墨烯电极38，具有多个优点，例如：其超薄的厚度能加快锂离子在正负极之间的往返速度；再者其具有足够的间隙、孔隙除了能提升充放电速率外，亦能提供电极在充放电时体积伸缩变化的缓冲空间，避免电极损坏。
80.如图9所示，在一实施例中，在该步骤2(202)的形成多孔石墨烯基材36后，该多孔石墨烯基材36可作一超级电容器40的一电极板42；根据平行板电容量公式：
81.c＝εa/d，
82.其中c为电容量，a为平行板的面积，d为平行板间的距离，ε为平行板间介质的电容率，
83.因为该多孔石墨烯基材36其间隙与孔隙较一般电极更多，因此表面积更大，由以上公式可知，表面积越大电容量越大，因此使其作为超级电容器40的电极板42其电容量更大。
84.再者，该超级电容器40的另一第2电极板46，亦可由一多孔石墨烯基材36作为该第2电极板46，其表面积亦大，亦可使该超级电容器40的电容量更大。
85.如图10所示，在一实施例中，在该步骤3(203)的形成锂化石墨烯电极38后，该锂化
石墨烯电极38可作一锂离子电池50的负电极52；因为该锂化石墨烯电极38具有多个石墨烯层与层的间隙，能让更多锂离子嵌入其间隙，使其作为锂离子电池50的负电极52其蓄电量更大。图10的锂离子电池50是以聚合物锂离子电池为例说明，聚合物锂离子电池亦属于一般锂离子电池50，只是聚合物锂离子电池的电解质为固体电解质。一般锂离子电池50主要由正电极56、负电极52、隔膜54(separator)等组成。而聚合物锂离子电池亦由正电极56、负电极52、隔膜54(separator)等组成，而其隔膜54是由固体电解质兼顾的。
86.进一步说明，前述的将多个锂化石墨烯电极38推迭为一多层锂化石墨烯电极39后，该多层锂化石墨烯电极39较单层锂化石墨烯电极38，其石墨烯层与层的间隙更多，能让更多锂电子嵌入其间隙，使其作为锂离子电池50的电极板42其蓄电量更大。
87.在一实施例中，在该步骤3(203)的形成锂化石墨烯电极38后，该锂化石墨烯电极38可作一超级电容锂电池(ultracapacitor lithium battery)的负电极，因为该锂化石墨烯电极38具有多个石墨烯层与层的间隙，能让更多锂离子嵌入其间隙，使其作为超级电容锂电池的负电极其蓄电量更大。
88.本发明石墨烯电极板的制作方法藉由前述构成设计，其能使多孔石墨烯基材36与锂化石墨烯电极38具有量产化的可实施性；其锂化石墨烯电极38可作一锂离子电池50的负电极52，使其作为锂离子电池50的电极板42其蓄电量更大；其多孔石墨烯基材36可作一超级电容器40的一电极板42，使其作为超级电容器40的电极板42其电容量更大；其锂化石墨烯电极38可作一超级电容锂电池的负电极，使本发明石墨烯电极的制作方法的生产与应用达到极佳经济效益性。
89.惟上述说明的内容，仅为本发明的较佳实施例而已，举凡依本发明的技术手段所延伸的变化，理应落入本发明的保护范围之内。