碳之煉金術師：升級石墨烯電池的陽極效能！

石墨烯，是由碳原子（圖中圓點）以六角形組成的一片薄膜，薄膜的厚度只有一個碳原子高。 示意圖來源│iStock

石墨烯之所以具備「高導電率」，簡單來說，是源於碳原子的六角形結構。這結構使得碳原子穩固地牽著彼此，電子就能在一個個碳原子之間暢行無阻。因此，石墨烯相當適合用來作為鋰電池的陽極，導電效果更勝於傳統的石墨陽極。

石墨烯的鍊成陣

雖然石墨烯和鑽石一樣，都是由碳原子組成，但石墨烯無法透過開採岩層而獲得，只能藉由科學家在實驗室裡合成。換句話說，科學家就像是「碳之鍊金術師」，透過特殊的「鍊成陣」，合成出原本只存在於假設理論的石墨烯結構。

當然，這裡所指的鍊成陣，並非合掌一拍、再往地上一擊，就能變出神奇的東西。而是科學家夜不成眠地，操作一次又一次的化學實驗，失敗了，再重頭來過。

世界上，其中一位能精準合成石墨烯結構的鍊金術師，就是中研院化學所的顏宏儒助研究員。身後的置物架，就是由多個六角形苯環建構而成的石墨烯結構。 攝影│林洵安

顏宏儒比喻，目前石墨烯常見的製備方法，是像小時候我們用美工刀切橡皮擦，把一大塊橡皮擦，切成一小塊，再細切成一層層，如下圖所示。但這樣「由大到小」剝離的石墨烯，所含的碳原子數量不精準，導致難以掌控後續應用於電子元件的效能。

常見的石墨烯製程。 圖說設計│林婷嫻、林洵安

為了精準地合成石墨烯，顏宏儒與實驗室成員逆向操作，透過「由小到大」(bottom-up) 的合成方式，將一個六角型的苯環 (C₆H₆)，接上另一個六角型的苯環 (C₆H₆)，逐步累加、直到所需的碳原子總額，如下圖所示。

顏宏儒實驗室的石墨烯合成方法。 圖說設計│林婷嫻、林洵安

更好的石墨烯電池

戀人之間，若要讓愛持續流動，需要保持剛剛好的距離，鋰電池的原理也是。

石墨烯電池的儲電、供電原理，與陽極上的石墨烯結構。 資料來源│顏宏儒 圖說設計│林婷嫻、林洵安

鋰電池之所以可儲電、供電，是因為電極有剛剛好的空間，讓鋰離子跑來跑去、傳遞電流。若電極的空間太小，鋰離子進不去；若空間太大，對於鋰離子的吸引力又太小。鋰離子跑來跑去的方式，影響著電池的儲能表現。

顏宏儒說明：「我們會先透過理論計算，找出最適合鋰離子跑來跑去的空間，然後在單片石墨烯接上不同大小的原子，調控兩片石墨烯之間的距離，並裝在鋰電池的陽極。」

看元素周期表，就能知道不同原子的大小，並依據理論計算，在單片石墨烯接上指定大小的原子，例如氮原子、氧原子。 資料來源│顏宏儒 圖說設計│林婷嫻、林洵安

精準地合成出石墨烯薄層，再精準地接上所需的原子大小，這種方式大幅提升了石墨烯電池的陽極表現。顏宏儒團隊經過實驗測試（註一），這種石墨烯陽極經過數百次充電與放電循環，呈現很好的耐久性，並且儲電容量是傳統石墨陽極的三倍。

不過，將實驗結果投入業界生產線，並非實驗室現階段的目的。顏宏儒說明：「我們提供了這樣的資訊，證明石墨烯陽極可以達到很好的導電與儲電效果，但坦白說，製備過程需要非常多時間和人力，也需要相對應的陰極來配合供電。」

正在進行有機合成的實驗室成員。 攝影│林洵安

顏宏儒舉例，實驗室花了 12 個月才合成出想要的單片石墨烯結構，多一個或少一個碳原子都不行。而合成出這片結構後，還要經過許多實驗測試、調校等等。

「真的很需要耐心！」顏宏儒擦汗說，這種精準合成石墨烯的方式，不是很容易，可是很有趣、也有挑戰性，對於未來儲能發展也有幫助，「所以我們會繼續往這方向堅持下去。」

採訪編輯：林婷嫻

美術編輯：林洵安

參考資料：

1. (註一) H. J. Yen, H. Tsai, M. Zhou, E. F. Holby, S. Choudhury, A. Chen, L. Adamska, S. Tretiak, T. Sanchez, S. Iyer, H. Zhang, L. Zhu, H. Lin, L. Dai, G. Wu,* H. L. Wang* “Structurally Defined 3D Nanographene Assemblies via Bottom-up Chemical Synthesis for Highly Efficient Lithium Storage” Adv. Mater. 2016, 28, 10250-10256
2. C. Shan,* K. Wu, H. J. Yen, C. N. Villarrubia, T. Nakotte, X. Bo, M. Zhou, G. Wu, H. L. Wang* “Graphene oxides used as a new “dual role” binder for stabilizing silicon nanoparticles in lithium ion battery” ACS Appl. Mater. Inter. 2018, 10, 15665-15672

本文轉載自《研之有物》，一個串聯您與中央研究院的科普橋梁。