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軟碳之預鋰化於鋰離子電容器之應用

為了解決DUCATI 999的問題，作者古智友 這樣論述：

近年來，為因應高功率高能量之儲能需求，新型混合型鋰離子電容器受到學者們關注，其分別由超電容器之正極與鋰離子電池之負極所組成。而鋰離子電容器之負極中最常見之材料為碳材，然而於首次充電時，電解液會於電極材料表面發生化學反應，在負極表面生成鈍化膜，使得溶液中有效鋰離子損失，造成鋰離子電容器效能降低。而預鋰化技術能使負極先生成鈍化膜，並儲存鋰離子，在組裝成鋰離子電容器時，不會使系統內有效鋰離子損失，因此預鋰化技術十分重要。本研究以KOH鹼活化軟碳作為鋰離子電容器之負極碳材，並以電化學預鋰化進行預鋰化，並探討其預鋰化參數。在預鋰化技術中，電化學預鋰化能精準控制預鋰化程度，但耗時長，因此希望能減少其預鋰

化所需之時間。本研究發現，定電壓方法可使預鋰化能更完全，電容量更快達到穩定，使所需循環圈數減少。一般常使用0.1 C進行預鋰化，是因為石墨在低電位時，離子需慢慢擴散至碳層中，而軟碳石墨化程度不完全，具有一定程度之缺陷，故藉由高充放電率使得預鋰化時間減少。但是軟碳於低電位時，鋰離子仍需擴散至碳層內，故在低電位以0.1 C充電，使鋰離子能擴散至碳層中。以預鋰化時間考量，以1 C 充電至0.1 V，再以0.1 C 充電至0.01 V，並於0.01 V定電壓2小時，此兩階段充放電率法，相比傳統預鋰化方法，能減少50 %的預鋰化時間。由於鹼活化軟碳AlSA04其電容量較低，為了提升鋰離子電容器之電化學表

現，希望能使用電容量較高之電極材料，而鹼活化處理使得電容量下降，因此研究未鹼活化處理之軟碳，本研究以四種不同結晶度之軟碳觀察其電容量之影響，從XRD繞射圖與Raman光譜中可以得知四種軟碳具有不同結晶度。而以0.2 C充電、不同充放電率放電下，隨著結晶度愈低，其電容量則愈高；而以相同充放電率充放電之下，在低充放電率下，隨著結晶度愈低，其電容量則愈高；但在高充放電率時，軟碳HCS電容量則最高，其原因為軟碳HCS結晶性較低，鋰離子有足夠之活性位嵌入嵌出，且其層間距也較大，使鋰離子更容易進出碳層，因此在高功率下能有較好的電化學表現。因此軟碳HCS為較適合之負極材料，於10 C時電容維持率相對於0.1

C仍有33 %。在之前的研究發現鹼活化軟碳AlSA04經由電化學活化後，能有效提升其電容值，經過5.4 V電化學活化後，其於2.0 – 4.6 V時有較高的電容值及庫倫效率，最後將軟碳HCS作為負極與鹼活化軟碳AlSA04作為正極組成鋰離子電容器，並以高充放電率下之電容量進行電量平衡，在正負活性材料重量比0.9時，與MCMB / AlSA04鋰離子電容器比較，可以發現在低功率下，兩者皆無太大差異，但當功率提升至10 kW kg-1時，MCMB / AlSA04 幾乎無法儲能，而HCS / AlSA04則仍有能量密度10 Wh kg-1。最後將預鋰化電位控制於0.01 V，使鋰離子充份儲存於負

極材料中，在功率密度10 kW kg-1時，其能量密度高達30 Wh kg-1，且在500 mA g-1下，相對於第一圈，仍具有90.2%的能量密度維持率，有一定程度的循環壽命，凸顯HCS / AlSA04鋰離子電容器在高功率下之優勢。