Luận văn Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất của composite Li₂SnO₃/C làm vật liệu điện cực A-nôt trong pin ion Liti

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất của composite Li₂SnO₃/C làm vật liệu điện cực A-nôt trong pin ion Liti

1. 1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 ---------------------------- 470t NGUYỄN THỊ KIM OANH NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT CỦA COMPOSITE Li2SnO3/C LÀM VẬT LIỆU ĐIỆN CỰC A-NÔT TRONG PIN ION LITI Chuyên ngành: Vật lí chất rắn Mã số: 60 44 01 04 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. LÊ ĐÌNH TRỌNG HÀ NỘI, 2017
2. LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian nghiên cứu cùng với sự hướng dẫn tận tình của PGS.TS. Lê Đình Trọng, luận văn của em đã được hoàn thành. Qua đây em xin tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Lê Đình Trọng, người đã trực tiếp hướng dẫn và đóng góp nhiều ý kiến quý báu trong thời gian em thực hiện luận văn này. Em xin chân thành cảm ơn lãnh đạo trường Đại học sư phạm Hà Nội 2, các thầy cô giáo trong khoa Vật lí trường Đại học sư phạm Hà nội 2 đã tạo điều kiện giúp đỡ cho em hoàn thành luận văn này. Em xin trân trọng cảm ơn Khoa Vật lí trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã giúp đỡ em trong quá trình thực hiện công trình này. Mặc dù có nhiều cố gắng nhưng do hạn chế về thời gian và kiến thức nên chắc chắn luận văn không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự giúp đỡ, đóng góp ý kiến của thầy cô và các bạn học viên để luận văn của em được hoàn thiện hơn. Hà Nội, tháng 9 năm 2017 Học viên Nguyễn Thị Kim Oanh
3. LỜI CAM ĐOAN Luận văn tốt nghiệp của em hoàn thành dưới sự hướng dẫn tận tình của PGS.TS. Lê Đình Trọng cùng với sự cố gắng của bản thân. Trong quá trình nghiên cứu em có tham khảo một số tài liệu của một số tác giả (đã nêu trong mục tham khảo). Em xin cam đoan những kết quả trong luận văn này là kết quả nghiên cứu của bản thân, không trùng với kết quả của tác giả khác. Nếu sai em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Hà Nội, tháng 9 năm 2017 Học viên Nguyễn Thị KimOanh
4. MỤC LỤC MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 1. Lý do chọn đề tài .................................................................................................... 1 2. Mục đích nghiên cứu ............................................................................................. 3 3. Nhiệm vụ nghiên cứu ............................................................................................ 3 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................ 3 5. Dự kiến đóng góp mới ........................................................................................... 3 6. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................... 3 NỘI DUNG ..................................................................................................................... 5 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN CỰC ÂM TRONG PIN ION LITI .................................................................................................................................. 5 1.1. Pin ion liti .............................................................................................................. 5 1.1.1. Pin liti .............................................................................................................. 5 1.1.2. Pin ion liti................................................................................................7 1.2. Đặc trưng cấu trúc, tính chất điện hóa của vật liệu điện cực âm ................. 10 1.2.1. Vật liệu tích trữ ion (đan xen liti) ............................................................... 10 1.2.2. Đặc trưng cấu trúc ....................................................................................... 11 1.2.3. Tính chất điện hóa ........................................................................................ 14 1.2.3.1. Sự phân tầng (staging) và tính chất đan xen điện hóa vào cacbon ...............................................................................................................................14 1.2.3.2. Tính chất của cacbon ......................................................................16 1.3. Đặc trưng cấu trúc, tính chất điện hóa của vật liệu điện cực âm Li2SnO3 ... .. ....18 1.3.1. Đặc trưng cấu trúc ................................................................................18 1.3.2. Tính chất điện hóa .................................................................................20 Chương 2. PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ....................................................... 22 2.1. Các phương pháp chế tạo mẫu được sử dụng: ............................................... 22 2.2. Các phương pháp khảo sát tính chất đặc trưng của vật liệu ......................... 24
5. 2.2.1. Kỹ thuật phân tích cấu trúc bằng phổ nhiễu xạ tia X .............................. 24 2.2.2. Kính hiển vi điện tử quét (SEM) ................................................................. 25 2.2.3. Phương pháp đo điện hóa ........................................................................... 25 2.2.3.1. Phương pháp phổ điện thế quét vòng (Cyclic Voltammetry - CV)........................................................................................................................26 2.2.3.2. Phương pháp dòng không đổi (Chropotentiometry)........................27 2.3. Thực nghiệm chế tạo mẫu ................................................................................. 27 2.3.1. Chế tạo vật liệu Li2SnO3 .............................................................................. 27 2.3.2. Chế tạo vật liệu composite Li2SnO3/C ....................................................... 29 2.3.3. Chế tạo điện cực composite Li2SnO3/C .................................................... 30 Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................. 32 3.1.Đặc trưng cấu trúc của vật liệu composite Li2SnO3/C ................................... 32 3.2. Đặc trưng điện hóa của composite Li2SnO3/C ............................................... 36 3.2.1. Phổ đặc trưng C-V của điện cực Li2SnO3/C ...36 3.2.2. Đặc trưng tiêm/thoát ion liti của composite Li2SnO3/C ..................... .38 KẾT LUẬN ................................................................................................................... 41 CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ...................................................................42 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..... .. 43
6. DANH MỤC BẢNG Bảng 1: Tính chất và hiệu suất của các loại cacbon................................................17
7. DANH MỤC HÌNH Hình 1.1:Cấu hình tổng quát của pin Lithium........................................................... 6 Hình 1.2: Mô hình điện hóa của pin Li-ion. .............................................................. 8 Hình 1.3: Cấu trúc lục giác của lớp cacbon (a), cấu trúc của graphit lục giác (b) và trực thoi (c)................................................................................................ 12 Hình 1.4: Một số thù hình của cacbon: a) kim cương; b) graphit; c) lonsdaleite; d-f) fullerene (C60, C540, C70); g) cacbon vô định hình; h) ống nano cacbon ....................................................................................................... 13 Hình 1.5: Phân loại cacbon bằng pha tiền chất......................................................... 13 Hình 1.6: Điện thế của pin Li/graphit minh họa phân tầng của graphit sau quá trình Đan xen Li [3]........................................................................................... 14 Hình 1.7: Sơ đồ của phân tầng Li trong graphit [3].................................................. 14 Hình 1.8: Điện thế của điện cực âm cacbon trong pin ion Liti trong chu kỳ đầu tiên mô tả dung lượng không thuận nghịch được kết hợp với vật liệu (a) than cốc hoặc (b) graphit nhân tạo [3]............................................................... 15 Hình 1.9: Ảnh hưởng của các loại cacbon làm điện cực anốt lên đặc tính phóng điện của pin ion Liti [3]. ................................................................................... 16 Hình 1.10: Mật độ năng lượng, dung lượng thuận nghịch và không thuận nghịch của các loại cacbon thường được sử dụng làm vật liệu điện cực âm [3].......... 18 Hình 1.11: Cấu trúc tinh thể của Li2SnO3. Thay đổi luân phiên của tấm LiSn2O6 và lớp Li3 trong cấu trúc của Li2SnO3.SnO6 được minh họa như bát diện và các nguyên tử Li xuất hiện dưới dạng quả bóng lớn............................ 19 Hình 2.1: Diễn biến quá trình sol-gel........................................................................ 23 Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý hệ AutoLab PGSTAT302N........................................... 26 Hình 2.3: Dạng xung điện thế trong Von-Ampe vòng (CV).................................... 27 Hình 2.4: Quy trình chế tạo vật liệu Li2SnO3.. ......................................................... 28 Hình 2.5: Quy trình chế tạo composite Li2SnO3/C................................................... 30 Hình 2.6 : Quy trình chế tạo điện cực ... 31
8. Hình 3.1: Giản đồ nhiễu xạ tia X qua bột của Li2SnO3 sau ủ nhiệt trong 5 giờ ở a) 500 oC; b) 600 oC và c) 700 oC.............................................................. ... 32 Hình 3.2: Giản đồ nhiễu xạ tia X qua bột của mẫu sau ủ nhiệt ở 800 oC trong 5 giờ .. ..... .. 33 Hình 3.3:Giản đồ nhiễu xạ tia X qua bột của Li2SnO3/C ................................... ..... 34 o o Hình 3.4: Ảnh SEM bột Li2SnO3 sau khi ủ ở các nhiệt độ: a) 500 C; b) 600 C; o o c) 700 C và d) 800 C............................................................................. . 35 Hình 3.5: Phổ CV của điện cực Li2SnO3/C với tốc độ quét 5 mV/s....................... . 37 Hình 3.6: Đường đặc trưng tích/thoát của điện cực Li2SnO3/C ở chu kỳ đầu tiên.. ................................................................................................................................. 39 Hình 3.7: Sự suy giảm dung lượng tích/thoát của điện cực Li2SnO3/C theo Chu kỳ...................................................................................................... . 40
9. 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Ngày nay, năng lượng là vấn đề nóng bỏng đối với mọi quốc gia trên toàn thế giới. Xã hội càng phát triển, mức tiêu thụ năng lượng theo đầu người ngày càng gia tăng với thời gian. Dân số thế giới gia tăng không ngừng, mức tiêu thụ lớn và tăng nhanh trong khi nguồn năng lượng ngày càng cạn kiệt đang đẩy thế giới vào một sự khủng hoảng trầm trọng về năng lượng. Việc cải thiện nâng cao chất lượng môi trường sống và tái tạo các nguồn năng lượng đã và đang là những vấn đề được quan tâm đặc biệt cho cuộc sống hiện tại và trong tương lai của con người. Các nguồn năng lượng hóa thạch (dầu mỏ, than, khí đốt,...) và năng lượng hạt nhân đang được sử dụng hiện nay đang đứng trước nguy cơ cạn kiệt trong một thời gian không xa, do khối lượng các nhiên liệu hóa thạch là có hạn và đã được khai thác. Thêm nữa, khí các bon điôxit (CO2) thải ra khi đốt các nguyên liệu hóa thạch sẽ gây ra hiệu ứng nhà kính làm tăng nhiệt độ trái đất. Ngày nay, những bằng chứng về sự ấm lên của Trái Đất đã được công bố rộng rãi và vấn đề môi trường đã trở nên cấp thiết. Các yêu cầu đặt ra hiện nay là cần phải tạo ra các nguồn năng lượng mới sạch hơn không gây ra tác hại với môi trường để thay thế các nguồn năng lượng trên. Đã từ lâu các nhà hoạch định chiến lược về năng lượng đã chú ý đến nguồn năng lượng được xem như vô tận - đó là năng lượng gió, năng lượng Mặt Trời, Tuy nhiên các dạng năng lượng này thường không liên tục vì vậy để có thể sử dụng chúng một cách hiệu quả thì các dạng năng lượng này cần phải được tích trữ dưới dạng điện năng. Các thiết bị có thể tích trữ điện năng hiện nay thường là các loại Pin, ắcquy nạp lại được hoặc các loại tụ điện. Ngoài ra, trong vài thập kỷ qua, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ hiện đại, đặc biệt là công nghệ điện tử dẫn đến sự ra đời hàng loạt các thiết bị không dây (máy tính xách tay, điện thoại di động, các thiết bị vũ trụ, hàng không,...). Để đảm bảo các thiết bị hoạt động được tốt cần phải có những nguồn năng lượng phù hợp, có dung lượng lớn, hiệu suất cao, có thể dùng lại nhiều lần và
10. 2 đặc biệt là gọn nhẹ và an toàn. Đây là mục tiêu hướng tới trong các nghiên cứu chế tạo các loại pin ion nạp lại được. Hiện nay có 3 loại pin đã và đang được dùng phổ biến, đó là: pin Nickel − Cadmium (NiCd), pin Nickel Metal Hydride (NiMH), pin Liti và Liti- ion. Pin liti sử dụng liti kim loại làm điện cực anôt có dung lượng lớn, điện thế hoạt động cao, hiện đang được sử dụng phổ biến nhất [1,3,4]. Nó xuất hiện hầu hết trên các mẫu điện thoại, máy tính xách tay, máy nghe nhạc, máy ảnh, Tuy vậy, pin liti cũng tồn tại một số hạn chế nguyên do hoạt tính hóa học mạnh của liti kim loại nên đòi hỏi công nghệ chế tạo cao, giá thành sản phẩm đắt và đặc biệt là độ an toàn không cao khi sử dụng. Để giải quyết vấn đề an toàn, điện cực anôt bằng liti kim loại đã được thay thế bằng các vật liệu có khả năng tích/thoát ion liti. Pin có cấu tạo như vậy được gọi là pin Li-ion. Pin Li-ion đã được tạp chí Automobile bình chọn là công nghệ của năm 2010. Có thể nói đến 90% các thiết bị di động hiện nay đều dùng loại pin này do nhiều ưu điểm so với NiCd và NiMH, ví dụ như: gọn nhẹ do có khả năng lưu trữ năng lượng lớn. Điều này có nghĩa mật độ năng lượng của pin Li-ion rất cao; hao phí thấp; không bị “hiệu ứng nhớ”, có nghĩa là chúng ta không phải dùng hết sạch trước khi nạp như với một số pin hóa học khác. Mặc dù rất phổ biến, nhưng giá thành còn cao do vậy pin Li-ion vẫn nhận được sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học nhằm nâng cao dung lượng, hạ giá thành sản phẩm. Ở Việt Nam, hướng nghiên cứu về vật liệu và linh kiện pin ion cũng đã được quan tâm nghiên cứu ở một số cơ sở như Viện Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Đại học Bách khoa Hà Nội, Đại học Khoa học Tự nhiên thành phố Hồ Chí Minh,... và đã đạt được một số kết quả ban đầu, ví dụ: đã chế tạo + thành công vật liệu rắn dẫn ion Li ngay tại nhiệt độ phòng LiLaTiO3 và bước đầu thử nghiệm chế tạo pin ion toàn rắn [5-7]. Tuy nhiên dung lượng của loại pin này còn nhỏ, hiệu suất chưa cao, một phần vì độ dẫn ion của chất điện ly chưa cao, mặt khác sự nghiên cứu về vật liệu làm điện cực catốt cũng như điện cực anốt chưa đầy đủ.