Báo Cáo Bước đầu điều chế và khảo sát tính năng điện dung của điện cực dioxít mangan/phụ gia cho pin sạc

TÓM TẮT: Từ lâu dioxit mangan đã được sử dụng làm cực dương cho nguồn điện hóa học sơ cấp truyền thống. Hiện nay nhiều nghiên cứu tập trung cải thiện tính năng điện hóa của MnO2 nhằm sử dụng nó làm cực dương cho các pin sạc do tính sẵn có và thân thiện môi trường của MnO2 so với các vật liệu khác.
Trong công trình này đã đồng kết tủa điện hóa hệ MnO2 và phụ gia trên anod graphít từ dung dịch acetat mangan (II). Hình thái học bề mặt và cấu trúc tinh thể được khảo sát bằng các kỹ thuật Hiển vi điện tử quét (SEM), Hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và Phổ Nhiễu xạ tia X (XRD). Phương pháp Quét thế vòng tuần hoàn (CV) được sử dụng để đánh giá các tính năng điện dung của những điện cực được chế tạo. Kết quả nghiên cứu cho thấy một số phụ gia carbon bột mịn đã làm tăng điện dung và cải thiện tính năng điện hóa của điện cực dioxit mangan.
Từ khóa: Đioxít mangan, điện dung riêng, carbon, điện cực tổ hợp, pin sạc.


1.ĐẶT VẤN ĐỀ


Cùng với sự bùng nổ các thiết bị kỹ thuật số cầm tay như laptop, camera, điện thoại di động, pin sạc ngày càng được sử dụng rộng rãi. Các nhà khoa học tại Trung tâm nghiên cứu điện tử - điện từ (LEES) thuộc Viện công nghệ MIT (Mỹ) đã tập trung vào việc sử dụng cấu trúc nano để cải thiện hiệu quả của các thiết bị lưu năng lượng, hay còn gọi là “siêu tụ điện” (ultra-capacitor). Nhóm nghiên cứu khẳng định: “Siêu tụ điện” dùng công nghệ nano sẽ kết hợp được cả tuổi thọ và các đặc tính hiệu suất cao của ultra-capacitor thương mại trên thị trường với mật độ lưu điện cao mà chỉ pin hóa học hiện nay mới có [1].
Có nhiều phương pháp được đề xuất để nâng cao các tính năng của pin sạc: cải thiện dung lượng, tính ổn định, hiệu suất coulomb, tuổi thọ nhằm đáp ứng cả yêu cầu cao về tính chất siêu tụ điện lẫn những tiêu chí an toàn và thân thiện môi trường. Trong những năm gần đây, hợp chất mangan dioxít (MnO2) [2-9] được biến tính bằng carbon được xem là một trong những vật liệu dùng để chế tạo cực dương cho pin sạc được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu do nguồn nguyên liệu của vật liệu này sẵn có từ thiên nhiên và cũng vì tính thân thiện môi trường của hợp chất này.
Công trình này bước đầu điều chế điện cực MnO2 nhằm thỏa mãn các tiêu chí của cực dương cho pin sạc. Mục tiêu của công trình bao gồm: a) Tìm điều kiện tối ưu kết tủa màng MnO2 có kích thước hạt mịn (micron hay nano mét) trên đế graphit; b) Lựa chọn phụ gia carbon thích hợp để cải thiện tính chất điện hoá của màng MnO2.


2. THỰC NGHIỆM


2.1.Chế tạo điện cực mangan dioxit MnO2 và mangan dioxit biến tính bởi các phụ gia carbon MnO2/C



Kết tuả màng MnO2 và MnO2/C bằng phương pháp điện phân thế-thời (chronopotentiometry) ở những mật độ dòng khác nhau từ 0,1 đến 1,0 mA/cm2 trong bình ba điện cực, sử dụng máy Potentio-Galvanostat PGS-HH6D (Viện Khoa học Công nghệ Việt
Nam).
Lõi than graphit được cung cấp bởi Công ty Pin acquy miền Nam PINACO. Bề mặt phẳng của lõi than được dùng làm điện cực làm việc và có diện tích là 0,5 cm2, phần còn lại cuả lõi than được bao bọc bởi nhựa epoxy (Hình 1). Một sợi dây dẫn bằng đồng được nối ra ngoài để thuận tiện trong khi đo điện hoá.




Dây










Epoxy
















Graphit






Hình 1: Điện cực graphit (trên) và mặt cắt ngang (dưới).
Trước mỗi thí nghiệm điện cực làm việc được mài bằng giấy nhám nước mịn P2000, rửa sạch bằng nước, ngâm mẫu trong dung dịch H2SO4 0,2 M trong 10 phút và tiếp tục rửa bằng nước cất. Sau đó ngâm mẫu trong C2H5OH 10 phút và cuối cùng đánh siêu âm trong nước cất 10 phút. Mẫu được để khô trong không khí ở nhiệt độ phòng và sấy ở 100oC trong 2 giờ. Mẫu được lưu trong bình hút ẩm 24 giờ trước khi xác định khối lượng điện cực trước khi điện phân mt bằng cân vi lượng Satorius độ chính xác 0,01 mg (BP 211D, Germany).
Mẫu sau khi xử lý và xác định khối lượng mt được lắp đặt vào hệ điện phân chứa dung dịch acetat mangan (II) 0,16 M trong nước với mật độ dòng i không đổi trong suốt quá trình điện phân. Tổng điện lượng qua điện cực bằng 1 C.
Mẫu sau khi điện phân tạo màng MnO2 được rửa nhiều lần bằng nước cất, để khô ngoài không khí ở nhiệt độ phòng, sau đó sấy mẫu ở 100oC trong 2 giờ. Lưu mẫu trong bình hút ẩm 24 giờ trước khi xác định khối lượng điện cực sau điện phân ms. Khối lượng m hoạt chất MnO2 kết tuả trên điện cực được tính theo công thức:
m = ms – mt (1)
Các phụ gia được sử dụng để biến tính MnO2 bao gồm: cacbon nano tube (CNT) từ SUNANO – China; cacbon nano lỏng (CNL) nồng độ 17% của Khu công nghệ cao Thành phố Hồ Chí Minh (SGHP); cacbon black (Cb) và carbon nhão (Csl), nồng độ 30% cung cấp từ công ty cổ phần mực in SAIGONMIC; cacbon graphit (Cgr) cung cấp bởi Công ty Pin-Ắcquy miền Nam – PINACO; ion Ni2+ lấy từ muối NiSO4. Để đồng kết tủa với MnO2 phụ gia được



cho vào dung dịch điện phân với nồng độ 0,2 g/l đối với phụ gia cacbon và 1% so với nồng độ
Mn2+ đối với phụ gia Ni2+.