Báo Cáo Bước đầu điều chế và khảo sát vật liệu spinel liti-mangan- oxit làm cực dương cho pin sạc liti-ion

TÓM TẮT: Trong công trình này đã sử dụng phương pháp “melting impregnation” để điều chế spinel liti mangan oxit (LiMn2O4) làm vật liệu cực dương thay thế cho pin sạc ion liti từ bốn nguồn nguyên liệu dioxit mangan (MnO2): 1) MnO2 điện hóa (EMD) thương phẩm (do xí nghiệp Pin Con Ó cung cấp), 2) MnO2 điện hóa này đã xử lý nhiệt, 3) MnO2 điều chế bằng phương pháp hóa học (CMD) và 4) MnO2 điều chế bằng phương pháp điện hóa tại phòng thí nghiệm.Cấu trúc tinh thể, sự hiện diện tạp chất, hình thái và kích thước hạt của nguyên liệu MnO2 ban đầu và các spinel tổng hợp được khảo sát bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) và phương pháp chụp ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM).
Tính năng điện hóa của vật liệu spinel liti mangan oxit được đánh giá bằng phương pháp đo đường cong phóng nạp. Kết quả cho thấy spinel được điều chế từ EMD-xử lý nhiệt có dung lượng phóng lớn nhất nhưng mất mát dung lượng từ chu kỳ thứ hai, trong khi spinel được điều chế từ CMD cho mất mát dung lượng phóng thấp nhất.
Từ khóa: Liti-mangan oxit, mangan dioxit, pin liti ion, catod, spinel.


1. GIỚI THIỆU


Do những tính chất vượt trội như mật độ năng lượng cao, điện dung và dung lượng lớn, thời gian sử dụng lâu dài, khả năng sạc điện lại tốt, gọn nhẹ và dễ sử dụng, pin sạc ion liti ngày càng được sử dụng rộng rãi Tuy nhiên, nhược điểm của pin là dùng nguyên liệu cực dương LiCoO2, hợp chất có giá thành sản xuất lớn, gây độc hại với môi trường và con người [1-4]. Một trong những vật liệu thay thế có khả năng thỏa mãn các yêu cầu trên là các hợp chất của mangan đioxit và liti mangan oxit (LiMn2O4) [5-10]. LiMn2O4 có các ưu điểm sau: (i) pin sử dụng vật liệu cực dương LiMn2O4 có hiệu điện thế lớn (khoảng 4 V); (ii) dung lượng thuận nghịch lớn, giá nguyên liệu thấp, ít độc hại, và chu kỳ sống dài.; (iii) cấu trúc spinel LiMn2O4
có các lỗ trống phù hợp cho sự đan xen Li+ mà không bị phá vỡ [11-12].
Hiện nay Việt Nam chưa có cơ sở nào sản xuất pin sạc, các loại pin sạc sử dụng ở nước ta hiện đều nhập từ nước ngoài về với giá cả khá cao. Với hy vọng bước đầu nghiên cứu về loại vật liệu liti mangan oxit để có thể đưa vào sản xuất pin sạc tại Việt Nam, chúng tôi đã chọn phương pháp melting impregnation [13-16] (tạm dịch là phương pháp thấm nóng chảy) để tổng hợp liti mangan oxit. Ngoài ra chúng tôi cũng khảo sát các tính năng điện hóa vật liệu của liti mangan oxit tổng hợp được từ những nguồn nguyên liệu đầu MnO2 dễ kiếm trong nước.


2. THỰC NGHIỆM


2.1 Các nguồn nguyên liệu thô mangan đioxit (MnO2)


a) MnO2 điện hóa công nghiệp do xí nghiệp Pin Con Ó cung cấp (ký hiệu EMDnm)


Theo kết quả phân tích MnO2 điện hóa do Xí nghiệp cung cấp, hàm lượng MnO2 trong EMDnm là 91%.