Thạc Sĩ Hiệu ứng pha tạp và độ hạt trong phổ hóa tổng trở của hệ LaNi5-xGex

MỞ ĐẦU

Pin là một thiết bị lưu trữ năng lượng dưới dạng hóa học. Từ khi được sáng chế lần đầu tiên năm 1800 ( pin Volta) bởi Alessandro Volta, pin đã trở thành nguồn năng lượng thông dụng cho nhiều đồ vật trong gia đình cũng như cho các ứng dụng công nghiệp. Có 2 loại pin: pin sơ cấp ( chỉ dùng 1 lần) và pin nạp lại ( được thiết kế để nạp lại nhiều lần). Do có dung lượng lớn và nội trở nhỏ nên hiện nay pin nạp Ni-MH là lựa chọn phổ biến cho các thiết bị tiêu hao năng lượng trung bình như: điện thoại di động, đồng hồ đeo tay, máy ảnh số .

Kỹ thuật pin Ni-MH được Ovonic Battery, một chi nhánh của ECD Ovonics có trụ sở tại Michigan phát triển. Các pin Ni-MH bắt đầu được bán ra công chúng năm 1983. Ni-MH là 1 kiểu pin sạc sử dụng hỗn hợp hấp thu Hydro cho anot, không gây ô nhiễm môi trường. Kim loại trong pin Ni-MH thực chất là hỗn hợp liên kim loại. Nhiều hợp chất được nghiên cứu cho ứng dụng này nhưng hợp chất thường được sử dụng hiện nay là RT5 ( với R – là đất hiếm, B – là Ni, Mn, Co, Al, Fe). Hợp chất LaNi5 đã được sử dụng để làm cực âm trong pin nạp lại Ni – MH do nó có thể hấp thụ và giải hấp thụ một lượng lớn hydro ở điều kiện áp suất và nhiệt độ phòng mà không làm hỏng cấu trúc mạng. Tuy nhiên thời gian sống và các quá trình điện hóa của LaNi5 là kém ổn định. Dung lượng riêng, tốc độ phóng nạp, thời gian sống của pin phụ thuộc rất nhiều vào vật liệu làm điện cực âm gốc LaNi5. Các nghiên cứu cho thấy, khi thay thế một phần Ni bằng các nguyên tố kim loại M chuyển tiếp như : Co, Mn, Fe, Al, Cu thì tính chất điện hóa của vật liệu làm điện
cực thay đổi đáng kể. Dung lượng, thời gian sống và mật độ dòng của pin được cải thiện rõ rệt.

Các nguyên tố như : Co, Mn, Al, Fe, Cu được dùng để thay thế cho một phần Ni chủ yếu là các nguyên tố 3d và có tính hấp thụ lớn. Hydro được tích tụ trong mạng tinh thể vật liệu ở dạng bền vững, nên nó trở thành một dạng bình chứa và dự trữ năng lượng. Các nghiên cứu cho thấy, trong quá trình Hydro hóa, các nguyên tố 3d này bị giải phóng ra khỏi bề mặt điện cực dưới dạng các vi hạt, dẫn đến làm tăng khả năng hấp thụ Hydro [9]. Tuy nhiên, khi thay thế một phần Ni bằng các nguyên tố bán dẫn như Si, Ge thì tính chất của vật liệu cũng thay đổi đáng kể. Điều này chứng tỏ còn có cơ chế khác cải thiện các đặc trưng của pin. Mặt khác, khi thực hiện phóng nạp trong quá trình Hydro hóa, các hạt làm điện cực có kích thước 50µm thường bị vỡ ra. Đây là nguyên nhân làm thay đổi vật liệu đồng thời làm giảm thời gian sống của pin. T.Sakai và cộng sự [10] đã nghiên cứu và chỉ ra rằng : khi kích thước hạt vật liệu làm điện cực là 5µm thì các hạt sẽ không bị vỡ trong khi phóng nạp. Vật liệu có kích thước hạt nhỏ, bề mặt tiếp xúc sẽ lớn, quãng đường khuếch tán của Hydro ngắn. Điều đó sẽ làm tăng tốc độ phóng nạp, dung lượng riêng, và độ bền của pin Ni-MH.

Trong khóa luận này, tôi đã sử dụng Ge để thay thế một phần Ni nhằm nghiên cứu hiệu ứng pha tạp và khảo sát cấu trúc tinh thể, tính chất từ, đặc trưng phóng nạp và ảnh hưởng của độ hạt lên phổ tổng trở của vật liệu LaNi5-xGex.Từ đó , rút ra kết luận ảnh hưởng của nguyên tố Ge tới các đặc trưng của pin Ni-MH.

Nội dung của khóa luận này bao gồm :
 Chương I : TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU RT5
 Chương II : PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
 Chương III : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
 Kết Luận
 Tài liệu tham khảo

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN 1
MỤC LỤC ii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU . iv
DANH MỤC CÁC HÌNH TRONG LUẬN VĂN v
DANH MỤC CÁC BẢNG TRONG LUẬN VĂN . vi
MỞ ĐẦU .1
Chương I : TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU RT5 3
1.1 Cấu trúc vật liệu RT5 .3
1.2 Vai trò của các nguyên tố trong hợp kim 3
1.3 Tính chất từ của vật liệu 5
1.4 Quá trình hấp phụ , hấp thụ và giải hấp thụ của Hydro của vật liệu LaNi5 và ứng dụng làm cực âm trong pin Ni-MH 6
1.4.1 Khả năng hấp thụ và hấp phụ Hydro của các hợp chất RT5 .6
1.4.2 Quá trình hấp thụ và giải hấp thụ của LaNi5 7
1.4.3 Sự hấp thụ Hydro trong các hệ điện hóa .9
1.5 Tính chất điện hóa của hợp chất RT5 làm cực âm trong pin Ni-MH 10
1.5.1 Xác định tính chất bằng phương pháp đo phóng nạp .10
1.5.2 Các tính chất điện hóa của RT5 .11
1.6 Ảnh hưởng của kích thước hạt lên dung lượng pin .12
1.7 Khái niệm về pin nạp lại 14
1.7.1 Các phản ứng chính 14
1.7.2 Sự quá nạp và sự quá phóng .15
1.7.3 Sự tự phóng .17
1.7.4 Thời gian sống 18
CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 20
2.1 Chế tạo mẫu bằng phương pháp nóng chảy hồ quang 20
2.1.1 Chuẩn bị kim loại ban đầu .20
2.1.2 Quy trình chế tạo mẫu bằng phương pháp nóng chảy hồ quang 20
2.1.3 Phương pháp và thiết bị nghiền cơ .22
2.2 Phân tích cấu trúc bằng phương pháp đo nhiễu xạ tia X .25
2.3 Xác định kích thước hạt bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) .26
2.4 Nghiên cứu tính chất từ bằng từ kế mẫu rung 28
2.5 Các phép đo điện hóa 28
2.5.1 Hệ đo điện hóa 28
2.5.2 Chế tạo điện cực âm .29
2.5.3 Đo chu kì phóng nạp 30
2.5.4 Phương pháp đo phổ tổng trở EIS 31
CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 36
3.1 Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X 36
3.2 Kết quả phép đo từ 38
3.3 Đặc trưng phóng nạp của vật liệu .41
3.4. Kết quả đo phổ tổng trờ 43
3.4.1 Phổ tổng trở của các mẫu nghiền thô 44
3.4.2 Sự phụ thuộc của điện trở chuyển điện tích Rct và điện dung lớp điện tích
kép Cdl vào hàm lượng thay thế Ni .45
3.4.3 Ảnh hưởng của thời gian nghiền lên phổ tổng trở 46
KẾT LUẬN .49
TÀI LIỆU THAM KHẢO .50