Thạc Sĩ Vật liệu điện cực dương cấu trúc spinel ứng dụng cho pin sạc liti-ion

LỜI MỞ ĐẦU

Xã hội hiện đại ngày nay phụ thuộc nhiều vào nhiên liệu hóa thạch để cung cấp năng lượng cho cuộc sống hằng ngày của chúng ta. Hiện tượng ấm dần lên toàn cầu và khí hậu thay đổi là một trong số những vấn đề nghiêm trọng mà chúng ta phải đối mặt. Nguyên nhân chính là do tăng nồng độ khí gây hiệu ứng nhà kính, chủ yếu là do đốt nhiên liệu hóa thạch. Việc đốt nhiên liệu hóa thạch trong động cơ xe máy chiếm khoảng 22% lượng khí CO2 thoát ra toàn cầu. Do đó, chúng ta phải cắt giảm việc thải ra khí gây hiệu ứng nhà kính bằng cách sử dụng các nguồn năng lượng sạch và có thể tái sinh (renewable energy). Pin sạc (rechargeable battery) là một hệ thống quan trọng để lưu trữ và chuyển hóa năng lượng. Pin Li-ion là một trong số những pin sạc (pin thứ cấp) có năng lượng riêng cao nhất (hình 1) và là nguồn cung cấp năng lượng hiện đại cho các thiết bị điện tử. Mặc dù pin Li-ion có khả năng lưu trữ năng lượng lớn nhưng nó vẫn chưa đáp ứng yêu cầu làm nguồn năng lượng ứng dụng trong xe điện do hạn chế về năng lượng cũng như là độ tin cậy cần thiết. Mặt khác, thị trường toàn cầu đối với các loại pin sạc nhỏ siêu mỏng là rất ấn tượng và đang phát triển nhanh chóng, chủ yếu là do sự tăng nhanh nhu cầu sử dụng các phương tiện giao tiếp di động và thiết bị điện tử xách tay. Những yếu tố này góp phần thúc đẩy sự phát triển thế hệ pin sạc liti kế tiếp với các đặc tính hoạt động tốt như năng lượng riêng cao, quãng đời chu kỳ dài và vận hành tuyệt đối an toàn. Hoạt tính điện hóa của pin Li-ion được quyết định chủ yếu bởi tính chất vật lý, hóa học và cấu trúc của vật liệu điện cực dương, vật liệu điện cực âm và dung dịch điện li được sử dụng trong hệ pin. Trong phần tổng quan này, chúng tôi giới thiệu về các vật liệu thế hệ mới dùng cho pin sạc Li-ion đang được nghiên cứu trên thế giới và các hướng nghiên cứu phát triển vật liệu cho pin Li-ion hiện nay. Trong đó, chúng tôi chú trọng tìm hiểu về các nghiên cứu hiện nay trong nước và trên thế giới về vật liệu điện cực dương trên cơ sở spinel liti mangan oxít (LiMn2O4). Hướng nghiên cứu của luận văn này tập trung vào việc pha tạp (doping) vật liệu spinel LiMn2O4 bằng kim loại như Ni, Co, Ni và Co để cải thiện độ bền phóng sạc của pin sử dụng spinel này làm cực dương catot.

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i
LỜI MỞ ĐẦU . iii
MỤC LỤC . v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT . viii
DANH MỤC BẢNG BIỂU x
DANH MỤC HÌNH ẢNH . xi
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1
1.1. Nguyên tắc hoạt động pin Li-ion . 1
1.2. Ưu điểm và nhược điểm của pin Li-ion hiện nay trên thị trường 3
1.3 Các đại lượng đặc trưng cho pin sạc . 4
1.4. Vật liệu dùng cho pin Li-ion 11
1.4.1. Vật liệu điện cực âm . 11
1.4.2. Vật liệu điện cực dương 17
1.4.3. Dung dịch điện giải . 21
1.5. Đối tượng và mục đích nghiên cứu 26
1.5.1. Mục đích nghiên cứu 26
1.5.2 Đối tượng nghiên cứu 28
1.6. Các phương pháp nghiên cứu: . 30
1.6.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) . 31
1.6.2 Phương pháp chụp ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) 35
1.6.3 Phương pháp quét thế vòng tuần hoàn CV (Cyclic Voltammetry) 38
1.6.4 Phương pháp phổ tán xạ Raman . 40
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 42
2.1 Hóa chất và thiết bị nghiên cứu 42
2.1.1 Hóa chất 42
2.1.2 Thiết bị 43
2.2 Quy trình chế tạo vật liệu điện cực có cấu trúc spinel . 43
2.2.1 Chế tạo khuôn ép viên và quy trình ép viên . 43
2.1.2 Phản ứng pha rắn tạo spinel . 46
2.3 Chế tạo điện cực màng mỏng 48
2.4 Đánh giá tính chất điện hóa của vật liệu điện cực . 49
2.4.1 Khảo sát động học phản ứng phóng/sạc của màng điện cực . 49
2.4.2 Đánh giá tính chất phóng/sạc của pin mô hình . 50
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 53
3.1 Phân tích cấu trúc và hình thái học của vật liệu tổng hợp 53
3.1.1 Phân tích cấu trúc bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 53
3.1.2 Phân tích cấu trúc trên kính hiển vi điện tử quét (SEM) . 55
3.1.3 Phân tích cấu trúc bằng phổ Raman của các hợp chất spinel 56
3.2 Khảo sát tính chất điện hóa điện cực bằng phép đo CV 61
3.2.1 Spinel LiMn2O4 . 63
3.2.2 Spinel LiNi0.5Mn1.5O4 64
3.2.3 Spinel LiNi0.25Co0.25Mn1.5O4 65
3.2.4 Spinel LiCo0.1Mn1.9O4 67
3.2.5 Spinel LiCo0.2Mn1.8O4 68
3.2.6 Spinel LiCo0.3Mn1.7O4 69
3.2.7 Spinel LiCo0.4Mn1.6O4 70
3.2.8 Spinel LiCo0.5Mn1.5O4 70
3.3 Khảo sát tính chất phóng/sạc của vật liệu bằng pin mô hình Swagelok
. 73
3.3.1 Pin sử dụng vật liệu điện cực dương là LiMn2O4 . 73
3.3.2 Pin sử dụng vật liệu điện cực dương là LiNi0.5Mn1.5O4 74
3.3.3 Pin sử dụng vật liệu điện cực dương là LiCo0.5Mn1.5O4 77
3.3.4 Pin sử dụng vật liệu điện cực dương là LiNi0.25Co0.25Mn1.5O4 79
KẾT LUẬN 82
TÀI LIỆU THAM KHẢO 84
PHỤ LỤC 91