LỜI CẢM ƠN Sau thời gian tập trung làm luận văn Trường đại học sư phạm Hà Nội Viện Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam, luận văn em hoàn thành Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy Lê Đình Trọng, người trực tiếp hướng dẫn em hoàn thành luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn tiến sĩ Phạm Duy Long, nghiên cứu sinh Tạ Anh Tấn, anh chị phòng Vật lý Công nghệ màng mỏng, phòng chụp XRD, chụp SEM, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam, Trung tâm hỗ trợ nghiên cứu khoa học chuyển giao công nghệ, Trường đại học sư phạm Hà Nội tạo điều kiện giúp đỡ trình chế tạo khảo sát đo đạc mẫu Tôi xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo Trường đại học sư phạm Hà Nội 2, thầy cô phòng Sau đại học giúp đỡ trình học tập tu dưỡng Con xin cảm ơn gia đình ủng hộ, động viên trình làm luận văn Ký tên Đỗ Thị Tố LỜI CAM ĐOAN Luận văn “Nghiên cứu ảnh hưởng kích thước hạt lên đặc trưng tiêm/thoát iôn Liti vật liệu điện cực catốt LiMn2O4” đề tài nghiên cứu khoa học độc lập hướng dẫn tiến sĩ Lê Đình Trọng Tôi xin cam đoan số liệu kết nghiên cứu luận văn trung thực không trùng lặp với đề tài khác Tôi xin cam đoan thông tin trích dẫn luận văn rõ nguồn gốc Ký tên Đỗ Thị Tố MỤC LỤC Trang Lời cảm ơn i Lời cam đoan ii Mục lục iii Danh mục biểu bảng ………………………………………………… v Danh mục hình vẽ, đồ thị vi MỞ ĐẦU NỘI DUNG … Chương TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN CỰC DƯƠNG CHO PIN LITI ION …………… 1.1 Nguồn điện hóa học sở vật liệu 1.1.1 Một vài nét nguồn điện hóa 1.1.2 Pin liti Li-Metal 1.1.3 Pin liti Li-polyme 1.1.4 Pin Li-ion 1.2 Cơ sở lý thuyết vật liệu tích trữ, dẫn ion Li+ 10 1.2.1 Vật liệu tích trữ ion 10 1.2.2 Vật liệu dẫn ion 11 1.3 Đặc trưng cấu trúc, tính chất điện hóa vật liệu điện cực catốt … 17 1.3.1 Đặc điểm chung …………………………………………… 17 1.3.2 Đặc trưng cấu trúc vật liệu điện cực catốt ……………… 18 1.3.3 Tính chất điện hóa vật liệu điện cực catốt ……………… 22 1.4 Đặc trưng cấu trúc ôxít LiMn2O4 23 1.4.1 Khái quát cấu trúc tối ưu cho vật liệu catốt tích thoát ion Li+ 23 1.4.2 Cơ chế vận chuyển ion Li+ 25 1.4.3 Cấu trúc vật liệu LiMn2O4 26 1.4.4 Phổ TGA DTA hỗn hợp MnO2 Li2CO3 ………… 28 Chương CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM …………………… 30 2.1 Các phương pháp chế tạo mẫu …………………………………… 30 2.1.1 Phương pháp phản ứng pha rắn truyền thống ……………… 30 2.1.2 Phương pháp hợp kim học ……………………………… 30 2.2 Các phương pháp nghiên cứu …………………………………… 31 2.2.1 Phép đo phân tích nhiệt (DTA-TGA) ……………………… 31 2.2.2 Kỹ thuật phân tích cấu trúc phổ nhiễu xạ tia X ……… 33 2.2.3 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) …………………………… 34 2.2.4 Phương pháp đo điện hóa …………………………………… 35 2.3 Thực nghiệm chế tạo mẫu ………………………………………… 37 2.3.1 Chế tạo vật liệu LiMn2O4 …………………………………… 37 2.3.2 Chế tạo điện cực catốt LiMn2O4 …………………………… 39 Chương KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ………………………………… 41 3.1 Đặc trưng cấu trúc vật liệu LiMn2O4 ………………………… 41 3.2 Tính chất điện hóa tích thoát ion LiMn2O4 ………………… 45 3.2.1 phổ đặc trưng C-V điện cực LiMn2O4 45 3.2.2 Khảo sát đặc trưng phóng nạp điện cực LiMn2O4 46 3.3 Sự ảnh hưởng kích thước hạt lên đặc trưng điện hóa LiMn2O4 ………………………………………………………………… 48 III.KẾT LUẬN ……………… 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 DANH MỤC CÁC BIỂU BẢNG Trang Bảng 1.1: Một số oxit kim loại chuyển tiếp đặc trưng sử dụng vật liệu catốt cài ion 20 Bảng 1.2: Đặc trưng điện hóa số loại vật liệu điện cực dương 23 Bảng 3.1: đỉnh nhiễu xạ X-Ray tương ứng với mặt phản xạ 42 Bảng 3.2: Sự thay đổi kích thước hạt tinh thể vào thời gian nghiền 44 Bảng 3.3: Dung lượng LiMn2O4 chế tạo chế độ khác 51 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1 Biểu thị so sánh số loại pin nghiên cứu thương mại hóa Hình 1.2 Pin liti: a) Cấu hình tổng quát; b) Khi pin phóng điện Hình 1.3 Mô hình điện hóa pin Li- ion Hình 1.4 Mô hình chuyển động hợp tác ion vật dẫn ion nhanh 15 Hình 1.5 Ô sở lập phương tâm diện 15 Hình 1.6 Cấu trúc mạng tinh thể LiMn2O4 (a) LiCoO2 (b) 21 Hình 1.7 Đặc trưng dung lượng số vật liệu điện cực dương 22 trình nạp (a) phóng (b) (tốc độ C/20) Hình 1.8 Cấu trúc mạng tinh thể LiMn2O4 15 Hình 1.9 Minh họa hiệu ứng méo cấu trúc Jahn – Teller 27 Hình 1.10 Phổ TGA DTG hỗn hợp Li2CO3 MnO2 28 Hình 2.1 Máy nhiễu xạ tia X (SIMENS D-5000) 34 Hình 2.2 Kính hiển vi điện tử quét Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý hệ AutoLab.PGS-30 Hình 2.4 Dạng xung điện Von-Ampe vòng (CV) Hình 2.5: Qui trình chế tạo vật liệu LiMn2O4 35 35 36 38 Hình 2.6: Đế điện cực Hình 2.7: Quy trình chế tạo điện cực Hình 3.1 Giản đồ nhiễu xạ tia x vật liệu LiMn2O4 Hình 3.2 Giản đồ nhiễu xạ tia X vật liệu LiMn2O4 nghiền (a) , nghiền (b) nghiền (c) 39 40 41 43 Hình 3.3: Ảnh SEM mẫu LiMn2O4 nghiền trong: a) giờ; b) c) 44 46 Hình 3.4: Phổ C-V điện cực LiMn O với tốc độ quét 50mV/s Hình3.5: Đường đặc trưng phóng nạp điện cực LiMn2O4 a) Đường biểu diễn nạp với dòng nạp mA b) Đường biểu diễn phóng với dòng phóng mA Hình 3.6: Đường đặc trưng phóng nạp điện cực LiMn2O4 nghiền a) Đường biểu diễn nạp với dòng nạp 5mA b) Đường biểu diễn phóng với dòng phóng mA Hình 3.7: Đường đặc trưng phóng nạp điện cực LiMn2O4 nghiền 47 48 49 a) Đường biểu diễn nạp với dòng nạp mA b) Đường biểu diễn phóng với dòng phóng mA Hình 3.8: Đường đặc trưng phóng nạp điện cực LiMn2O4 nghiền a) Đường biểu diễn nạp với dòng nạp 5mA b) Đường biểu diễn phóng với dòng phóng mA 49 MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Việc cải thiện nâng cao chất lượng môi trường sống tái tạo nguồn lượng vấn đề quan tâm đặc biệt cho sống tương lai người Các nguồn lượng hóa thạch (dầu mỏ, than, khí đốt, ) lượng hạt nhân sử dụng đứng trước nguy cạn kiệt thời gian không xa, khối lượng nhiên liệu hóa thạch có hạn khai thác Thêm nữa, khí bon điôxit (CO2) thải đốt nguyên liệu hóa thạch gây hiệu ứng nhà kính làm tăng nhiệt độ trái đất, điều Arrhenius dự đoán sớm vào năm 1896 [15] Ngày nay, chứng ấm lên trái đất công bố rộng rãi vấn đề môi trường trở nên cấp thiết Các yêu cầu đặt cần phải tạo nguồn lượng không gây tác hại với môi trường để thay nguồn lượng Đã từ lâu nhà hoạch định chiến lược lượng ý đến nguồn lượng xem vô tận - lượng gió, lượng Mặt Trời, … Tuy nhiên dạng lượng thường không liên tục để sử dụng chúng cách thực hữu ích lượng cần phải tích trữ dạng điện Các thiết bị tích trữ điện thông thường loại Pin, ắcquy nạp lại loại tụ điện Tích trữ lượng Mặt Trời qui mô hoá học tốt dạng chất hyđrô sử dụng chất làm nhiên liệu hệ thống pin nhiên liệu để sản xuất điện Con đường phải qua ''pin mặt trời - điều chế hyđrô - pin nhiên liệu'', biến dạng lượng tản mạn mặt trời thành điện ổn định tảng kinh tế tương lai Chẳng nữa, để đáp ứng lại xã hội tiêu dùng cao đảm bảo ô nhiễm, lựa chọn khác ô tô chạy điện ắcquy để không xả khói thải Đáp ứng cho mục tiêu pin nhiên liệu, ắcquy Na/S, ắcquy Ni/MH, ắcquy Li hay ắcquy Li-ion Trong phát triển nguồn điện hệ người ta trọng đến khả nạp lại được, hiệu suất, dung lượng, tuổi thọ chu trình chúng đặc biệt độ an toàn sử dụng Xu tiết kiệm nguyên vật liệu giảm thiểu phế thải vào môi trường hướng tới chế tạo nguồn điện nạp lại ngày tăng Thật vậy, pin kiềm thông dụng Zn/MnO2 dùng lần thị trường có dạng nạp lại hàng trăm chu kỳ sở sử dụng MnO2 biến tính, Li/MnO2 thịnh hành tiền thân nguồn điện Li/MnO2 Li/LiMn2O4 làm việc theo nguyên lí ''Rocking - chair" Trong vài thập kỷ qua, với phát triển mạnh mẽ khoa học công nghệ đại, đặc biệt công nghệ điện tử dẫn đến đời hàng loạt thiết bị không dây Để đảm bảo thiết bị hoạt động tốt cần phải có nguồn lượng phù hợp, có dung lượng lớn, hiệu suất cao, dùng lại nhiều lần đặc biệt gọn nhẹ an toàn Đây mục tiêu nghiên cứu nhà khoa học hướng tới chế tạo loại pin nạp lại được, đặc biệt loại pin nạp lại dạng toàn rắn Ở Việt Nam hướng nghiên cứu vật liệu linh kiện pin iôn rắn quan tâm nghiên cứu số sở Viện khoa học vật liệu, Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội, Đại học Bách Khoa Hà Nội, đạt số kết ban đầu [2], [4] Tuy nhiên dung lượng loại pin nhỏ, hiệu suất chưa cao, phần độ dẫn iôn chất điện li chưa cao, mặt khác nghiên cứu vật liệu làm điện cực catốt điện cực anốt chưa đầy đủ Để góp phần hoàn thiện sở khoa học công nghệ chế tạo nguồn điện hóa có dung lượng lớn, hiệu suất cao, đặt vấn đề “Nghiên cứu ảnh hưởng kích thước hạt lên đặc trưng tiêm/thoát iôn Liti vật liệu điện cực catốt LiMn2O4” Mục đích đề tài - Nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu LiMn2O4 có khả tiêm/thoát ion + Li tốt - Khảo sát ảnh hưởng kích thước hạt vật liệu LiMn2O4 lên đặc trưng tiêm/thoát ion Li+ điện cực catốt Nhiệm vụ nghiên cứu - Tập trung nghiên cứu tổng quan tài liệu đồng thời nâng cao trình độ lí thuyết vật liệu tích trữ, dẫn iôn sở vật liệu LiMn2O4 - Tìm hiểu quy trình công nghệ chế tạo mẫu từ khâu pha trộn chất đến thiêu kết sở chế tạo vật liệu bột phương pháp phản ứng pha rắn kết hợp nghiền bi lượng cao - Nghiên cứu đặc trưng cấu trúc tinh thể vật liệu, đặc trưng điện hóa khả tiêm/thoát, dẫn ion vật liệu đặc biệt khảo sát ảnh hưởng kích thước hạt lên đặc trưng tiêm/thoát vật liệu điện cực catốt LiMn2O4 - Thử nghiệm chế tạo điện cực catốt dùng LiMn2O4 pin ion liti Đối tượng phạm vi nghiên cứu Vật liệu điện cực catốt LiMn2O4 đối tượng nghiên cứu luận văn Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu chủ đạo luận văn thực nghiệm: - Các mẫu vật liệu chế tạo phương pháp gốm, điện cực catốt chế tạo phương pháp phủ trải - Các tính chất vật liệu khảo sát thông qua nghiên cứu cấu trúc tinh thể nhiễu xạ tia X, chụp phân tích ảnh SEM - Các tính chất điện hóa nghiên cứu hệ điện hoá Autolab phép đo phổ tổng trở phổ điện quét vòng (CV), dòng không đổi Những đóng góp đề tài - Đánh giá ảnh hưởng kích thước hạt lên khả tiêm/thoát ion Li+ vật liệu điện cực catốt LiMn2O4 - Với việc nhận kết mới, có tính hệ thống lĩnh vực nghiên cứu có định hướng ứng dụng thuộc chuyên ngành Vật lí Chất rắn, góp phần đẩy mạnh hướng nghiên cứu lĩnh vực iôn học chất rắn 10 Trộn vật liệu với chất kết dính PVDF Phủ trải lên đế điện cực Để khô tự nhiên 12 Sấy khô không khí 80 oC Sấy lò chân không 120 oC Hình 2.7: Quy trình chế tạo điện cực 47 Chương KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Đặc trưng cấu trúc vật liệu LiMn2O4 Cấu trúc tinh thể sản phẩm chế tạo khảo sát phép đo phổ nhiễu xạ tia X (XRD) Cấu trúc vi mô vật liệu đánh giá kính hiển vi điện tử quét (SEM) Vật liệu LiMn2O4 chế tạo phương pháp phản ứng pha rắn theo quy trình trình bày mục 2.3.1 Sau ủ nhiệt 900 oC h, mẫu tiến hành phân tích nhiễu xạ tia X Hình 3.1 cho thấy giản đồ XRD qua bột vật liệu chế tạo Hình 3.1: Giản đồ nhiễu xạ tia X vật liệu LiMn2O4 So sánh giản đồ nhiễu xạ (Hình 3.1) với liệu PDF (số thẻ 35-0782) cho thấy: - Vật liệu LiMn2O4 chế tạo đơn pha, có thành phần hợp thức mong muốn có cấu trúc tinh thể lập phương, thuộc nhóm không gian Fd3m 48 - Các đỉnh đặc trưng xuất mạnh góc 2θ, tương ứng với mặt phản xạ bảng 3.1 Bảng 3.1: đỉnh nhiễu xạ X-Ray tương ứng với mặt phản xạ 2θ Mặt phản xạ 18,6o 36,1o 37,8o 43,8o 48,1o 58,1o 63,8o 67,1o (111) (311) (222) (400) (331) (511) (440) (531) Dữ liệu DPF cho thấy vật liệu có cấu trúc tinh thể lập phương, thuộc nhóm không gian Fd3m Để tính số mạng tinh thể, sử dụng công thức: h k l2    d hkl a b c2 Nếu chọn mặt (111) thì: 3   a= d111 a a d111 d111= 4,747 Å  a = 8,2220 Å Kết cho thấy, thông số mạng hoàn toàn phù hợp với liệu thư viện (a = 8,2476 Å) Hình 3.2 mô tả giản đồ nhiễu xạ tia X qua bột mẫu LiMn2O4 sau ủ 900 oC nghiền máy nghiền Retsch với tốc độ 400 vòng/phút (Hình 3.2a), (Hình 3.2b) (Hình 3.2c) Từ giản đồ XRD hình 3.1 3.2, thấy vị trí đỉnh nhiễu xạ không thay đổi Quá trình nghiền làm thay đổi cường độ độ rộng đỉnh nhiễu xạ Các đỉnh đặc trưng xuất mạnh góc 2θ, tương ứng với mặt phản xạ bảng 3.1 Điều chứng tỏ cấu trúc mạng tinh thể vật liệu LiMn2O4 thay đổi Quá trình nghiền làm thay đổi kích thước hạt tinh thể kích thước hạt vật liệu, không làm thay đổi thành phần pha mẫu 49 Hình 3.4: Giản đồ nhiễu xạ tia X vật liệu LiMn2O4 nghiền (a); nghiền (b) nghiền (c) - Để tính kích thước trung bình hạt, sử dụng công thức Scherrer: D 0,9 .cos Trong đó:  - bước sóng tia X sử dụng (λ = 1,5406 Å);  - độ rộng bán đỉnh;  - góc nhiễu xạ Việc tính toán thực bốn đỉnh nhiễu xạ vị trí ứng với góc nhiễu xạ 2 = 18,6o; 2 = 36,1o; 2 = 43,8o 2 = 63,7o Kết tính toán liệt kê bảng 3.2 Từ bảng 3.2 ta thấy, kích thước hạt tinh thể trung bình vật liệu LiMn2O4 giảm dần thời gian nghiền vật liệu tăng 50 Bảng 3.2: Sự thay đổi kích thước hạt tinh thể vào thời gian nghiền Mẫu LiMn2O4 nghiền LiMn2O4 nghiền LiMn2O4 nghiền Kích thước trung bình 19 nm 17 nm 12 nm a) b) c) Hình 3.3: Ảnh SEM mẫu LiMn2O4 nghiền trong: a) giờ; b) c) Hình 3.3 cho thấy ảnh SEM mẫu bột LiMn2O4 nghiền máy nghiền Retsch khoảng thời gian khác nhau: (Hình 3.3a), (Hình 51 3.3b) (Hình 3.3c) Từ ảnh SEM nhận thấy kích thước hạt vật liệu thay đổi rõ rệt nghiền thời gian khác nhau, thời gian nghiền tăng, kích thước hạt giảm Kích thước hạt ước tính từ ảnh SEM nằm khoảng từ 50 đến 100 nm Vậy, phương pháp phản ứng pha rắn, chế tạo thành công vật liệu LiMn2O4 có dạng đơn pha, có cấu trúc tinh thể lập phương, thuộc nhóm không gian Fd3m, có độ đồng cao có kích thước hạt cỡ nanomét 3.2 Tính chất điện hóa tích thoát ion LiMn2O4 Tính chất điện hóa vật liệu nghiên cứu thông qua việc khảo sát phổ điện quét vòng (CV), khả tích trữ ion Li+ khảo sát phép đo phương pháp dòng không đổi sở pin ion Li với cấu trúc gồm điện cực làm việc chế tạo từ mẫu vật liệu chế tạo (được trình bày mục 2.3.4.2), điện cực đối điện cực chuẩn Pt, dung dịch chất điện phân 1M LiPF6 + cacbonat ethylene + diethyl cacbonat Các phép đo thực hệ AutoLab PSG – 30 3.2.1 Phổ đặc trưng C-V điện cực LiMn2O4 Hình 3.4 mô tả phổ CV điện cực chế tạo từ LiMn2O4 sau thiêu kết mà chế tạo với tốc độ quét 50 mV/s Kết cho thấy phổ C-V có đỉnh anốt hóa 1,75 V/CSE 2,52 V/CSE đỉnh trình catốt hóa 0,68 V/CSE 1,85 V/CSE Điều cho thấy điện cực LiMn2O4 có trao đổi ion với chất điện li mà ion Li+ Nói cách khác điện cực LiMn2O4 thể khả tích thoát ion - đặc trưng quan trọng vật liệu để ứng dụng làm vật liệu điện cực việc chế tạo pin ion Quá trình trao đổi ion Li+ mô tả theo phương trình phản ứng [10,12]: LiMn2O4 ↔ Li0,5Mn2O4 + 0,5 e- + 0,5Li+ (3.1) Li0,5Mn2O4 ↔ λ-MnO2 + 0,5 e- + 0,5 Li+ (3.2) Từ phản ứng điện cực cho thấy vật liệu LiMn2O4 có khả phân li để giải phóng ion Li+ điện tử Vì sử dụng làm điện cực 52 cung cấp ion Li+ linh kiện điện sắc hay pin ion rắn Li sử dụng chúng chất điện ly rắn Hình 3.4: Phổ C-V điện cực LiMn2O4 với tốc độ quét 50mV/s 3.2.2 Khảo sát đặc trưng phóng nạp điện cực LiMn2O4 Để đánh giá khả tiêm thoát ion liti vật liệu LiMn2O4, phép đo dòng không đổi với bình điện phân hai điện cực sử dụng Điện cực làm việc (WE) chế tạo từ LiMn2O4, điện cực đối (SE) sử dụng phép đo Pt Các điện cực nhúng chất điện ly lỏng 1M LiPF6 + ethylene cacbonat + diethyl cacbonat Hình vẽ 3.5 mô tả đặc trưng nạp phóng điện cực LiMn2O4với dòng nạp mA dòng phóng mA nhiệt độ phòng Từ giản đồ ta nhận thấy, với dòng nạp mA, nạp 0,5V/CSE tăng nhanh tới 2,1 V/CSE khoảng thời gian cỡ 10 giây sau nạp giữ ổn định Thế nạp có giá trị từ 2,2 ÷ 2,65 V/CSE giữ khoảng thời gian dài (khoảng 3500 giây) sau bắt đầu tăng nhanh Điện nạp 2,2 ÷ 2,6 V/CSE tương ứng với trình catốt hóa mô tả phương trình (3.1) (3.2) Ta thấy điện nạp chênh 53 lệnh so với điện hóa xác định từ phổ C-V Điều giải thích vật liệu LiMn2O4 có độ dẫn điện tử (khoảng 10-6 Scm-1) Hình3.5: Đường đặc trưng phóng nạp điện cực LiMn2O4 a) Đường biểu diễn nạp với dòng nạp mA b) Đường biểu diễn phóng với dòng phóng mA Trong trường hợp phóng điện với dòng phóng mA có chiều ngược với chiều dòng nạp, ban đầu điện giảm nhanh tới 1,5 V/CSE sau giảm dần theo thời gian Sau thời gian phóng khoảng 3600 s, điện phóng bắt đầu giảm nhanh Như vậy, thấy điện cực LiMn2O4 chế tạo thể tốt khả tích/thoát ion Li+ với điện nạp từ 2,2 ÷ 2,65 V/CSE phóng khoảng từ 1,9 ÷ 0,7 V/CSE Tuy nhiên, dung lượng nạp dung lượng phóng nhỏ so với dung lượng theo lý thuyết (140 mAh/g) Để giải hạn chế này, số hướng nghiên cứu tiến hành Trong luận văn này, tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng kích thước hạt vật liệu lên đặc trưng điện hóa vật liệu điện cực catốt LiMn2O4 54 3.3 Sự ảnh hưởng kích thước hạt lên đặc trưng điện hóa LiMn2O4 Để thay đổi kích thước hạt, vật liệu LiMn2O4 sau thiêu kết 900 oC nghiền máy nghiền Retsch khoảng thời gian khác nhau: giờ, Sau đó, vật liệu ủ nhiệt 600 oC Các sản phẩm thu dùng chế tạo điện cực LiMn2O4 theo quy trình mô tả mục 2.3.4.2 Đặc trưng tiêm/thoát ion Li+ điện cực khảo sát phép đo phương pháp dòng không đổi Hình 3.6, hình 3.7 hình 3.8 mô tả đặc trưng nạp/phóng điện cực chế tạo từ LiMn2O4 sau nghiền với thời gian nghiền tương ứng giờ, và ủ nhiệt 600 oC Tất phép đo thực với dòng nạp mA dòng phóng mA, nhiệt độ phòng Hình 3.6: Đường đặc trưng phóng nạp điện cực LiMn2O4 nghiền a) Đường biểu diễn nạp với dòng nạp 5mA b) Đường biểu diễn phóng với dòng phóng 5mA 55 Hình 3.7: Đường đặc trưng phóng nạp điện cực LiMn2O4 nghiền a) Đường biểu diễn nạp với dòng nạp mA b) Đường biểu diễn phóng với dòng phóng 5mA Hình 3.8: Đường đặc trưng phóng nạp điện cực LiMn2O4 nghiền a) Đường biểu diễn nạp với dòng nạp 5mA b) Đường biểu diễn phóng với dòng phóng 0,2mA 56 Từ giản đồ hình 3.6, nhận thấy điện nạp nhanh chóng đạt 2,0 V/CSE sau giữ giá trị ồn định suốt trình nạp (tăng lên 2,15 V/CSE cuối giai đoạn nạp) Trong giai đoạn phóng, điện giảm nhanh từ 1,9 V/CSE tới 1,4 V/CSE sau giảm chậm, cuối trình điện phóng giảm xuống 1,15 V/CSE Độ chênh lệch trung bình nạp phóng khoảng 1,0 V Từ giản đồ hình 3.7, nhận thấy điện nạp nhanh chóng đạt 1,95 V/CSE sau tăng dần trình nạp (tăng lên 2,9 V/CSE cuối giai đoạn nạp) Trong giai đoạn phóng, điện giảm nhanh từ 1,8 V/CSE tới 1,5 V/CSE sau giảm dần tới 0,7 V/CSE cuối giai đoạn Độ chênh lệch trung bình nạp phóng khoảng 0,3 V Từ giản đồ hình 3.8, nhận thấy điện nạp nhanh chóng đạt 1,95 V/CSE sau giữ giá trị gần không đổi suốt trình nạp (tăng lên 2,05 V/CSE cuối giai đoạn nạp) Trong giai đoạn phóng, điện giảm nhanh từ 1,8 V/CSE tới 1,5 V/CSE sau giảm chậm dần, cuối trình điện phóng giảm xuống 0,7 V/CSE Độ chênh lệch trung bình nạp phóng lớn, khoảng 1,7 V Trong điện cực làm từ bột LiMn2O4 nhận sau thiêu kết 900 oC (giản đồ hình 3.5), nhận thấy điện nạp nhanh chóng đạt 2,1 V/CSE sau tăng dần tới 2,65 V/CSE cuối giai đoạn nạp Trong giai đoạn phóng, điện giảm nhanh từ 1,9 V/CSE tới 1,5 V/CSE sau giảm chậm dần, cuối trình điện phóng giảm xuống 0,7 V/CSE Độ chênh lệch trung bình nạp phóng lớn, khoảng 1,3 V Dựa đặc trưng phóng nạp điện cực làm từ LiMn2O4 chế tạo với chế độ công nghệ khác nhằm thay đổi kích thước hạt, dung lượng vật liệu xác định Kết tính toán dung lượng mẫu vật liệu liệt kê bảng 3.3 Từ kết khảo sát đặc trưng tiêm thoát ion Li+ điện cực, nhận thấy: 57 - Đối với mẫu nghiền ủ nhiệt 600 oC, dung lượng mẫu tăng so với mẫu không nghiền từ 20% ÷ 30% Thời gian nghiền tăng, kích thước hạt nhỏ, dung lượng cao - So với mẫu không nghiền, mẫu nghiền có điện nạp giảm, điện phóng tăng, độ chênh lệch điện nạp điện phóng giảm - Bột nghiền ủ nhiệt có có kích thước hạt, ước tính từ ảnh SEM (Hình 3.3), khoảng 40 ÷ 80 nm có đặc trưng phóng nạp phẳng nhất, độ chênh lệch điện nạp/phóng nhỏ (0,3 V) Bảng 3.3: Dung lượng LiMn2O4 chế tạo chế độ khác Dung lượng Mẫu vật liệu (mAh/g) Điện cực LiMn2O4 không nghiền 82 Điện cực LiMn2O4 nghiền 100 Điện cực LiMn2O4 nghiền 107 Điện cực LiMn2O4 nghiền 119 Sự thay đổi dung lượng quy cho thay đổi kích thước hạt, diện tích bề mặt thay đổi, kích thước hạt nhỏ, diện tích bề mặt lớn, dung lượng lớn Tuy nhiên, thay đổi kích thước hạt (thay đổi cấu trúc vi mô điện cực) làm thay đổi độ dẫn điện vật liệu dẫn đến thay đổi độ chênh lệch điện nạp/phóng khác Tóm lại, phương pháp phản ứng pha rắn truyền thống kết hợp với nghiền bi lượng cao chế tạo thành công vật liệu LiMn2O4 có kích cỡ nano Kết khảo sát đặc trưng điện hóa điện cực chế tạo từ vật liệu LiMn2O4 cho thấy vật liệu sử dụng làm vật liệu điện cực catôt cho pin Li-ion Vật liệu LiMn2O4 có kích thước hạt cỡ 40 ÷ 80 nm có đặc trưng tích/thoát ion Li+ tối ưu nhất: dung lượng cao, đặc trưng tích/thoát phẳng 58 KẾT LUẬN Sau thời gian tập trung nghiên cứu với mục tiêu đặt chế tạo vật liệu LiMn2O4 dùng làm điện cực catôt cho pin Li-ion, kết nghiên cứu ban đầu đạt bao gồm: Đã chế tạo thành công vật liệu spinel LiMn2O4 từ hỗn hợp ôxit MnO2 muối Li2CO3 phương pháp phản ứng pha rắn truyền thống kết hợp với nghiền bi lượng cao Bằng phương pháp này, chế tạo vật liệu có kích thước nano, có độ đồng cao giảm nhiệt độ thời gian thiêu kết Các kết phân tích nhiễu xạ tia X cho thấy vật liệu LiMn2O4 đơn pha bảo đảm thành phần hợp thức Kích thước hạt ước tính từ ảnh SEM cho giá trị cỡ nanomet Các kết nghiên cứu điện hóa khảo sát trình phóng nạp cho thấy vật liệu LiMn2O4 có khả trao đổi tích thoát ion Li+ tốt đáp ứng yêu cầu chế tạo điện cực catôt pin Li-ion Đã nghiên cứu ảnh hưởng kích thước hạt lên đặc trưng tiêm thoát ion Li+ vật liệu điện cực catôt LiMn2O4 Các kết nghiên cứu cho thấy, vật liệu LiMn2O4 nhận sau nghiền lần ủ nhiệt có khả tiêm/thoát ion Li+ tốt với điện nạp thấp, điện phóng cao, đặc trưng tiêm/thoát phẳng, thích hợp cho việc sử dụng làm vật liệu điện cực catôt cho pin Li-ion 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Năng Định (2006), Vật lý kĩ thuật màng mỏng, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội [2] Trương Ngọc Liên (2000), Điện hoá lý thuyết, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [3] Ngô Quốc Quyền (2004), Tích trữ chuyển hóa lượng hóa học, vật liệu công nghệ, Bộ sách chuyên khảo Viện khoa học Công nghệ Việt Nam [4] Lê Đình Trọng, Nguyễn Năng Định, Nguyễn Thị Bảo Ngọc, Vũ Văn Hồng, Đặng Văn Thành (2005), “Vật dẫn ion cấu trúc perovskite: phương pháp chế tạo đặc trưng tính chất”, Báo cáo hội nghị Vật lý toàn quốc lần thứ VI, tập III Tr.1281-1284 Tiếng nước ngoài: [5] Barboux P.,Tarascon J.M and Shokoohi F.K (1991), The use of acetates as the precursors for the low-temperature synthesis of LiMn2O4 and LiCoO2 intercalation compounds, Journal of solid state chemistry, p.185-196 [6] Chuan Wu, Feng Wu, Liquan Chen, Xuejie Huang (2002), “X-ray diffraction and X-ray photoelectron Spectroscopy analysis of Cr-doped Spinel LiMn2O4 for lithium ion batteries”, Solid State lonics vol 152-153, pp 335-339 [7] Dinh N.N., Long P.D and Nguyen T.P (2001), “X-ray photoelectron spectra and optical properties of ITO thin films made by reactive electron beam deposition”, Communications in physics, Vol.11 (3), pp.129-135 [8] Gui-Ming Song, Wen-Jiang Li, Yu Zhou (2004), “Synthesis of Mg-doped LiMn2O4 Powders for lithium-ion batteries by rotary heating”, Materials Chemistry and Physics 1, pp 162-167 [9] JIN Weihua, LI Mingxun and Huang Songtao (2006), “Preparation of modified LiMn2O4 by solid-state reaction”, Rare Metals, Vol 25, Spec Issue, p 71 60 [10].KanohH.,TangW.and OoiK (1998), In Situ Spectroscopic Stady on Electroinsertion of Li+ into Pt/λ MnO2 Electrode in Aqueous Solution, Electrochemical and Solid State Letters (1), p.17-19 [11].Kelong Huang, Bin Peng, Zhenhua Chen, Peiyun Huang (2000), “Preparation, structure and electrochemical properties of spinel Li1−xMn2−yO4 cathode material for lithium ion batteries”, Solar Energy Materials and Solar Cells, Volume 62 pp 177-185 [12].Kim J and Manthiram A (1998), Low temperature synthesis and electrode properties of Li4Mn5O12, J Electrochem.Soc.Vol.145(4), p.L53-L55 [13].Kim du K, uralidharan P, Lee HW, Ruffo R, Yang Y, Chan CK, Peng H, Huggin RA (2008), “Spinel LiMn2O4 nanorods as lithium ion battery cathode”, Nano lett, (11), 39848-39852 [14].Minami T (2008), “Present status of transparent conducting oxide thin-film development for Indium-Tin-Oxide (ITO) substitutes”, Thin Solid Films 516, pp.5822-5828 [15].Mizumoto K., Hayashi S (2000), “Conductivity relaxation in lithium ion conductors with the perovskite-type structure”, Solide State Ionics 116, pp.263269 [16].Mizushima K., Jones P.C., Wiseman P.J., and Goodenough J.B (1980) "LixCoO2 (0