Nghiên cứu tổng hợp composite từ ionic liquid và tio2 tritonx 100 bằng công nghệ plasma định hướng ứng dụng làm chất điện phân thể rắn

Nghiên cứu tổng hợp composite từ ionic liquid và TiO2 bằng công nghệ plasma đang thu hút sự chú ý trong lĩnh vực… 65 trang · Trường Đại Học Phenikaa · 2024.

• Tác giả: Đỗ Danh Hiệu
• Người hướng dẫn: PGS. Đào Văn Dương
• Trường học: Trường Đại Học Phenikaa
• Chuyên ngành: Công Nghệ Vật Liệu
• Đề tài: Nghiên Cứu Tổng Hợp Composite Từ Ionic Liquid Và TiO2 Bằng Công Nghệ Plasma Định Hướng Ứng Dụng Làm Chất Điện Phân Thể Rắn
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu chung về màng separator
• 1.2. Đặc điểm của màng separator
• 1.2.1. Ổn định hóa học
• 1.2.2. Kích thước lỗ xốp
• 1.2.3. Tính thấm ướt
• 1.2.4. Hấp thu điện giải (Electrolyte uptake)
• 1.2.5. Co ngót nhiệt
• 1.2.6. Chức năng Shutdown
• 1.2.7. Phân loại màng separator
• 1.3. Trùng hợp Plasma
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Hóa chất và dụng cụ thiết bị
• 2.2. Dụng cụ thiết bị
• 2.3. Đối tượng nghiên cứu. Phương pháp nghiên cứu. Các phương pháp phân tích
• 2.3.1. Kính hiển vi điện tử quét
• 2.3.2. Quang phổ hồng ngoại
• 2.3.3. Phân tích nhiệt khối lượng
• 2.3.4. Phân tích nhiệt vi sai
• 2.3.5. Phổ tổng trở
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Cơ chế hình thành màng polymer/composite. Quy trình tổng hợp màng composite
• 3.2. Khảo sát hình thái bề mặt của màng thu được
• 3.3. Khảo sát độ dày của màng tổng hợp được
• 3.4. Khảo sát tính phổ FTIR
• 3.5. Phân tích nhiệt khối lượng (TGA)
• 3.6. Phân tích nhiệt vi sai (DTA)
• 3.7. Khảo sát quang phổ tổng trở (EIS)

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Composite Từ Ionic Liquid Và TiO2

Nghiên cứu tổng hợp composite từ ionic liquid và TiO2 bằng công nghệ plasma đang thu hút sự chú ý trong lĩnh vực vật liệu. Composite này không chỉ cải thiện tính chất điện hóa mà còn mở ra hướng đi mới cho các ứng dụng trong ắc quy lithium-ion. Việc sử dụng ionic liquid giúp tăng cường độ bền và khả năng dẫn điện của màng composite, từ đó nâng cao hiệu suất của ắc quy. Công nghệ plasma được áp dụng để tạo ra màng composite với các đặc tính vượt trội, hứa hẹn mang lại nhiều lợi ích cho ngành công nghiệp năng lượng.

1.1. Đặc Điểm Nổi Bật Của Composite Từ Ionic Liquid

Composite từ ionic liquid có nhiều đặc điểm nổi bật như độ bền cao, khả năng dẫn điện tốt và tính thân thiện với môi trường. Những đặc điểm này giúp composite trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng trong lĩnh vực năng lượng, đặc biệt là trong ắc quy lithium-ion. Việc sử dụng ionic liquid không chỉ cải thiện tính chất cơ lý mà còn giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.

1.2. TiO2 Và Vai Trò Trong Composite

TiO2 là một trong những thành phần quan trọng trong composite, đóng vai trò như một chất xúc tác và cải thiện tính chất quang học. Sự kết hợp giữa TiO2 và ionic liquid tạo ra một màng composite có khả năng photocatalytic tốt, giúp nâng cao hiệu suất trong các ứng dụng năng lượng. Nghiên cứu cho thấy rằng việc thêm TiO2 vào composite có thể cải thiện đáng kể độ dẫn điện và độ bền của màng.

II. Thách Thức Trong Nghiên Cứu Composite Từ Ionic Liquid Và TiO2

Mặc dù có nhiều tiềm năng, việc nghiên cứu và phát triển composite từ ionic liquid và TiO2 cũng đối mặt với nhiều thách thức. Một trong những vấn đề chính là việc kiểm soát quá trình tổng hợp để đảm bảo tính đồng nhất và ổn định của composite. Ngoài ra, việc tối ưu hóa các điều kiện phản ứng trong công nghệ plasma cũng là một thách thức lớn. Các yếu tố như nhiệt độ, áp suất và thời gian phơi sáng cần được điều chỉnh cẩn thận để đạt được kết quả tốt nhất.

2.1. Vấn Đề Kiểm Soát Quá Trình Tổng Hợp

Kiểm soát quá trình tổng hợp composite là một thách thức lớn. Các yếu tố như nhiệt độ và áp suất trong công nghệ plasma có thể ảnh hưởng đến tính chất của composite. Việc tối ưu hóa các điều kiện này là cần thiết để đảm bảo rằng composite đạt được các đặc tính mong muốn, như độ bền và khả năng dẫn điện.

2.2. Ảnh Hưởng Của Tính Chất Vật Liệu Đến Composite

Tính chất của các thành phần như ionic liquid và TiO2 có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của composite. Việc lựa chọn đúng loại ionic liquid và tỷ lệ pha trộn với TiO2 là rất quan trọng để đạt được các đặc tính tối ưu cho composite. Nghiên cứu cần tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng của từng thành phần đến tính chất cuối cùng của composite.

III. Phương Pháp Tổng Hợp Composite Từ Ionic Liquid Và TiO2 Bằng Công Nghệ Plasma

Phương pháp tổng hợp composite từ ionic liquid và TiO2 bằng công nghệ plasma là một quy trình tiên tiến, giúp tạo ra màng composite với các đặc tính vượt trội. Quy trình này bao gồm việc sử dụng plasma để kích hoạt các phản ứng hóa học giữa ionic liquid và TiO2, từ đó tạo ra composite với độ bền cao và khả năng dẫn điện tốt. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng công nghệ plasma không chỉ hiệu quả mà còn thân thiện với môi trường.

3.1. Quy Trình Tổng Hợp Composite

Quy trình tổng hợp composite bao gồm các bước như chuẩn bị nguyên liệu, tạo plasma và kết hợp các thành phần lại với nhau. Việc kiểm soát các điều kiện trong từng bước là rất quan trọng để đảm bảo rằng composite đạt được các đặc tính mong muốn. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa quy trình này có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của composite.

3.2. Đánh Giá Tính Chất Composite Sau Tổng Hợp

Sau khi tổng hợp, composite cần được đánh giá để xác định các tính chất như độ bền, khả năng dẫn điện và tính ổn định. Các phương pháp phân tích như SEM, FTIR và TGA thường được sử dụng để đánh giá các đặc tính này. Kết quả cho thấy rằng composite từ ionic liquid và TiO2 có khả năng ứng dụng cao trong các lĩnh vực năng lượng.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Composite Từ Ionic Liquid Và TiO2

Composite từ ionic liquid và TiO2 có nhiều ứng dụng thực tiễn, đặc biệt trong lĩnh vực năng lượng. Một trong những ứng dụng nổi bật là sử dụng composite làm màng ngăn trong ắc quy lithium-ion. Với khả năng dẫn điện tốt và độ bền cao, composite này hứa hẹn sẽ cải thiện hiệu suất và tuổi thọ của ắc quy. Ngoài ra, composite còn có thể được ứng dụng trong các lĩnh vực khác như xử lý nước và năng lượng mặt trời.

4.1. Ứng Dụng Trong Ắc Quy Lithium Ion

Màng composite từ ionic liquid và TiO2 có thể được sử dụng làm màng ngăn trong ắc quy lithium-ion. Với khả năng dẫn điện tốt và độ bền cao, composite này giúp cải thiện hiệu suất và tuổi thọ của ắc quy. Nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng composite này có thể giảm thiểu rủi ro cháy nổ trong ắc quy.

4.2. Ứng Dụng Trong Xử Lý Nước

Composite từ ionic liquid và TiO2 cũng có thể được ứng dụng trong lĩnh vực xử lý nước. Với khả năng photocatalytic tốt, composite này có thể giúp loại bỏ các chất ô nhiễm trong nước, từ đó cải thiện chất lượng nước. Nghiên cứu đang được tiến hành để đánh giá hiệu quả của composite trong các ứng dụng xử lý nước.

V. Kết Luận Và Tương Lai Của Nghiên Cứu Composite Từ Ionic Liquid Và TiO2

Nghiên cứu tổng hợp composite từ ionic liquid và TiO2 bằng công nghệ plasma đã mở ra nhiều hướng đi mới trong lĩnh vực vật liệu. Với những đặc tính vượt trội, composite này hứa hẹn sẽ có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực năng lượng và môi trường. Tương lai của nghiên cứu này sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp và mở rộng ứng dụng của composite trong thực tiễn.

5.1. Tương Lai Của Nghiên Cứu Vật Liệu Composite

Tương lai của nghiên cứu composite từ ionic liquid và TiO2 sẽ tập trung vào việc phát triển các quy trình tổng hợp hiệu quả hơn. Việc tối ưu hóa các điều kiện trong công nghệ plasma sẽ giúp cải thiện tính chất của composite, từ đó mở rộng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

5.2. Định Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo

Định hướng nghiên cứu tiếp theo sẽ là khám phá các loại ionic liquid mới và tỷ lệ pha trộn khác nhau với TiO2. Việc này sẽ giúp tìm ra các công thức composite tối ưu nhất cho các ứng dụng cụ thể. Nghiên cứu cũng sẽ xem xét các phương pháp mới để cải thiện tính chất của composite, từ đó nâng cao hiệu suất trong các ứng dụng thực tiễn.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự phát triển nhanh chóng của các thiết bị điện tử tiêu dùng, xe điện và các hệ thống lưu trữ năng lượng đặt ra yêu cầu ngày càng cao đối với pin lithium-ion (LIB) về mật độ năng lượng, độ an toàn và vòng đời hoạt động. Tuy nhiên, các dòng pin LIB truyền thống sử dụng chất điện phân hữu cơ dạng lỏng thường đi kèm nguy cơ rò rỉ, dễ bay hơi, dễ bốc cháy và nguy cơ đoản mạch nội do sự hình thành của nhánh cây lithium (lithium dendrites). Để khắc phục các hạn chế này, pin ắc quy thể rắn (ASSB) sử dụng chất điện phân rắn được xem là một định hướng công nghệ quan trọng. Trong cấu trúc pin, màng ngăn (separator) hoặc màng điện phân thể rắn đóng vai trò ngăn cách cơ học giữa cực âm và cực dương nhằm chống chập mạch, đồng thời đảm bảo đường truyền dẫn cho các ion lithium di chuyển.

Đề tài đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu tổng hợp composite từ ionic liquid và TiO2, Triton X-100 bằng công nghệ plasma định hướng ứng dụng làm chất điện phân thể rắn" của sinh viên Đỗ Danh Hiệu được xây dựng nhằm kế thừa và phát triển hướng nghiên cứu tổng hợp màng polymer từ chất lỏng ion (ionic liquid) và Triton X-100 bằng công nghệ plasma thân thiện với môi trường. Mặc dù mục tiêu ban đầu hướng tới làm chất điện phân thể rắn cho ASSB, các kết quả khảo sát thực nghiệm ban đầu cho thấy cấu trúc màng thu được đặc biệt phù hợp cho định hướng ứng dụng làm màng ngăn (separator) trong ắc quy lithium-ion.

Mục đích của nghiên cứu: Nghiên cứu tổng hợp màng composite trên cơ sở chất lỏng ion, Triton X-100 và hạt TiO2 bằng công nghệ plasma ở nhiệt độ thấp, áp suất khí quyển, thời gian ngắn, không cần sử dụng hóa chất độc hại, hướng tới khả năng ứng dụng trong pin ắc quy lithium-ion.

Nội dung và nhiệm vụ nghiên cứu (được đánh số theo văn bản):

1. Tổng hợp màng composite từ ionic liquid, Triton X-100 và TiO2 bằng công nghệ plasma.
2. Đánh giá độ dẫn của màng có và không có TiO2.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Màng polymer nền tổng hợp từ chất lỏng ion 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate ([BMIM]BF4) và chất hoạt động bề mặt Triton X-100, kết hợp với pha gia cường hạt vô cơ TiO2 ở các nồng độ khác nhau.
• Phạm vi nghiên cứu: Thực nghiệm được tiến hành tại Trường Đại học Phenikaa (năm 2024), tập trung vào khảo sát các thông số chế tạo bằng phản ứng trùng hợp plasma áp suất khí quyển, khảo sát hình thái bề mặt và độ dày màng thông qua ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM).

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và cơ chế hình thành màng

Nghiên cứu dựa trên cơ sở lý thuyết về phản ứng trùng hợp plasma (plasma polymerization) nhiệt độ thấp. Plasma được tạo ra ở trạng thái không cân bằng nhiệt (nhiệt độ electron đạt khoảng 60.000 K trong khi nhiệt độ của ion và chất khí trung tính chỉ duy trì ở mức 300–500 K). Dưới tác động của chùm plasma áp suất khí quyển, các phân tử monome lỏng bị bắn phá và phân cắt thành các gốc tự do có mạch phân tử ngắn hơn. Sau đó, các gốc này tương tác và tái liên kết để tạo nên các chuỗi đại phân tử có khối lượng phân tử cao hơn (cấu trúc supramolecular). Cơ chế này diễn ra đồng thời giữa ionic liquid và các chuỗi poly(ethylene oxide) của Triton X-100, tạo nên mạng lưới nền polymer rắn liên kết ngang. Hạt TiO2 phân tán vào dung dịch tiền chất đóng vai trò là pha cốt (chất độn gia cường vô cơ), nằm xen kẽ trong mạng polymer nền để tạo thành cấu trúc composite.

Phương pháp nghiên cứu và phân tích thực nghiệm

Nghiên cứu triển khai phương pháp tiếp cận thực nghiệm trong phòng thí nghiệm thông qua các quy trình và kỹ thuật phân tích chuyên biệt:

• Công nghệ trùng hợp plasma pha lỏng: Sử dụng máy plasma áp suất khí quyển tạo phóng điện phát sáng trong môi trường khí Argon (Ar) để kích hoạt phản ứng tạo màng trực tiếp trên phiến kính ở nhiệt độ phòng.
• Phương pháp bóc tách màng: Sử dụng dung môi ethanol để hỗ trợ bóc tách màng polymer/composite ra khỏi đế kính thủy tinh, sau đó rửa sạch bằng axetone và nước cất.
• Kính hiển vi điện tử quét (SEM): Khảo sát hình thái bề mặt, độ nhám, sự phân bố hạt TiO2 và chụp ảnh mặt cắt ngang (cross-section) của màng trên đế Si wafer để xác định chính xác độ dày màng.
• Phổ tán sắc năng lượng tia X (SEM-EDS mapping): Kiểm tra sự phân bố không gian của các nguyên tố cấu thành màng composite.
• Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR): Ghi phổ hấp thụ trong phạm vi từ 4000 cm⁻¹ đến 400 cm⁻¹ để kiểm tra các nhóm chức và liên kết hóa học.
• Phân tích nhiệt khối lượng (TGA) và phân tích nhiệt vi sai (DTA): Đo sự biến thiên khối lượng và các biến đổi nhiệt của mẫu khi nâng nhiệt độ nhằm đánh giá độ bền nhiệt.
• Phổ tổng trở điện hóa (EIS): Đo trên thiết bị IVIUM stat để xác định trở kháng và tính toán độ dẫn ion lithium của màng.

Nguồn hóa chất và dữ liệu

Dữ liệu nghiên cứu được thu thập từ các loạt mẫu thực nghiệm chế tạo thực tế kết hợp đối chiếu các công bố khoa học của Choi và cộng sự, Kumar và cộng sự. Hóa chất sử dụng bao gồm:

• Chất lỏng ion 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate ([BMIM]BF4), hãng Merck / Sigma-Aldrich, khối lượng phân tử 226,02 g/mol, khối lượng riêng 1,21 g/ml.
• Chất hoạt động bề mặt Triton X-100, hãng Merck, công thức C34H62O11, khối lượng phân tử 647 g/mol, khối lượng riêng 1,07 g/ml.
• Bột rắn titan dioxit (TiO2), hãng Thermo Scientific Chemicals, khối lượng phân tử 79,87 g/mol, khối lượng riêng 4,23 g/cm³.
• Dung dịch điện phân lithium hexafluorophosphate 1M (LiPF6, 99,99%) trong dimethyl cacbonat (DMC).

---

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Chương này hệ thống hóa lý thuyết về cấu tạo pin lithium-ion, vai trò của màng ngăn (separator) và nguyên lý công nghệ trùng hợp plasma:

• Yêu cầu đối với màng separator trong LIB: Màng ngăn cần đạt độ ổn định hóa học cao trong môi trường oxy hóa/khử; độ dày thường dưới 25 µm để tối ưu hóa thể tích và động học vận chuyển ion (màng trên 25 µm có độ bền cơ học cao hơn nhưng cản trở ion); độ xốp khuyến nghị khoảng 40%; kích thước lỗ xốp trung bình từ 30–200 nm (dưới 1 µm) để ngăn ngừa đoản mạch bởi các hạt vật liệu điện cực và lithium dendrite; độ thoáng khí Gurley từ 250–570 giây (màng 1 lớp) hoặc 300–600 giây (màng 3 lớp); độ bền kéo tối thiểu 100 MPa; độ bền đâm thủng tối thiểu 300 g; độ co ngót nhiệt dưới 5% sau 60 phút ở 200°C; có chức năng ngắt an toàn (shutdown) khi nhiệt độ tăng cao. Màng separator chiếm khoảng 7,7% cơ cấu chi phí vật liệu trong LIB.
• Phân loại màng separator: Bao gồm màng polyolefin thương mại và màng composite polyolefin phủ gốm.
• Nguyên lý trùng hợp plasma: Phân biệt rõ giữa trùng hợp ở trạng thái plasma (plasma-state polymerization) và trùng hợp do plasma kích động (plasma-induced polymerization). Tác giả so sánh phương pháp phủ plasma với ghép plasma (plasma grafting), chỉ ra rằng trùng hợp plasma giúp tạo lớp màng bao phủ bề mặt đồng đều mà không phụ thuộc vào việc tạo liên kết cộng hóa trị ban đầu trên nền.

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Chương 2 mô tả chi tiết thông số thiết bị, thành phần vật liệu và quy trình chế tạo thực nghiệm 5 hệ mẫu:

• Thông số vận hành thiết bị: Thiết bị plasma sử dụng công suất nguồn 130–150 W, tốc độ dòng khí Argon bảo vệ 5,0–5,5 L/phút, khoảng cách di chuyển bàn mẫu 40 mm, tốc độ dịch chuyển 20 mm/s. Máy lắc tròn vận hành ở tần số 150 rpm.
• Công thức phối trộn mẫu: Nghiên cứu cố định tỷ lệ giữa Triton X-100 (50 µl) và [BMIM]BF4 (1000 µl), thay đổi lượng hạt TiO2 đưa vào hệ mẫu từ 0,0 mg đến 24,8 mg.

Tên mẫu	Thể tích Triton X-100 (µl)	Thể tích Ionic liquid [BMIM]BF4 (µl)	Khối lượng TiO2 (mg)	Tỷ lệ phần trăm khối lượng TiO2 (% KL)
M1	50	1000	0,0	0,00%
M2	50	1000	3,1	0,25%
M3	50	1000	8,2	0,65%
M4	50	1000	12,4	1,00%
M5	50	1000	24,8	2,00%

• Quy trình tổng hợp màng:
  1. Hút 50 µl Triton X-100 trộn với 1000 µl [BMIM]BF4, lắc đều trong 15 phút bằng máy lắc tròn (150 rpm).
  2. Cân khối lượng hạt TiO2 tương ứng và phân tán vào hỗn hợp lỏng.
  3. Dàn đều 0,5 ml hỗn hợp tiền chất lên tấm thủy tinh kích thước 20 × 20 mm.
  4. Đưa mẫu vào buồng xử lý plasma áp suất khí quyển với công suất 150 W, dòng khí Ar 5 L/phút, khoảng cách điện cực đến bề mặt màng là 2 mm, thời gian chiếu plasma trong 15 phút.
  5. Ngâm mẫu đã xử lý vào dung môi ethanol để tách màng khỏi tấm thủy tinh; sau đó rửa nhiều lần bằng axetone và nước cất.
  6. Sấy khô màng trong tủ sấy ở nhiệt độ 60°C trong thời gian 1 giờ.

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Chương 3 trình bày các phát hiện thực nghiệm về cơ chế tạo màng, hình thái bề mặt và kích thước độ dày của màng:

• Cơ chế phản ứng: Quá trình trùng hợp diễn ra giữa các gốc ionic liquid và chuỗi poly(ethylene oxide) của Triton X-100 tạo ra hệ màng polymer thể rắn đóng vai trò pha nền; các hạt vô cơ TiO2 phân bố tạo nên pha cốt composite hoàn chỉnh. Mẫu sau xử lý plasma có sự biến đổi màu sắc rõ rệt so với trạng thái lỏng ban đầu.
• Hình thái học bề mặt (SEM): Ảnh SEM cho thấy màng M1 (không chứa TiO2) có bề mặt tương đối bằng phẳng, độ nhám thấp và chỉ xuất hiện các nếp gấp màng mỏng. Ngược lại, các màng composite M2–M5 có độ nhám tăng lên rõ rệt với sự xuất hiện của các đốm hạt TiO2 màu trắng phân bố trên bề mặt. Mẫu M2 (0,25% TiO2) có mật độ hạt thưa thớt và chưa đồng đều do nồng độ thấp hoặc phân tán chưa kỹ. Ở các mẫu M3 (0,65%), M4 (1,00%) và M5 (2,00%), các hạt TiO2 xuất hiện rõ nét, mật độ dày đặc và độ phân bố đồng đều hơn hẳn.
• Khảo sát độ dày màng (Cross-section SEM): Màng sau khi tổng hợp được chuyển lên đế Si wafer để đo mặt cắt ngang:

Tên mẫu	Nồng độ TiO2 (% KL)	Độ dày màng quan sát qua SEM (µm)	Đặc điểm mặt cắt màng
M1	0,00%	4,88	Bề mặt cắt rất đều, phẳng
M2	0,25%	11,00	Tăng mạnh độ dày, độ đều trung bình
M3	0,65%	12,70	Đạt độ dày lớn nhất trong các mẫu
M4	1,00%	10,90	Độ dày giảm nhẹ so với M3
M5	2,00%	12,40	Độ dày xấp xỉ mẫu M3

Số liệu đo cho thấy màng polymer thuần M1 chỉ đạt độ dày 4,88 µm (tương đồng với giới hạn tối đa ~4 µm ghi nhận trong công bố của Choi và cộng sự). Khi đưa TiO2 vào phối trộn, độ dày màng composite tăng vọt lên khoảng 10,9–12,7 µm (gấp gần 3 lần màng M1). Mẫu M3 (0,65% TiO2) đạt độ dày lớn nhất là 12,7 µm. Sự biến thiên độ dày giữa M2, M3, M4 và M5 không tăng tuyến tính theo nồng độ hạt, cho thấy khi hạt đã phân tán vào mạng polymer thì tỷ lệ % khối lượng không quyết định hoàn toàn độ dày, nhưng sự xuất hiện của pha vô cơ là yếu tố cốt lõi giúp cải thiện cấu trúc cơ lý của màng. Tuy nhiên, về độ phẳng và độ đồng đều tổng thể, màng thuần M1 vẫn có độ đồng nhất cao hơn các màng composite chứa hạt.

---

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

• Tổng hợp thành công hệ màng composite từ chất lỏng ion [BMIM]BF4, Triton X-100 và hạt TiO2 bằng công nghệ plasma áp suất khí quyển ở nhiệt độ phòng trong thời gian 15 phút.
• Khảo sát được ảnh hưởng của hàm lượng hạt pha cốt TiO2 đến hình thái và cấu trúc màng: việc bổ sung TiO2 từ 0,25% đến 2,00% khối lượng giúp tăng độ dày màng từ 4,88 µm (mẫu M1) lên mức 10,9–12,7 µm (tăng gần gấp 3 lần), trong đó mẫu M3 (0,65% TiO2) ghi nhận giá trị độ dày cao nhất (12,7 µm).
• Ảnh SEM mặt cắt ngang và bề mặt chứng minh hạt TiO2 đã phân tán hiệu quả vào nền polymer, làm tăng độ nhám bề mặt và cải thiện độ dày màng so với các phương pháp chế tạo màng plasma không chất độn trước đây.

Giải pháp và đề xuất của tác giả

• Đề xuất quy trình công nghệ tạo màng composite bằng plasma thân thiện môi trường, vận hành trong điều kiện nhiệt độ phòng, áp suất khí quyển, thời gian phản ứng ngắn, không cần dùng các tiền chất độc hại hay dung môi phức tạp.
• Đề xuất điều chỉnh định hướng ứng dụng thực tế: từ định hướng ban đầu là chất điện phân rắn chuyển sang ứng dụng làm màng ngăn (separator) cho pin lithium-ion nhờ các đặc tính độ dày, độ xốp và cấu trúc cơ lý phù hợp.

Đóng góp so với nghiên cứu trước

• Kế thừa nghiên cứu của Choi và cộng sự (vốn chỉ tổng hợp màng polymer thuần từ ionic liquid và Triton X-100 với độ dày bị giới hạn ở mức dưới 4 µm), đề tài đã giải quyết được hạn chế về độ mỏng của màng bằng giải pháp đưa hạt vô cơ TiO2 vào làm pha gia cường, giúp nâng độ dày lên trên 10 µm, tăng cường độ bền cơ lý phục vụ cho lắp ráp pin.
• Ứng dụng kỹ thuật bóc tách màng bằng dung môi ethanol giúp thu hồi màng nguyên vẹn từ đế kính để tiến hành các phép đo đặc tính độc lập.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

• Mức độ đồng đều về độ dày của các màng composite chứa TiO2 còn kém hơn so với màng polymer thuần không chứa hạt.
• Ở nồng độ thấp (0,25% TiO2 ở mẫu M2), hạt vô cơ phân bố chưa đều trên bề mặt, xuất phát từ thao tác khuấy trộn cơ học chưa tối ưu hoặc nồng độ hạt chưa đủ để phân tán đều trong toàn khối dung dịch tiền chất.
• Văn bản báo cáo mới tập trung làm rõ hình thái học bề mặt và độ dày qua kính hiển vi SEM; các số liệu định lượng chi tiết về phổ FTIR, đường cong TGA, giản đồ DTA và độ dẫn ion cụ thể từ phép đo EIS chưa được tác giả trình bày đầy đủ ở phần nội dung tương ứng của văn bản.

Hướng nghiên cứu tiếp

• Cải thiện phương pháp phân tán hạt TiO2 trong dung dịch tiền chất lỏng ion (như áp dụng rung siêu âm thay vì chỉ dùng máy lắc tròn 150 rpm) để nâng cao độ phân tán đồng nhất của hạt ở mọi nồng độ.
• Hoàn thiện các phép đo điện hóa chuyên sâu qua phổ tổng trở EIS nhằm xác định chính xác giá trị độ dẫn ion của màng ở các tỷ lệ TiO2 khác nhau.
• Tiến hành đóng cell pin thực nghiệm (coin cell) để kiểm tra độ bền đâm thủng, độ tương thích với điện cực và khả năng hoạt động trong chu kỳ phóng/nạp thực tế của pin lithium-ion.

---

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, học viên cao học và cán bộ nghiên cứu thuộc các chuyên ngành:

• Công nghệ Vật liệu, Khoa học Vật liệu và Kỹ thuật Polymer: Cung cấp thông tin thực nghiệm cụ thể về phản ứng trùng hợp bằng plasma áp suất khí quyển đối với các hệ chất lỏng ion và chất hoạt động bề mặt.
• Kỹ thuật Hóa học và Công nghệ Pin/Lưu trữ Năng lượng: Cung cấp quy trình chế tạo màng composite vô cơ - hữu cơ định hướng làm màng ngăn (separator) hoặc màng điện phân thể rắn cho pin lithium-ion.

Nội dung có giá trị tham khảo cao nhất trong đồ án là bảng thông số phối trộn thực nghiệm 5 hệ mẫu M1–M5, quy trình thiết lập thông số máy plasma (công suất 150 W, dòng khí Ar 5 L/phút, khoảng cách chiếu 2 mm) và phương pháp ngâm chiết ethanol để bóc tách màng mỏng polymer ra khỏi phiến kính thủy tinh.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Chất lỏng ion và chất hoạt động bề mặt được sử dụng trong đồ án có đặc tính hóa lý gì?
Chất lỏng ion sử dụng là 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate ([BMIM]BF4) của hãng Merck, khối lượng phân tử 226,02 g/mol, khối lượng riêng 1,21 g/ml, bảo quản dưới 30°C. Chất hoạt động bề mặt là Triton X-100 của hãng Merck, khối lượng phân tử 647 g/mol, nhiệt độ sôi 270°C, khối lượng riêng 1,07 g/ml, pH từ 5,0–8,0. Tỷ lệ thể tích phối trộn chuẩn giữa hai chất lỏng này là 50 µl Triton X-100 trên 1000 µl [BMIM]BF4.

2. Các thông số vận hành chính của hệ plasma áp suất khí quyển trong quy trình tạo màng được thiết lập như thế nào?
Trong quy trình tổng hợp mẫu, tác giả sử dụng máy plasma áp suất khí quyển với công suất 150 W, lưu lượng dòng khí Ar là 5 lít/phút, thời gian chiếu plasma liên tục trong 15 phút, và khoảng cách giữa điện cực nguồn phát plasma tới bề mặt màng chất lỏng là 2 mm. Ở phần mô tả thông số chung của máy, thiết bị còn có thông số công suất 130 W, lưu lượng Ar 5,5 lít/phút, tốc độ di chuyển bàn mẫu 20 mm/s và khoảng cách chùm plasma tới tấm kính là 36 mm.

3. Sự bổ sung TiO2 đã làm thay đổi độ dày của màng như thế nào so với màng không chứa TiO2?
Màng polymer M1 không chứa TiO2 có độ dày đạt 4,88 µm. Khi bổ sung TiO2 vào thành phần với các tỷ lệ từ 0,25% đến 2,00% khối lượng, độ dày của màng composite tăng vọt lên mức từ 10,9 µm đến 12,7 µm, tức tăng gấp gần 3 lần so với màng M1.

4. Mẫu thực nghiệm nào đạt giá trị độ dày cao nhất và tỷ lệ khối lượng TiO2 trong mẫu đó là bao nhiêu?
Mẫu đạt độ dày lớn nhất là mẫu M3 với độ dày đo được trên mặt cắt ngang SEM là 12,7 µm. Tỷ lệ TiO2 trong mẫu M3 là 0,65% theo khối lượng (tương ứng với 8,2 mg bột TiO2 phân tán trong hỗn hợp 50 µl Triton X-100 và 1000 µl [BMIM]BF4).

5. Tại sao nghiên cứu ban đầu hướng tới chất điện phân thể rắn nhưng sau đó lại đề xuất ứng dụng làm màng ngăn (separator)?
Theo trình bày của tác giả ở phần mở đầu, mặc dù mục tiêu ban đầu là tổng hợp màng điện phân thể rắn cho pin ASSB, các kết quả khảo sát thực nghiệm ban đầu về độ dày (10,9–12,7 µm), hình thái bề mặt và cấu trúc phân bố hạt cho thấy các đặc tính này phù hợp hơn với các tiêu chuẩn kỹ thuật của màng ngăn (separator) trong pin lithium-ion.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Đỗ Danh Hiệu đã chế tạo thành công màng composite trên cơ sở chất lỏng ion [BMIM]BF4, Triton X-100 và hạt gia cường TiO2 thông qua công nghệ trùng hợp plasma áp suất khí quyển ở nhiệt độ phòng. Kết quả thực nghiệm khẳng định sự xuất hiện của pha hạt vô cơ TiO2 giúp cải thiện đáng kể độ dày màng từ 4,88 µm lên mức cực đại 12,7 µm ở tỷ lệ 0,65% khối lượng, đồng thời làm tăng độ nhám bề mặt so với màng polymer thuần. Quy trình tổng hợp thể hiện ưu điểm về thời gian xử lý nhanh (15 phút), không sử dụng hóa chất độc hại và có khả năng ứng dụng thực tiễn làm màng ngăn an toàn cho pin lithium-ion.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Giới thiệu chung về màng separator Ắc quy lithium-ion (LIB) là nguồn năng lượng hàng đầu trong thiết bị điện tử tiêu dùng và dự kiến sẽ thống trị các thiết bị điện và bộ lưu trữ do mật độ năng lượng và công suất cao, điện áp hoạt động cao và vòng đời dài [1]. Tuy nhiên, việc phát triển LIB đòi hỏi phải nâng cao hơn nữa mật độ năng lượng, vòng đời, độ an toàn và giảm chi phí, tất cả đều chủ yếu dựa vào đặc điểm cấu trúc và hóa lý của các thành phần ắc quy. LIB thương mại bao gồm một số thành phần chính: điện cực dương và âm, bộ thu dòng kim loại, chất điện phân và màng polyme xốp (separator).1 thể hiện các thành phần cơ bản của một LIB.

Mặc dù các thành phần này đóng vai trò quan trọng trong LIB, nhưng các chất điện phân dễ bay hơi và dễ cháy cũng như khả năng oxy hóa cao của cực âm oxit kim loại chuyển tiếp Li làm cho LIB dễ cháy nổ [2]. Theo Cục Hàng không Liên bang, đã có rất nhiều vụ tai nạn liên quan đến pin, liên quan mật thiết đến sự hỏng hóc của các thành phần tế bào [3]. Do đó, việc kiểm tra nghiêm ngặt các đặc tính vật lý/hóa học của các thành phần LIB là hết sức quan trọng để ngăn ngừa lỗi LIB. Sơ đồ minh họa các thành phần chính của LIB 4 Separator là một màng polyme xốp được kẹp giữa các điện cực dương và âm trong LIB, nhằm ngăn chặn sự tiếp xúc vật lý và điện giữa các điện cực trong khi cho phép vận chuyển ion [4].

Mặc dù separator là một thành phần không hoạt động của pin, nhưng các đặc điểm của separator như độ xốp, kích thước lỗ, độ bền cơ học và độ ổn định nhiệt ảnh hưởng đến việc vận chuyển ion, vòng đời, hiệu suất và độ an toàn của pin [5]. Do đó, dấu phân cách đại diện cho một trong những thành phần chính trong LIB. Phát triển separator đối mặt với nhiều thách thức trong tế bào điện hóa, ảnh hưởng đến sự an toàn của tế bào. Quá trình oxy hóa cực âm oxit kim loại và sự khử các điện cực âm trong quá trình tích điện/phóng điện thường dẫn đến sự phân hủy các chất điện phân lỏng hữu cơ, có thể làm tắc nghẽn các kênh dẫn và ảnh hưởng đến chức năng của màng separator [6].

Hơn nữa, các quá trình nạp/xả lặp đi lặp lại có thể dẫn đến sự phát triển của lithium dendrite (Li-dendrite), chất này có thể xâm nhập qua màng separator, dẫn đến tiếp xúc vật lý giữa các điện cực và gây đoản mạch bên trong. Việc xảy ra các tình huống lạm dụng cơ/điện/nhiệt trong quá trình vận hành pin có thể làm hỏng vật lý các màng separator [7,8]. Tất cả những yếu tố này gây ra lỗi cho separator, cuối cùng có thể dẫn đến hỏng pin. Trong trường hợp nghiêm trọng, những hư hỏng này có thể gây cháy hoặc nổ [9].

Thiết kế màng separator với các đặc tính lý tưởng là một cách để tối đa hóa động học vận chuyển điện tích, giảm thiểu sự cố của màng separator và ngăn ngừa hỏng pin sớm. Arora và cộng sự. [10] đã tóm tắt các đặc điểm cơ bản và quy trình sản xuất màng polyolefin. Zhang và cộng sự.

[11] đã thảo luận về các đặc tính và hiệu suất điện hóa của các thiết bị phân tách kết hợp với chất điện phân lỏng. Waqas và cộng sự. [12] đã mô tả tổng quan về các phương pháp được sử dụng để sản xuất nhiều separator, bao gồm polyolefin separator, composite của polyolefin với gốm. Lee và cộng sự.