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

Chuyên khảo kỹ thuật phân tích Nghiên cứu tổng hợp composite từ ionic liquid và tio2 tritonx 100 bằng công nghệ plasma định hướng, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng

• 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.

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.

[13] đã thảo luận về sự tiến bộ của chức năng hóa polymer và gốm của màng separator và tầm quan trọng của chúng đối với hiệu suất lưu trữ Li được cải thiện. Lagadec và cộng sự. [14] đã mô tả các kỹ thuật mô tả đặc tính hữu ích để đánh giá các đặc tính của separator. Đánh giá này cung cấp cái nhìn tổng quan toàn diện về đầy đủ các màng separator có liên quan đến LIB.

Phần đánh giá bắt đầu 5 bằng phần tổng quan về các thuộc tính chính của dấu phân cách, giới thiệu các loại separator khác nhau và thảo luận về các điều kiện gây ra lỗi của separator. Thông qua đánh giá về mối quan hệ giữa cấu trúc và tính chất và ảnh hưởng của nó đến hiệu suất điện hóa, các ưu điểm và nhược điểm của màng separator hiện tại bao gồm polyolefin biến tính, vải không dệt, vật liệu tổng hợp gốm, phân tách chức năng oxy hóa khử.2 thể hiện cái nhìn tổng quan về separator. Tổng quan về màng separator 1. Đặc điểm của màng separator Các đặc tính của separator phải đảm bảo khả năng vận chuyển ion, tuổi thọ của tế bào và sự an toàn của pin.

Các đặc điểm sau đây là chìa khóa để phát triển separator cho LIB. Ổn định hóa học Separator phải có tính trơ về mặt hóa học và điện hóa đối với các thành phần tế bào bao gồm chất điện phân, vật liệu hoạt tính, muội than và chất kết dính trong môi trường khử và oxy hóa. Độ dày Separator phải mỏng nhưng đủ bền về mặt cơ học và đủ linh hoạt để chịu được áp lực và sức căng gây ra trong quá trình chế tạo và vận hành ắc quy [13]. Độ dày separator thường dưới 25 μm để giảm thiểu cả chi phí và kích thước [15].

Các màng separator dày hơn (>25 μm) cho thấy độ bền cơ học cao hơn, điều này rất cần thiết trong quá trình lắp ráp ắc quy; tuy nhiên, các separator dày hơn làm giảm động học vận chuyển ion, dẫn đến khả năng tích điện/xả kém hơn [17]. Độ xốp Độ xốp được định nghĩa là phần lỗ rỗng bên trong vật liệu, giúp giữ chất điện phân lỏng và tạo điều kiện khuếch tán Li-ion hiệu quả giữa các điện cực. Độ xốp của màng separator phụ thuộc vào quá trình sản xuất [13]. Các màng separator có độ xốp lớn có thể làm giảm điện trở trong và tạo điều kiện cho việc vận chuyển ion nhanh chóng [18].

Đối với LIB thương mại, độ xốp được khuyến nghị là khoảng 40% [19]. Độ xốp dưới mức tối ưu sẽ gây bất lợi cho tuổi thọ pin, vì các chất điện phân trung gian hoặc đuôi gai có thể chặn các lỗ nhỏ, làm giảm hoặc thậm chí chấm dứt các phản ứng điện hóa [20]. Tuy nhiên, độ xốp vượt quá mức tối ưu có thể làm giảm độ bền kéo và làm suy giảm quá trình phản ứng điện hóa [21]. Hơn nữa, độ xốp cao làm cho màng separator dễ bị chập điện do hình thành Li-dendrites [13].

Độ xốp có thể được đo bằng phương pháp ngâm chất lỏng hoặc phương pháp hấp phụ khí. Kích thước lỗ xốp Các lỗ rỗng phải nhỏ hơn kích thước của các hạt vật liệu điện cực và các chất phụ gia dẫn điện. Các lỗ xốp có sự phân bố kích thước đồng đều là điều mong muốn 7 để đảm bảo sự phân bố dòng điện đồng nhất. Kích thước lỗ trung bình của các màng separator thương mại là 30–200 nm và nhỏ hơn 1 μm [13].

Kích thước lỗ lớn ảnh hưởng đến quá trình tắt máy vì các lỗ lớn không thể đóng lại một cách hiệu quả trong quá trình co ngót hoặc tan chảy của màng [22]. Cấu trúc lỗ rỗng của màng separator có thể được phân tích bằng máy đo độ xốp dòng mao quản và kính hiển vi điện tử quét. Đường dẫn (Tortuosity) Đường dẫn mô tả trạng thái đường đi của liti ion bên trong màng separator. Cấu trúc đường đi của liti ion trong màng separator có thể ngăn chặn sự phát triển của Li-dendrite.

Tuy nhiên, đường đi dài quá làm giảm quá trình tích điện và truyền khối hiệu quả [22,23]. Tính thấm Độ thấm được định nghĩa là thời gian cần thiết để truyền một lượng không khí cụ thể qua một khu vực nhất định của màng separator dưới áp suất đã đặt. Nó được thể hiện dưới dạng giá trị Gurley. Màng separator có độ thấm đồng đều thúc đẩy quá trình vận chuyển ion hiệu quả giữa các điện cực.

Độ thoáng khí là kỹ thuật đo tiêu chuẩn được sử dụng để đo độ thấm và có liên quan chặt chẽ đến độ xốp, độ dày, đường kính lỗ rỗng và đường đi của liti ion trong màng separator. Màng separator polyolefin 1 lớp có giá trị Gurley khoảng 250–570 giây và màng polyolefin ba lớp có giá trị Gurley khoảng 300–600 giây [25]. Độ bền cơ học Các tính chất cơ học được đặc trưng bởi độ bền kéo dọc theo máy và các hướng ngang, khả năng chống rách và độ bền đâm thủng. Màng separator phải bền về mặt cơ học, đặc biệt là theo hướng máy và đủ chắc chắn để chịu được ứng suất gây ra trong quá trình lắp ráp pin cũng như quá trình sạc/xả liên tục [26].

Độ bền kéo là thước đo lực cần thiết để kéo màng separator đến điểm bị đứt. Độ bền kéo 100 MPa thường là yêu cầu tối thiểu cho các ứng dụng thương mại [27]. Khả năng chống rách là mức điện trở của màng ngăn có thể chịu được tác động của vết rách hoặc vết nứt. Màng separator cần có cường độ đâm thủng cao để tránh sự xâm 8 nhập của các hạt trong vật liệu điện cực và bất kỳ sợi nhánh Li nào có dạng kim.

Độ bền đâm thủng được định nghĩa là tải trọng tối đa cần thiết để một cây kim nhất định chọc thủng màng separator và có thể đo được nó bằng máy đo độ bền kéo. Độ bền đâm thủng 300 g là yêu cầu tối thiểu điển hình cho các ứng dụng thương mại [27]. Tính thấm ướt Ái lực/độ ẩm của chất điện phân cao và khả năng giữ chất điện phân là những yêu cầu cơ bản đối với màng separator để cho phép vận chuyển ion đồng nhất và vòng đời của LIB [28]. Phép đo góc tiếp xúc được sử dụng để nghiên cứu khả năng thấm ướt của dải phân cách.

Hấp thu điện giải (Electrolyte uptake) Sự hấp thụ chất điện phân cho biết lượng chất điện phân lỏng được màng separator hấp thụ. Sự hấp thu chất điện giải ảnh hưởng đến độ dẫn ion của tế bào và từ đó ảnh hưởng đến công suất riêng, hiệu suất tốc độ và vòng đời của LIB. Sự hấp thụ chất điện phân càng cao thì khả năng điện hóa càng cao [29]. Co ngót nhiệt Một màng separator có nhiệt độ nóng chảy thấp có xu hướng tan chảy và co lại, gây ra tắc nghẽn lỗ xốp và cuối cùng làm chấm dứt quá trình vận chuyển ion giữa các điện cực [30].

Do đó, một màng separator có độ co ngót <5% trong 60 phút ở 200°C thường được mong muốn đối với LIB [31]. Tính tan chảy được đo bằng phân tích cơ nhiệt [23].