Nghiên Cứu Vật Liệu Composit Ôxít Sắt/Các Bon và Tính Chất Điện Hóa

Tài liệu nghiên cứu Nghiên cứu chế tạo vật liệu composit oxit sắtcác bon định hướng ứng dụng trong tích trữ năng lượng, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên

• Tác giả: Trịnh Tuấn Anh
• Người hướng dẫn: TS. Bùi Thị Hằng
• Trường học: Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Khoa học Vật liệu
• Đề tài: Nghiên Cứu Vật Liệu Composit Ôxít Sắt/Các Bon và Tính Chất Điện Hóa
• Loại tài liệu: luận án
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về Nghiên cứu Vật liệu Composit Ôxít Sắt Các Bon

Nghiên cứu về vật liệu composit ôxít sắt/các bon đang thu hút sự chú ý lớn trong lĩnh vực năng lượng tái tạo. Các vật liệu này không chỉ có khả năng lưu trữ năng lượng hiệu quả mà còn góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Việc phát triển các loại pin mới, đặc biệt là pin kim loại - khí, đang trở thành một xu hướng quan trọng. Trong bối cảnh đó, ôxít sắt và các bon được xem là những thành phần chính trong việc chế tạo các điện cực cho pin Fe - khí.

1.1. Khái niệm cơ bản về Vật liệu Composit

Vật liệu composit là sự kết hợp của hai hoặc nhiều vật liệu khác nhau để tạo ra một sản phẩm có tính chất vượt trội. Trong nghiên cứu này, ôxít sắt và các bon được kết hợp để tạo ra vật liệu có khả năng điện hóa tốt hơn, từ đó nâng cao hiệu suất của pin.

1.2. Tầm quan trọng của Nghiên cứu Vật liệu Composit

Nghiên cứu vật liệu composit không chỉ giúp cải thiện hiệu suất của pin mà còn mở ra hướng đi mới cho các ứng dụng trong lĩnh vực năng lượng. Việc phát triển các vật liệu này có thể giúp giảm chi phí sản xuất và tăng tính bền vững cho các sản phẩm năng lượng.

II. Thách thức trong Nghiên cứu Vật liệu Composit Ôxít Sắt Các Bon

Mặc dù có nhiều tiềm năng, nhưng việc phát triển vật liệu composit ôxít sắt/các bon cũng gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như độ ổn định của vật liệu, khả năng dẫn điện và khả năng tương thích giữa các thành phần là những yếu tố cần được giải quyết. Những thách thức này không chỉ ảnh hưởng đến hiệu suất của pin mà còn đến khả năng thương mại hóa sản phẩm.

2.1. Độ ổn định của Vật liệu Composit

Độ ổn định của vật liệu composit là một yếu tố quan trọng quyết định đến tuổi thọ và hiệu suất của pin. Các nghiên cứu cho thấy rằng sự phân hủy của ôxít sắt trong môi trường ẩm có thể làm giảm đáng kể hiệu suất của điện cực.

2.2. Khả năng dẫn điện của Vật liệu

Khả năng dẫn điện của vật liệu composit là yếu tố quyết định đến hiệu suất điện hóa. Việc tối ưu hóa tỷ lệ giữa ôxít sắt và các bon có thể cải thiện đáng kể khả năng dẫn điện của điện cực, từ đó nâng cao hiệu suất của pin.

III. Phương pháp Nghiên cứu Vật liệu Composit Ôxít Sắt Các Bon

Để đạt được mục tiêu nghiên cứu, hai phương pháp chính đã được áp dụng: phương pháp nghiền trộn và phương pháp thủy nhiệt. Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu cuối cùng. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp là rất quan trọng để tối ưu hóa các đặc tính điện hóa của vật liệu.

3.1. Phương pháp Nghiền Trộn

Phương pháp nghiền trộn sử dụng vật liệu Fe2O3 thương mại để tạo ra vật liệu composit. Phương pháp này cho phép kiểm soát tốt hơn về kích thước và hình thái học của hạt, từ đó cải thiện đặc tính điện hóa của điện cực.

3.2. Phương pháp Thủy Nhiệt

Phương pháp thủy nhiệt cho phép tổng hợp vật liệu Fe2O3 với kích thước và hình dạng mong muốn. Quy trình này giúp tạo ra các vật liệu có đặc tính điện hóa tốt hơn, phù hợp cho ứng dụng trong pin Fe - khí.

IV. Ứng dụng Thực tiễn của Vật liệu Composit Ôxít Sắt Các Bon

Vật liệu composit ôxít sắt/các bon có nhiều ứng dụng thực tiễn trong lĩnh vực năng lượng, đặc biệt là trong các loại pin. Việc sử dụng các vật liệu này có thể giúp cải thiện hiệu suất và độ bền của pin, từ đó thúc đẩy sự phát triển của các phương tiện giao thông thân thiện với môi trường.

4.1. Ứng dụng trong Pin Fe Khí

Pin Fe - khí sử dụng vật liệu composit ôxít sắt/các bon có thể cung cấp dung lượng cao và an toàn hơn so với các loại pin truyền thống. Điều này giúp tăng cường khả năng lưu trữ năng lượng cho các phương tiện điện.

4.2. Tiềm năng trong Năng lượng Tái Tạo

Vật liệu composit này cũng có thể được ứng dụng trong các hệ thống năng lượng tái tạo, giúp tối ưu hóa việc lưu trữ và sử dụng năng lượng, từ đó góp phần vào việc giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

V. Kết luận và Tương lai của Nghiên cứu Vật liệu Composit

Nghiên cứu về vật liệu composit ôxít sắt/các bon đang mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực năng lượng. Với những tiến bộ trong công nghệ chế tạo và nghiên cứu, tiềm năng ứng dụng của các vật liệu này trong pin Fe - khí và các hệ thống năng lượng tái tạo là rất lớn. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều giải pháp bền vững cho vấn đề năng lượng hiện nay.

5.1. Hướng đi Nghiên cứu Tiếp theo

Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình chế tạo và cải thiện tính chất điện hóa của vật liệu. Việc tìm kiếm các chất phụ gia mới có thể giúp nâng cao hiệu suất của điện cực là một hướng đi tiềm năng.

5.2. Tầm quan trọng của Hợp tác Nghiên cứu

Hợp tác giữa các nhà nghiên cứu và các tổ chức công nghiệp sẽ là yếu tố quyết định trong việc thương mại hóa các sản phẩm từ vật liệu composit ôxít sắt/các bon. Sự kết hợp này sẽ giúp đẩy nhanh quá trình phát triển và ứng dụng các công nghệ mới.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ PIN Hiện tại hai phần ba năng lượng chúng ta tiêu thụ trên toàn thế giới đến từ nhiên liệu hóa thạch. Do tính không bền vững và ảnh hưởng môi trường của nhiên liệu hóa thạch đã thúc đẩy đa dạng hóa các nguồn năng lượng bao gồm các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng thủy triều, năng lượng địa nhiệt. Sản xuất năng lượng từ các nguồn tái tạo đã tăng với tốc độ đáng kể từ cuối những năm 1990, với tốc độ tăng trưởng 2,3% mỗi năm.

Tuy nhiên, bản chất không liên tục của các nguồn năng lượng tái tạo đòi hỏi các hệ thống lưu trữ năng lượng quy mô lớn để lưu trữ và phân phối năng lượng theo yêu cầu. Theo các báo cáo mới đây, phần lớn xăng, dầu tiêu thụ trên thế giới là dành cho nhu cầu của giao thông vận tải. Trong đó, dầu chiếm 34% mức tiêu thụ năng lượng thế giới và là nguyên nhân tạo ra 40% tổng lượng khí thải CO2 trên toàn thế giới. Vì vậy, điện khí hóa vận tải cũng là một trong những mục tiêu lớn nhất để giảm tác động của sự nóng lên toàn cầu.

Như vậy để lưu trữ và sử dụng năng lượng cho điện khí hóa vận tải, các nghiên cứu đã tập trung vào các thiết bị lưu trữ năng lượng, trong đó có nguồn năng lượng điện hóa là nguồn sử dụng các hợp chất hóa học và các phản ứng ôxy hóa - khử để lưu trữ năng lượng điện. Các nguồn năng lượng này được chia thành hai loại: hệ thống lưu trữ năng lượng (ví dụ: pin và siêu tụ điện) và hệ thống chuyển đổi năng lượng (ví dụ: pin mặt trời), trong đó pin thích hợp cho các ứng dụng yêu cầu mật độ năng lượng trung bình và các siêu tụ điện ứng dụng trong các thiết bị yêu cầu mật độ năng lượng cao hơn [1-3]. Pin là một thiết bị có khả năng chuyển đổi trực tiếp năng lượng hóa học chứa trong các vật liệu hoạt động của pin tạo thành năng lượng điện thông qua các phản ứng ôxy hóa - khử. Để tạo ra các pin có thế và dòng phù hợp cho các ứng dụng khác nhau, các pin đơn có thể được kết nối với nhau tạo thành các hệ pin.

Pin được phân ra thành hai loại: pin sơ cấp và pin thứ cấp. Pin sơ cấp là loại pin không sạc (nạp) lại 11 được, được thiết kế để dùng một lần, ngược lại pin thứ cấp là loại pin được thiết kế sạc lại được nhiều lần. Pin có mật độ năng lượng cao là yếu tố quan trọng nhất để ứng dụng cho các loại phương tiện và lưu trữ năng lượng từ năng lượng tái tạo để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của xã hội. Việc lựa chọn pin phụ thuộc rất nhiều vào thiết bị sử dụng chúng.

Một số hệ pin đã được phát triển trong 100 năm qua từ pin điện cực Ni (Ni - Cd, Ni - MH, Ni - Zn, Ni - Fe và NaNiCl2), pin ôxy hóa - khử (Vanadi, Zn - Br, Zn - Cl, Fe - Cr, V - Br và Zn - Ce), NaS và pin kim loại - khí (Li - khí, Fe - khí, Zn - khí, Al - khí và Mg - khí) [4, 5]. Sự phát triển của các loại pin phản ánh rõ rệt nhất sự phát triển vượt bậc của các thiết bị điện tử xách tay, xe máy, ô tô, máy bay, tàu thuyền… Một số loại pin thông dụng được thể hiện trên Hình 1. Một số loại pin thông dụng Cấu tạo cơ bản của pin gồm: Ca tốt - điện cực dương, A nốt – điện cực âm và chất điện ly. 12 Ca tốt (điện cực ôxy hóa) là điện cực nhận điện tử (electron) từ mạch ngoài và bị khử trong quá trình phản ứng điện hóa.

Ca tốt cần thỏa mãn các yêu cầu sau: là một chất ôxy hóa mạnh, ổn định khi tiếp xúc với chất điện ly. Các vật liệu ca tốt thông thường là ôxit kim loại, ngoài ra còn có ôxy, các halogen, lưu huỳnh [5-7]. Chất điện ly hay chất dẫn ion: cung cấp môi trường truyền ion bên trong pin giữa hai điện cực a nốt và ca tốt. Chất điện ly thường là chất lỏng như nước hoặc các dung môi khác có hòa tan các muối, axit hoặc kiềm để dẫn ion.

Chất điện ly phải có độ dẫn ion tốt nhưng không dẫn điện vì điều này có thể dẫn đến sự đoản mạch. Các đặc tính quan trọng khác của chất điện ly là ổn định trong nhiệt độ làm việc của pin, an toàn trong sử dụng và chi phí sản xuất thấp. Một số pin sử dụng chất điện ly ở thể rắn, ion được dẫn ở nhiệt độ hoạt động của pin [5-9]. Các thông số hiệu suất của pin như mật độ năng lượng, dung lượng, thời gian sống được xác định bằng sự kết hợp các tính chất lý hoá của a nốt, ca tốt và chất điện ly [5-12].

MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1. Dung lượng lý thuyết Dung lượng lý thuyết của một pin điện hóa được xác định bởi lượng vật liệu hoạt động chứa trong pin. Nó được biểu thị bằng tổng lượng điện tham gia phản ứng điện hóa và được xác định bằng Cu lông (C) hoặc ampe - giờ (Ah). Như vậy "Dung lượng ampe - giờ" của pin phụ thuộc vào lượng điện tích thu được từ vật liệu hoạt động điện cực.

Phương trình 1.1 là công thức tính dung lượng của pin: (Ah) (1.1) Trong đó Ca là dung lượng, I: dòng điện, t: thời gian Như ta đã biết, đương lượng gam là khối lượng nguyên tử hoặc phân tử của vật liệu hoạt động tính bằng gam chia cho số lượng điện tử tham gia phản ứng. Về mặt lý thuyết, một đương lượng gam vật liệu sẽ cho 96,487 C hoặc 26,8 Ah. Dung lượng lý thuyết của một pin điện hóa chỉ dựa trên các vật liệu tham gia phản ứng điện hóa được tính toán từ đương lượng của các chất phản ứng. 13 Dung lượng riêng là dung lượng trên một đơn vị khối lượng (thể hiện bằng Ah/kg hoặc Ah/g).

Từ công thức (1.1) trên ta thấy dung lượng của pin phụ thuộc vào cường độ dòng điện, nghĩa là phụ thuộc vào lượng điện tích thu được từ vật liệu hoạt động điện hóa. Năng lượng lý thuyết Năng lượng của một nguồn điện là tích số của dung lượng (Ca) với điện thế trung bình (V). Khi phóng điện với cường độ dòng điện I không đổi thì năng lượng A sẽ bằng: (Wh) (1.2) Năng lượng lý thuyết là giá trị năng lượng (Wh) lớn nhất mà một hệ điện hóa tạo ra. Năng lượng riêng là năng lượng trên một đơn vị khối lượng (đơn vị là Wh/kg).

Mật độ năng lượng là năng lượng trên một đơn vị thể tích (đơn vị là Wh/L). Dung lượng của một pin điện hóa cũng có thể được xem là năng lượng (Wh) tính trên cơ sở cả điện áp (V) và lượng điện (Ah) tham gia phản ứng. TỔNG QUAN VỀ PIN KIM LOẠI - KHÍ Pin kim loại - khí được biết đến với nhiều ưu thế vượt trội so với các hệ pin khác như dung lượng và năng lượng lý thuyết cao, được kỳ vọng có thể ứng dụng trong xe điện. Tuy nhiên, việc ứng dụng thực tế của pin kim loại - khí vẫn còn hạn chế do một số thách thức về mặt công nghệ như sự hình thành lớp thụ động trên điện cực âm (pin Fe - khí), sự phát triển các nhánh cây trên cực âm (pin Zn - khí), tìm ra chất điện phân phù hợp và tính ổn định của vật liệu cực dương [5, 8,12].

Cấu tạo của pin kim loại - khí được thể hiện trên Hình 1. Cấu tạo của pin kim loại - khí Bảng 1. Số liệu so sánh công nghệ một số pin sạc lại [8-12] Năng Năng Điện lượng lượng riêng áp riêng lý Phản ứng Pin thực tế (V) thuyết (Wh/kg) (Wh/kg) Al - khí 2,71 300-500 2796 4Al + 3O2 + 6H2O 4Al(OH)3 Mg - khí 3,09 400-700 2840 Mg + ½ O2 + H2O Mg(OH)2 Zn - khí 1,65 350-500 1086 Zn + ½ O2 ZnO Li - khí 2.96 1170 3463 2Li + O2 Li2O2 Na - khí 2.27 - 1106 2Na + O2 Na2O2 Fe - khí 1,28 60-80 1200 Fe + O2 + H2O Fe(OH)2 Nguyên lý hoạt động của kim loại - khí như sau: Trong quá trình phóng điện, vật liệu kim loại (M) bị ôxy hoá ở điện cực âm tạo thành M(OH)n; tại điện cực dương, 15 O2 từ ngoài không khí khuyếch tán vào trong điện cực dương. Các quá trình phản ứng diễn ra như sau: M + nOH- M(OH)n + ne− (1.4) Trong đó M là kim loại và n là số ôxy hóa.

Phản ứng điện hóa được đảo ngược lại trong quá trình nạp, khi đó quá trình khử diễn ra tại cực âm và quá trình ôxy hóa diễn ra tại cực dương. Bảng 1 là các số liệu đặc trưng cho một số hệ pin kim loại - khí. Pin Al - khí (Nhôm - khí) có tiềm năng lớn để sử dụng cho các hệ lưu trữ năng lượng hiệu suất cao, chi phí thấp, vì vậy pin Al - khí đã thu hút được rất nhiều sự chú ý từ các nhà nghiên cứu. Tuy nhiên pin này có quá thế cao, điện áp hoạt động thực tế cao trong hệ dung dịch điện ly nước (nước sẽ bị điện phân), công suất và năng lượng thấp hơn so với lý thuyết.

Mặt khác, phản ứng hóa học của Al không thuận nghịch trong dung dịch điện ly nên pin Al - khí không thể sạc lại điện, do vậy Al - khí chỉ được ứng dụng trong pin sạc lại cơ học [14-18]. Pin Zn - khí (Kẽm - khí) có điện áp lý thuyết là 1,65 V với mật độ năng lượng cao đạt 1350 Wh/kg, tuy nhiên, điện áp nạp của pin này lại lớn hơn nhiều so với điện áp phóng làm giảm hiệu suất của pin. Ví dụ, điện áp phóng của pin Zn - khí nói chung khoảng từ 1 V đến 1,3 V trong khi điện áp nạp là khoảng 1,8 V hoặc cao hơn. Ngoài ra, vấn đề lớn nhất với pin sạc lại Zn - khí là sự hình thành các dendrite (dạng nhánh cây) trong quá trình phóng - nạp thông qua cơ chế kết tủa - hòa tan gây ra hiện tượng đoản mạch, làm giảm thời gian sống của pin.

Những vấn đề hình thái này có liên quan đến hai đặc tính quan trọng của kẽm: độ hòa tan cao của ion Zn2+ trong dung dịch điện ly kiềm, ion Zn2+ có thể tự do di chuyển vào chất điện ly và có thể lắng đọng lên bất kỳ vị trí nào khác dẫn đến kết tủa kẽm phân bố không đều trên bề mặt điện cực hoặc kích hoạt sự phát triển của các nhánh cây kim loại [19-27].