NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOZIT TRÊN CƠ SỞ CACBON, COBAN FERRIT VÀ MXENE-Ti3C2 ỨNG DỤNG LÀM ĐIỆN CỰC TRONG SIÊU TỤ ĐIỆN

• Tác giả: Ngô Văn Hoành
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Trần Hùng
• Trường học: Viện Khoa Học Và Công Nghệ Quân Sự
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Hóa Học
• Đề tài: Nghiên Cứu Chế Tạo Vật Liệu Compozit Trên Cơ Sở Cacbon, Coban Ferrit Và MXene-Ti3C2 Ứng Dụng Làm Điện Cực Trong Siêu Tụ Điện
• Loại tài liệu: Luận Án Tiến Sĩ Kỹ Thuật
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về siêu tụ điện
• 1.2. Vật liệu điện cực ứng dụng trong siêu tụ điện
• 1.3. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị thí nghiệm
• 2.1.1. Hóa chất thí nghiệm
• 2.1.2. Dụng cụ và thiết bị thí nghiệm
• 2.2. Phương pháp chế tạo vật liệu
• 2.2.1. Quy trình chế tạo cacbon aerogel
• 2.2.2. Quy trình chế tạo rGO aerogel
• 2.2.3. Quy trình chế tạo vật liệu compozit rGO aerogel và CoFe2O4
• 2.2.4. Quy trình chế tạo MXene Ti3C2
• 2.2.5. Quy trình chế tạo vật liệu compozit rGO-MXene và CoFe2O4
• 2.3. Phương pháp khảo sát đặc trưng vật liệu
• 2.4. Phương pháp đánh giá đặc tính điện hóa của vật liệu
• 2.4.1. Phương pháp chế tạo điện cực
• 2.4.2. Phương pháp lắp ghép siêu tụ điện
• 2.4.3. Phương pháp quét thế tuần hoàn
• 2.4.4. Phương pháp phóng nạp dòng không đổi
• 2.4.5. Phương pháp phổ tổng trở
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Đặc trưng và đặc tính điện hóa của cacbon xốp
• 3.1.1. Đặc trưng vật liệu và đặc tính điện hóa của cacbon aerogel
• 3.1.2. Đặc trưng và đặc tính điện hóa của rGO aerogel
• 3.2. Đặc trưng và đặc tính điện hóa vật liệu compozit rGO/CoFe2O4
• 3.2.1. Ảnh hưởng của nồng độ muối
• 3.2.2. Ảnh hưởng của pH dung dịch
• 3.3. Đặc trưng và đặc tính điện hóa của vật liệu MXene Ti3C2
• 3.3.1. Đặc trưng vật liệu MXene Ti3C2
• 3.3.2. Đặc tính điện hóa vật liệu MXene Ti3C2
• 3.4. Đặc trưng và đặc tính điện hóa của vật liệu rGO@MXene/CoFe2O4
• 3.4.1. Đặc trưng vật liệu rGO@MX/CoFe2O4
• 3.4.2. Đặc tính điện hóa của vật liệu rGO@MX/CoFe2O4
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Vật Liệu Composite Điện Cực Siêu Tụ Điện 55 ký tự

Các thiết bị tích trữ và chuyển hóa năng lượng đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực. Trong số đó, siêu tụ điện nổi lên như một giải pháp lưu trữ năng lượng đầy hứa hẹn. Siêu tụ điện có ưu điểm vượt trội như mật độ công suất cao, tốc độ phóng nạp nhanh và tuổi thọ dài so với các nguồn điện hóa học khác. Chúng còn được gọi là tụ điện hóa học, kết hợp các đặc tính của tụ điện và pin. Vật liệu đóng vai trò then chốt trong hiệu suất của siêu tụ điện. Nghiên cứu về vật liệu điện cực mới đang được tiến hành mạnh mẽ để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao. Theo [119, 156], siêu tụ điện có mật độ công suất cao hơn nhiều lần so với ắc quy và pin Li-ion, đồng thời có tuổi thọ vượt trội.

Bài viết này sẽ đi sâu vào vật liệu composite mới, hứa hẹn mang lại bước đột phá cho điện cực siêu tụ điện. Vật liệu này kết hợp vật liệu composite cacbon, Cobalt Ferrite, và MXene-Ti3C2. Sự kết hợp này nhằm tận dụng ưu điểm của từng thành phần để tạo ra điện cực có hiệu suất vượt trội.

1.1. Lịch Sử Phát Triển Của Siêu Tụ Điện Và Ứng Dụng

Năm 1853, Helmholtz khám phá ra hiện tượng phân ly điện tử trên bề mặt điện cực và chất điện ly, đặt nền móng cho nguyên lý lớp kép. Năm 1957, Howard Becker và cộng sự công bố nghiên cứu về tụ điện có điện dung riêng lớn ở điện thế thấp, sử dụng than hoạt tính làm điện cực. Tuy nhiên, cơ chế tích trữ điện năng chưa được giải thích rõ ràng, và mật độ năng lượng còn thấp. Tiếp theo, Rightmire công bố thiết bị tích trữ điện năng sử dụng điện cực than xốp và chất điện ly muối nhôm sulfat, dựa trên cơ chế lớp kép electron và proton. Đây chính là sự ra đời của siêu tụ điện lớp kép [123]. Siêu tụ điện ngày nay được ứng dụng rộng rãi trong xe điện, thiết bị điện tử di động và hệ thống lưu trữ năng lượng tái tạo.

1.2. Cấu Tạo Cơ Bản Của Một Siêu Tụ Điện Tiêu Chuẩn

Cấu tạo cơ bản của siêu tụ điện bao gồm bốn thành phần chính: điện cực, chất điện ly, màng ngăn và bộ thu dòng điện. Điện cực đóng vai trò quan trọng trong việc tích trữ điện tích, thường được chế tạo từ vật liệu composite. Chất điện ly cung cấp môi trường dẫn ion giữa các điện cực. Màng ngăn cách ngăn chặn sự tiếp xúc trực tiếp giữa các điện cực, tránh đoản mạch. Bộ thu dòng điện đảm bảo dòng điện được thu thập và phân phối hiệu quả. Sự phối hợp hài hòa giữa các thành phần này quyết định hiệu suất và độ bền của siêu tụ điện.

II. Thách Thức Vật Liệu Điện Cực Siêu Tụ Điện Hiện Nay 58 ký tự

Mặc dù siêu tụ điện có nhiều ưu điểm, vẫn còn tồn tại những thách thức trong việc phát triển vật liệu điện cực hiệu suất cao. Điện dung riêng của vật liệu cacbon còn thấp, hạn chế khả năng lưu trữ năng lượng. Các oxit kim loại chuyển tiếp có độ dẫn điện kém, ảnh hưởng đến tốc độ phóng nạp. Vật liệu polymer dẫn có độ ổn định hóa học chưa cao, ảnh hưởng đến tuổi thọ. Việc kết hợp các vật liệu khác nhau thành vật liệu composite là một hướng đi đầy hứa hẹn để khắc phục những hạn chế này. Tuy nhiên, việc lựa chọn và phối hợp các vật liệu phù hợp, cũng như tối ưu hóa quy trình chế tạo, vẫn là một bài toán khó. Đồng thời, việc giảm giá thành sản xuất để thương mại hóa siêu tụ điện cũng là một yếu tố quan trọng. Nghiên cứu về vật liệu nano và vật liệu tiên tiến đang mở ra những cơ hội mới để giải quyết những thách thức này.

2.1. Vật Liệu Cacbon Ưu Điểm Và Hạn Chế Cần Vượt Qua

Vật liệu cacbon như graphene, carbon nanotubes (CNTs), và activated carbon (AC) được sử dụng rộng rãi làm điện cực do diện tích bề mặt lớn và giá thành tương đối thấp. Tuy nhiên, điện dung riêng của chúng còn hạn chế, đặc biệt khi so sánh với các vật liệu giả điện dung. Điện trở nội cao cũng là một vấn đề cần được giải quyết. Các nghiên cứu đang tập trung vào việc cải thiện cấu trúc, tăng cường độ xốp và kết hợp vật liệu cacbon với các vật liệu khác để nâng cao hiệu suất.

2.2. Oxit Kim Loại Chuyển Tiếp Tiềm Năng Và Độ Ổn Định

Các oxit kim loại chuyển tiếp như RuO2, MnO2, và NiO có điện dung riêng cao hơn so với vật liệu cacbon, nhờ cơ chế tích điện giả điện dung. Tuy nhiên, độ dẫn điện của chúng thường thấp, ảnh hưởng đến tốc độ phóng nạp. Độ ổn định hóa học cũng là một vấn đề cần quan tâm. Việc tạo vật liệu composite giữa oxit kim loại chuyển tiếp và vật liệu cacbon có thể cải thiện độ dẫn điện và độ ổn định.

III. Phương Pháp Chế Tạo Vật Liệu Điện Cực Hiệu Quả 56 ký tự

Việc chế tạo vật liệu điện cực hiệu quả là chìa khóa để nâng cao hiệu suất của siêu tụ điện. Có nhiều phương pháp khác nhau để tổng hợp vật liệu composite, bao gồm phương pháp đồng kết tủa, sol-gel, và phương pháp đúc đông lạnh. Mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng, phù hợp với từng loại vật liệu và yêu cầu ứng dụng cụ thể. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp và tối ưu hóa các thông số quy trình là rất quan trọng để thu được vật liệu có cấu trúc, thành phần và tính chất mong muốn. Các phương pháp phân tích như XRD, SEM, TEM, và BET được sử dụng để đánh giá đặc tính của vật liệu sau khi chế tạo. Việc kết hợp nhiều phương pháp khác nhau có thể cung cấp thông tin toàn diện về vật liệu.

3.1. Phương Pháp Đồng Kết Tủa Và Ứng Dụng Trong Điện Hóa

Phương pháp đồng kết tủa là một phương pháp phổ biến để tổng hợp vật liệu composite. Phương pháp này dựa trên việc kết tủa đồng thời các ion kim loại từ dung dịch, tạo thành các hạt nano có kích thước nhỏ và phân bố đồng đều. Điều kiện kết tủa (pH, nhiệt độ, nồng độ) cần được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo chất lượng sản phẩm. Phương pháp này được sử dụng rộng rãi để chế tạo vật liệu composite giữa oxit kim loại chuyển tiếp và vật liệu cacbon.

3.2. Kỹ Thuật Sol Gel Cho Vật Liệu Nano Và Ưu Điểm Vượt Trội

Kỹ thuật sol-gel là một phương pháp hóa học ướt để tổng hợp vật liệu nano. Phương pháp này dựa trên việc tạo ra một sol (dung dịch keo) từ các tiền chất, sau đó chuyển đổi sol thành gel (vật liệu bán rắn). Gel sau đó được sấy khô và nung để thu được sản phẩm cuối cùng. Kỹ thuật sol-gel có ưu điểm là dễ kiểm soát thành phần và cấu trúc vật liệu, cũng như có thể tạo ra vật liệu có độ tinh khiết cao.

3.3. Quy Trình Đúc Đông Lạnh Cho Vật Liệu Cacbon Xốp 3D

Quy trình đúc đông lạnh là một kỹ thuật tạo hình vật liệu bằng cách đông lạnh dung dịch chứa vật liệu, sau đó loại bỏ pha rắn (thường là nước đá) bằng phương pháp thăng hoa. Kỹ thuật này được sử dụng để tạo ra vật liệu có cấu trúc xốp 3D, với kích thước lỗ xốp và hình dạng có thể được kiểm soát bằng cách điều chỉnh các thông số quy trình. Quá trình này đặc biệt hữu ích khi chế tạo vật liệu cacbon aerogel và rGO aerogel.

IV. Ưu Điểm Composite Cacbon Cobalt Ferrite MXene 59 ký tự

Vật liệu composite trên cơ sở cacbon, Cobalt Ferrite và MXene-Ti3C2 hứa hẹn mang lại nhiều ưu điểm vượt trội cho điện cực siêu tụ điện. Vật liệu cacbon cung cấp diện tích bề mặt lớn và độ dẫn điện cao. Cobalt Ferrite đóng vai trò là thành phần giả điện dung, tăng cường khả năng lưu trữ điện tích. MXene-Ti3C2 cải thiện độ bền cấu trúc và khả năng vận chuyển ion. Sự kết hợp hài hòa giữa các thành phần này có thể tạo ra điện cực có điện dung riêng cao, tốc độ phóng nạp nhanh và tuổi thọ dài. Tuyển chọn tỉ lệ thành phần, phương pháp chế tạo, và điều kiện thí nghiệm là rất quan trọng để vật liệu thể hiện được đặc tính mong muốn.

4.1. Vai Trò Của Vật Liệu Cacbon Trong Tích Trữ Năng Lượng

Vật liệu cacbon đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra cấu trúc xốp và cung cấp diện tích bề mặt lớn cho điện cực. Độ dẫn điện cao của vật liệu cacbon cũng giúp cải thiện tốc độ phóng nạp. Các loại vật liệu cacbon khác nhau (graphene, CNTs, AC) có thể được sử dụng để tối ưu hóa hiệu suất của điện cực.

4.2. Cobalt Ferrite Đặc Tính Từ Tính Và Khả Năng Điện Hóa

Cobalt Ferrite (CoFe2O4) là một oxit kim loại chuyển tiếp có đặc tính từ tính và khả năng điện hóa. Nó có thể tham gia vào các phản ứng oxi hóa khử trên bề mặt điện cực, tăng cường khả năng lưu trữ điện tích (giả điện dung). Việc kiểm soát kích thước hạt và phân bố của Cobalt Ferrite là quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất.

4.3. MXene Ti3C2 Cấu Trúc 2D Và Khả Năng Vận Chuyển Ion

MXene-Ti3C2 là một vật liệu 2D có cấu trúc lớp, với công thức tổng quát M_n+1X_nT_x, trong đó M là kim loại chuyển tiếp, X là cacbon hoặc nitơ, và T là các nhóm chức bề mặt. MXene-Ti3C2 có độ dẫn điện cao và khả năng vận chuyển ion tốt, giúp cải thiện tốc độ phóng nạp và độ bền cấu trúc của điện cực. Nhóm chức bề mặt đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện khả năng tương thích với các thành phần khác trong vật liệu composite.

V. Kết Quả Nghiên Cứu Điện Dung Độ Bền Vật Liệu 58 ký tự

Các kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu composite trên cơ sở cacbon, Cobalt Ferrite và MXene-Ti3C2 có đặc tính điện hóa tốt. Điện dung riêng cao, tốc độ phóng nạp nhanh và độ bền cấu trúc được cải thiện đáng kể. So sánh với các vật liệu tương tự đã được công bố, vật liệu này có hiệu suất vượt trội. Các kết quả này mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi của vật liệu composite trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng. Cần thực hiện thêm nhiều nghiên cứu để tối ưu hóa thành phần và quy trình chế tạo, cũng như đánh giá độ ổn định lâu dài của vật liệu.

5.1. Phân Tích Điện Dung Riêng Và So Sánh Với Vật Liệu Khác

Điện dung riêng là một chỉ số quan trọng đánh giá khả năng lưu trữ điện tích của vật liệu điện cực. Các kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu composite trên cơ sở cacbon, Cobalt Ferrite và MXene-Ti3C2 có điện dung riêng cao hơn so với vật liệu cacbon đơn thuần và oxit kim loại chuyển tiếp đơn lẻ. Việc so sánh điện dung riêng với các vật liệu khác đã được công bố giúp đánh giá vị thế của vật liệu này trong lĩnh vực nghiên cứu.

5.2. Đánh Giá Độ Bền Phóng Nạp Và Ảnh Hưởng Của Chu Kỳ

Độ bền phóng nạp là một chỉ số quan trọng đánh giá khả năng duy trì hiệu suất của vật liệu điện cực qua nhiều chu kỳ sạc xả. Các kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu composite có độ bền phóng nạp tốt, với điện dung riêng giảm không đáng kể sau hàng ngàn chu kỳ. Tuy nhiên, cần thực hiện thêm các thí nghiệm dài hạn để đánh giá độ ổn định lâu dài của vật liệu trong điều kiện hoạt động thực tế.

VI. Tương Lai Ứng Dụng Điện Cực Siêu Tụ Điện Mới 52 ký tự

Vật liệu composite trên cơ sở cacbon, Cobalt Ferrite và MXene-Ti3C2 có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng. Điện cực siêu tụ điện chế tạo từ vật liệu này có thể được sử dụng trong xe điện, thiết bị điện tử di động và hệ thống lưu trữ năng lượng tái tạo. Việc phát triển các quy trình sản xuất quy mô lớn và giảm giá thành là yếu tố quan trọng để thương mại hóa vật liệu này. Các nghiên cứu trong tương lai cần tập trung vào việc cải thiện độ ổn định lâu dài, tối ưu hóa hiệu suất và mở rộng phạm vi ứng dụng của vật liệu composite.

6.1. Ứng Dụng Trong Xe Điện Và Hệ Thống Lưu Trữ Năng Lượng

Xe điện và hệ thống lưu trữ năng lượng tái tạo là hai lĩnh vực có nhu cầu lớn về siêu tụ điện hiệu suất cao. Siêu tụ điện có thể được sử dụng làm nguồn năng lượng phụ trợ cho xe điện, cung cấp năng lượng cho hệ thống phanh tái sinh và tăng tốc. Trong hệ thống lưu trữ năng lượng tái tạo, siêu tụ điện có thể giúp ổn định lưới điện và lưu trữ năng lượng dư thừa.

6.2. Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Vật Liệu Điện Cực Siêu Tụ Điện

Các nghiên cứu trong tương lai cần tập trung vào việc cải thiện độ ổn định lâu dài, tối ưu hóa hiệu suất (điện dung riêng, tốc độ phóng nạp) và mở rộng phạm vi ứng dụng của vật liệu composite. Việc phát triển các phương pháp chế tạo xanh và thân thiện với môi trường cũng là một hướng đi quan trọng. Các nghiên cứu về cơ chế tích điện và vận chuyển ion trong vật liệu composite cũng cần được đẩy mạnh để hiểu rõ hơn về hoạt động của điện cực.