Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu vật liệu composite graphene làm cathode để cải thiện hiệu suất pin lithium ion

• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Nhị Trự
• Trường học: Học viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam
• Chuyên ngành: Vật liệu composite
• Đề tài: Tổng hợp vật liệu composite LiFe1-xMxPO4/graphene làm cathode để cải thiện tính năng điện hóa pin sạc lithium-ion
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: TP. HCM

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Sơ lược về pin sạc Li-ion và vật liệu điện cực olivine
• 1.2. Cơ chế hoạt động và cấu tạo của pin sạc Li-ion
• 1.3. Cơ chế hoạt động pin Li-ion
• 1.4. Các thông số tính năng của pin
• 1.5. Cấu tạo pin Li-ion
• 1.6. Vật liệu cathode
• 1.7. Vật liệu anode
• 1.8. Chất điện giải
• 1.9. Cấu trúc vật liệu cathode
• 1.10. Cấu trúc dạng lớp (layers)
• 1.11. Cấu trúc dạng spinel
• 1.12. Nhóm hợp chất polyanion cấu trúc olivine
• 1.13. Nghiên cứu cải thiện tính năng điện hóa của vật liệu LFP
• 1.13.1. Giảm kích thước hạt
• 1.13.2. Pha tạp kim loại
• 1.14. Các phương pháp tổng hợp pin điện cực sạc Li-ion
• 1.14.1. Phương pháp keo hóa (sol-gel)
• 1.14.2. Phương pháp vi sóng (microwave)
• 1.14.3. Phương pháp nghiền bi năng lượng (mechanochemical method)
• 1.14.4. Phương pháp pha rắn (solid state)
• 1.14.5. Phương pháp phun nhiệt (spray pyrolysis)
• 1.14.6. Phương pháp đồng kết tủa (co-precipitation)
• 1.14.7. Phương pháp thủy nhiệt (hydrothermal)
• 1.14.8. Phương pháp nhiệt dung môi (solvothermal)
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Tổng hợp vật liệu điện cực
• 2.2. Hóa chất, thiết bị
• 2.3. Tổng hợp LFP
• 2.4. Pha tạp kim loại M (Ni, Mn, Y) LiFe1-xMxPO4
• 2.5. Composite hóa LiFe1-xMxPO4/graphene
• 2.6. Tạo màng điện cực và quy trình lắp pin mô hình Swagelok
• 2.7. Chuẩn độ xác định hàm lượng Fe2+ và carbon trong mẫu
• 2.8. Xác định hàm lượng Fe2+ bằng phương pháp chuẩn độ
• 2.9. Xác định hàm lượng carbon bằng phương pháp hóa học & nhiệt
• 2.10. Phương pháp nghiên cứu và đánh giá tính chất vật liệu
• 2.10.1. Nhiễu xạ tia X (X-ray Diffraction)
• 2.10.2. Quang phổ Raman
• 2.10.3. Phương pháp phân tích nhiệt (TGA)
• 2.10.4. Phổ quang điện tử (XPS)
• 2.10.5. Phổ hấp thụ nguyên tử (AAS)
• 2.10.6. Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS)
• 2.10.7. Hiển vi điện tử quét (SEM, FESEM)
• 2.10.8. Hiển vi điện tử truyền qua TEM
• 2.10.9. Phương pháp điện hóa
• 2.10.9.1. Quét thế vòng tuần hoàn (CV)
• 2.10.9.2. Phóng sạc dòng cố định
• 2.10.9.3. Phổ tổng trở (EIS)
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Vật liệu điện cực LFP
• 3.2. Xác định hàm lượng Fe và Fe2+ có trong mẫu LFP
• 3.3. Cấu trúc tinh thể và thành phần pha
• 3.3.1. Ảnh hưởng tỉ lệ tiền chất đến cấu trúc LFP
• 3.3.2. Ảnh hưởng dung môi đến cấu trúc LFP
• 3.3.3. Ảnh hưởng nhiệt độ nung đến kết tinh của vật liệu
• 3.3.4. Hiệu suất phản ứng (H), khối lượng kết tinh (T) của mẫu
• 3.3.5. Thành phần nguyên tố hóa học vật liệu
• 3.3.6. Hình thái vật liệu
• 3.4. Tính chất điện hóa
• 3.4.1. Đánh giá khả năng đan cài ion Li+
• 3.4.2. Tính năng phóng sạc của vật liệu
• 3.4.3. Độ dẫn điện vật liệu
• 3.5. Pha tạp kim loại LiFe1-xMxPO4
• 3.5.1. Cấu trúc tinh thể và thành phần pha
• 3.5.2. Thành phần nguyên tố hóa học
• 3.5.3. Hình thái hạt
• 3.5.4. Tính chất điện hóa
• 3.6. Vật liệu composite LiFe1-xMxPO4/Graphene
• 3.6.1. Cấu trúc tinh thể và thành phần pha
• 3.6.2. Thành phần hóa học và xác định sự có mặt graphene
• 3.6.3. Khả năng bao phủ và độ phân tán mẫu
• 3.6.4. Tính chất điện hóa
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA ĐỀ TÀI
• CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu về vật liệu composite graphene

Vật liệu composite graphene đã trở thành một trong những lựa chọn hàng đầu trong nghiên cứu và phát triển vật liệu composite cho cathode của pin lithium ion. Graphene, với cấu trúc hai chiều và tính chất điện dẫn vượt trội, đã được chứng minh là có khả năng cải thiện đáng kể hiệu suất điện của các vật liệu điện cực. Việc kết hợp graphene với các vật liệu như LiFePO4 không chỉ nâng cao tính năng điện hóa mà còn cải thiện tính bền và tính ổn định của pin. Theo nghiên cứu, việc sử dụng graphene trong cấu trúc composite giúp tăng cường khả năng dẫn điện và khả năng khuếch tán ion Li+, từ đó nâng cao năng lượng và hiệu suất sạc của pin. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng việc pha trộn graphene vào vật liệu cathode có thể làm tăng đáng kể dung lượng và tuổi thọ của pin, điều này rất quan trọng trong bối cảnh nhu cầu về năng lượng tái tạo ngày càng tăng.

II. Cấu trúc và tính chất của vật liệu cathode

Cấu trúc của vật liệu cathode trong pin lithium ion thường được phân loại thành ba nhóm chính: cấu trúc lớp, cấu trúc spinel và cấu trúc olivine. Trong đó, vật liệu LiFePO4 thuộc nhóm cấu trúc olivine được đánh giá cao nhờ vào tính năng điện hóa ổn định và tính bền cao. Tuy nhiên, một trong những thách thức lớn nhất của vật liệu này là tính dẫn điện kém, điều này ảnh hưởng đến hiệu suất tổng thể của pin. Việc kết hợp graphene vào cấu trúc LiFePO4 không chỉ cải thiện tính dẫn điện mà còn giúp tăng cường khả năng khuếch tán ion Li+, từ đó nâng cao năng lượng và hiệu suất sạc. Nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa tỉ lệ graphene trong composite có thể tạo ra những cải tiến đáng kể về tính năng điện hóa, giúp vật liệu trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng trong pin lithium ion.

III. Phương pháp tổng hợp vật liệu composite

Phương pháp tổng hợp vật liệu composite LiFe1-xMxPO4/graphene được thực hiện thông qua quy trình nhiệt dung môi (solvothermal). Phương pháp này không chỉ tiết kiệm chi phí mà còn cho phép kiểm soát tốt kích thước hạt và thành phần hóa học của vật liệu. Quá trình tổng hợp bao gồm việc pha trộn các tiền chất với graphene trong môi trường dung môi, sau đó tiến hành nung ở nhiệt độ cao để tạo ra vật liệu composite. Kết quả cho thấy rằng việc sử dụng phương pháp này giúp cải thiện đáng kể tính năng điện hóa của vật liệu, đặc biệt là trong việc nâng cao độ dẫn điện và hệ số khuếch tán của ion Li+. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng vật liệu composite thu được có cấu trúc tinh thể ổn định và khả năng bao phủ graphene tốt, điều này góp phần vào việc cải thiện hiệu suất của pin lithium ion.

IV. Đánh giá tính năng điện hóa của vật liệu

Tính năng điện hóa của vật liệu composite LiFe1-xMxPO4/graphene được đánh giá thông qua các phương pháp như quét thế vòng tuần hoàn (CV) và phổ tổng trở (EIS). Kết quả cho thấy rằng vật liệu composite có khả năng phóng sạc tốt hơn so với vật liệu LiFePO4 thông thường. Đặc biệt, dung lượng và độ bền phóng sạc của vật liệu composite cao hơn, cho thấy sự cải thiện rõ rệt trong hiệu suất điện. Việc pha tạp các ion kim loại như Mn, Ni, Y cũng đã được chứng minh là có tác động tích cực đến tính năng điện hóa của vật liệu. Nghiên cứu này không chỉ mở ra hướng đi mới cho việc phát triển vật liệu cathode mà còn góp phần vào việc nâng cao hiệu suất của pin lithium ion, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về năng lượng tái tạo.