Nghiên Cứu và Tổng Hợp ZnO Kích Thước Nano Mét Định Hướng Ứng Dụng Cho Nguồn Điện Bạc - Kẽm

Nghiên cứu và tổng hợp ZnO kích thước nano mét, ứng dụng cho nguồn điện bạc kẽm, mang lại tiềm năng trong công nghệ năng lượng mới.

• Tác giả: Trần Thị Hương Nụ
• Người hướng dẫn: TS. Đỗ Trà Hương
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Hóa vô cơ
• Đề tài: Nghiên Cứu Và Tổng Hợp ZnO Kích Thước Nano Mét Định Hướng Ứng Dụng Cho Nguồn Điện Bạc - Kẽm
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ hóa học
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH
• MỞ ĐẦU
• 0.1. Mục tiêu của đề tài
• 0.2. Nội dung nghiên cứu
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU NGUỒN ĐIỆN BẠC - KẼM VÀ ỨNG DỤNG
• 1.1. So sánh các tính chất, đặc trưng và các ưu, nhược điểm của nguồn điện bạc - kẽm so với các chủng loại nguồn điện khác
• 1.2. Một số ứng dụng chi tiết của nguồn điện bạc - kẽm
• 1.3. Cấu tạo ắc quy bạc - kẽm
• 1.4. Cấu tạo pin cúc bạc - kẽm
• 1.5. Các quá trình điện cực
• 2. THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị
• 2.2. Tổng hợp vật liệu ZnO
• 2.2.1. Tổng hợp vật liệu ZnO bằng phương pháp kết tủa
• 2.2.2. Tổng hợp vật liệu ZnO bằng phương pháp thủy nhiệt kết hợp nung
• 2.3. Xác định hình thái học, cấu trúc, thành phần, diện tích bề mặt vật liệu nano ZnO
• 2.3.1. Chuẩn bị mẫu nghiên cứu
• 2.3.1.1. Chuẩn bị mẫu cực âm (anot)
• 2.3.1.2. Chuẩn bị mẫu cực dương (catot)
• 2.3.2. Các phương pháp nghiên cứu
• 2.3.2.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
• 2.3.2.2. Phương pháp chụp ảnh hiển vi điện tử quét (SEM), Phương pháp phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS)
• 2.3.2.3. Phương pháp phân tích diện tích bề mặt riêng (BET)
• 2.3.2.4. Phương pháp điện hóa
• 2.3.2.5. Phương pháp tán xạ laze (LS)
• 2.3.2.6. Phương pháp phổ khối cộng hưởng từ plasma (ICP-MS)
• 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Chế tạo vật liệu ZnO và khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới hình thái cấu trúc bề mặt
• 3.1.1. Ảnh hưởng của thành phần dung dịch theo phương pháp kết tủa
• 3.1.2. Phương pháp thủy nhiệt kết hợp nung
• 3.2. Phân tích cấu trúc, thành phần vật liệu theo phương pháp XRD và SEM-EDS
• 3.2.1. Phân tích XRD
• 3.2.2. Phân tích EDS
• 3.2.3. Phân tích mẫu ZnO bằng phương pháp ICP-MS
• 3.3. Phân tích diện tích bề mặt, khả năng phân bố kích thước hạt vật liệu ZnO
• 3.3.1. Phân tích diện tích bề mặt điện cực theo phương pháp BET
• 3.3.2. Phân bố kích thước hạt theo tán xạ laze
• 3.4. Đo đặc tính điện hóa của hệ pin
• 3.4.1. Thử nghiệm khả năng phóng điện của điện cực kẽm (hệ ắc quy bạc-kẽm)
• 3.4.2. Đo tổng trở của hệ pin
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu ZnO Nano Cho Nguồn Điện Bạc Kẽm

Nhu cầu về nguồn điện hóa, đặc biệt là pin và ắc quy, ngày càng tăng trong cả dân dụng lẫn quốc phòng. Tại Việt Nam, các nguồn điện hóa học hiệu suất cao như pin Lithium-ion và ắc quy kiềm chủ yếu vẫn phải nhập khẩu, gây ảnh hưởng đến kinh tế và sự chủ động về công nghệ. Do đó, việc nghiên cứu, phát triển và làm chủ công nghệ sản xuất nguồn điện hóa học tiên tiến là vô cùng cần thiết. Nguồn điện bạc kẽm nổi bật trong số các nguồn điện được quan tâm nhờ tính năng vượt trội. Nghiên cứu này tập trung vào ứng dụng ZnO nano trong nguồn điện bạc kẽm, hướng đến nâng cao hiệu suất và độ bền của loại pin này. Việc sử dụng ZnO nanoparticles hứa hẹn mang lại những cải tiến đáng kể cho công nghệ pin.

1.1. Giới Thiệu Chung về Nguồn Điện Bạc Kẽm

Nguồn điện bạc kẽm được sử dụng dưới dạng sơ cấp (pin) và thứ cấp (ắc quy). So với các nguồn điện thông thường, nó có ưu điểm vượt trội về năng lượng và công suất riêng, cho phép phóng điện với dòng lớn và điện thế ổn định. Khả năng hoạt động ở nhiệt độ thấp và hệ số an toàn cao bù đắp cho giá thành cao. Ứng dụng rộng rãi trong công nghệ cao và kỹ thuật quân sự. Nghiên cứu và phát triển hiệu suất pin bạc kẽm là một lĩnh vực quan trọng, với tiềm năng cải thiện đáng kể hiệu năng của các thiết bị sử dụng loại pin này.

1.2. Vai Trò Của ZnO Trong Pin Bạc Kẽm Tiềm Năng Thách Thức

Trong nguồn điện bạc kẽm, điện cực kẽm/kẽm oxit đóng vai trò quan trọng, quyết định dung lượng, công suất và khả năng hoạt hóa của nguồn điện. Để nâng cao hiệu quả và tuổi thọ, việc nghiên cứu ứng dụng ZnO là cần thiết. Vật liệu nano có diện tích bề mặt cao, tăng động lực học phản ứng oxy hóa khử, dẫn đến công suất và năng lượng riêng cao hơn. Tuy nhiên, việc kiểm soát kích thước và tính chất của hạt nano ZnO là một thách thức.

II. Vấn Đề Nghiên Cứu Hạn Chế Của Điện Cực Kẽm Trong Pin

Mặc dù nguồn điện bạc kẽm có nhiều ưu điểm, nhưng số chu kỳ phóng nạp thấp và sự xuống cấp nhanh chóng là những hạn chế lớn. Nguyên nhân chủ yếu nằm ở việc chế tạo điện cực âm kẽm oxit/kẽm. Cụ thể, quá trình hòa tan và kết tủa kẽm trong quá trình phóng nạp dẫn đến sự thay đổi hình dạng và cấu trúc của điện cực, làm giảm hiệu suất và tuổi thọ pin bạc kẽm. Vì vậy, cần có những giải pháp để cải thiện độ ổn định và hiệu quả của điện cực kẽm, từ đó kéo dài tuổi thọ pin bạc kẽm.

2.1. Cơ Chế Hoạt Động Của Điện Cực Kẽm và Các Vấn Đề Phát Sinh

Trong quá trình phóng điện, kẽm chuyển thành kẽm zincat, sau đó kết tủa lại dưới dạng oxit và hiđroxit không tan trong các lỗ xốp của điện cực. Quá trình này làm thay đổi cấu trúc và hình dạng của điện cực. Khi nạp điện, kẽm kết tủa trên điện cực dưới dạng bột xốp, dễ rụng xuống và tạo thành mùn, làm giảm diện tích bề mặt hoạt động và dung lượng của pin. Cần nghiên cứu các phương pháp để kiểm soát quá trình này.

2.2. Giải Pháp Tiềm Năng Sử Dụng ZnO Nano Cải Thiện Điện Cực Kẽm

ZnO nano có diện tích bề mặt lớn và khả năng phân tán tốt, có thể giúp cải thiện độ ổn định và hiệu quả của điện cực kẽm. Việc sử dụng ZnO nanoparticles có thể tạo ra một cấu trúc điện cực có độ xốp cao, tăng diện tích tiếp xúc giữa kẽm và chất điện ly, từ đó cải thiện hiệu suất và dung lượng pin bạc kẽm. Đồng thời, ZnO nano cũng có thể giúp kiểm soát quá trình kết tủa kẽm, giảm thiểu sự hình thành mùn và kéo dài tuổi thọ của điện cực.

III. Phương Pháp Tổng Hợp ZnO Nano Bằng Phương Pháp Thủy Nhiệt

Nghiên cứu này sử dụng phương pháp thủy nhiệt để tổng hợp ZnO có kích thước nanomet. Phương pháp này cho phép kiểm soát tốt kích thước, hình dạng và cấu trúc của hạt nano ZnO. Quá trình bao gồm việc hòa tan tiền chất kẽm trong dung môi, sau đó gia nhiệt trong môi trường áp suất cao. Các yếu tố như nhiệt độ, thời gian và nồng độ ảnh hưởng đến kích thước và hình dạng của ZnO nanoparticles. Việc tối ưu hóa các thông số này là rất quan trọng để thu được vật liệu nano ZnO có chất lượng tốt nhất.

3.1. Quy Trình Chi Tiết Tổng Hợp ZnO Kích Thước Nano

Quy trình tổng hợp ZnO bằng phương pháp thủy nhiệt bắt đầu bằng việc chuẩn bị dung dịch tiền chất kẽm, thường là muối kẽm hòa tan trong nước hoặc dung môi hữu cơ. Sau đó, dung dịch được điều chỉnh pH bằng cách thêm bazơ. Hỗn hợp được đưa vào autoclave (bình phản ứng kín) và gia nhiệt đến nhiệt độ mong muốn trong một khoảng thời gian nhất định. Sau khi phản ứng kết thúc, sản phẩm được làm nguội, lọc rửa và sấy khô.

3.2. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Tính Chất ZnO Nano Nhiệt Độ pH

Nhiệt độ, pH, thời gian phản ứng và nồng độ tiền chất đều ảnh hưởng đến tính chất ZnO nano. Nhiệt độ cao hơn thường dẫn đến kích thước hạt lớn hơn. pH ảnh hưởng đến quá trình hình thành mầm và phát triển tinh thể. Thời gian phản ứng dài hơn có thể dẫn đến kích thước hạt lớn hơn và độ kết tinh cao hơn. Nồng độ tiền chất cao hơn có thể dẫn đến kích thước hạt lớn hơn và sự hình thành các cụm hạt.

IV. Khảo Sát Tính Chất ZnO Nano Ứng Dụng Trong Điện Cực Pin

Sau khi tổng hợp ZnO, các tính chất vật lý và hóa học của vật liệu được khảo sát bằng các phương pháp như nhiễu xạ tia X (XRD), hiển vi điện tử quét (SEM), và phân tích diện tích bề mặt (BET). Kết quả XRD cho biết cấu trúc tinh thể của ZnO nano. Ảnh SEM cho thấy hình thái và kích thước hạt. Phân tích BET xác định diện tích bề mặt riêng, một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất điện hóa. Các kết quả này là cơ sở để đánh giá tiềm năng ứng dụng ZnO nano trong điện cực pin.

4.1. Phân Tích Cấu Trúc và Hình Thái Học của Vật Liệu Nano ZnO

Phân tích XRD xác định cấu trúc tinh thể của vật liệu nano ZnO, thường là cấu trúc wurtzite. Kích thước hạt có thể được ước tính từ độ rộng của các đỉnh nhiễu xạ. Ảnh SEM cho thấy hình dạng của các hạt nano ZnO, có thể là hình cầu, hình que hoặc các hình dạng phức tạp khác. Việc phân tích hình thái học giúp hiểu rõ hơn về quá trình hình thành và phát triển của hạt nano ZnO.

4.2. Đo Diện Tích Bề Mặt và Khả Năng Hấp Phụ của ZnO Nano

Phân tích BET xác định diện tích bề mặt riêng của ZnO nano. Diện tích bề mặt lớn cho thấy khả năng hấp phụ cao, điều này có lợi cho hiệu suất điện hóa. Khả năng hấp phụ của ZnO nano có thể được đánh giá bằng các phương pháp như hấp phụ nitơ hoặc hấp phụ thuốc nhuộm.

V. Ứng Dụng Thử Nghiệm Điện Hóa Điện Cực ZnO Nano Trong Pin

Điện cực kẽm được chế tạo bằng cách trộn ZnO nano với chất kết dính và ép lên một vật liệu dẫn điện. Sau đó, điện cực được thử nghiệm trong môi trường kiềm để đánh giá tính chất điện hóa. Các phép đo như phân cực, điện trở và chu kỳ phóng nạp được thực hiện để đánh giá hiệu suất và độ bền của điện cực. Kết quả so sánh với điện cực kẽm truyền thống cho thấy ZnO nano có thể cải thiện hiệu suất pin.

5.1. Chế Tạo Điện Cực Kẽm Sử Dụng ZnO Nano

Điện cực kẽm được chế tạo bằng cách trộn ZnO nano với một chất kết dính (ví dụ, PTFE) và một chất dẫn điện (ví dụ, than hoạt tính). Hỗn hợp được ép lên một lưới kim loại (ví dụ, niken) hoặc một chất nền dẫn điện khác. Tỷ lệ giữa ZnO nano, chất kết dính và chất dẫn điện ảnh hưởng đến hiệu suất điện hóa của điện cực.

5.2. Đánh Giá Tính Chất Điện Hóa và Hiệu Suất của Điện Cực

Các phép đo điện hóa như phân cực, điện trở và chu kỳ phóng nạp được thực hiện để đánh giá tính chất điện hóa và hiệu suất của điện cực. Phân cực cho biết khả năng của điện cực duy trì điện áp khi có dòng điện chạy qua. Điện trở cho biết khả năng của điện cực cản trở dòng điện. Chu kỳ phóng nạp cho biết khả năng của điện cực lưu trữ và giải phóng năng lượng.

VI. Kết Luận Tiềm Năng và Hướng Phát Triển của ZnO Nano

Nghiên cứu này đã chứng minh tiềm năng của ZnO nano trong việc cải thiện hiệu suất và độ bền của nguồn điện bạc kẽm. Việc sử dụng vật liệu nano có thể giúp giải quyết các vấn đề liên quan đến điện cực kẽm, từ đó kéo dài tuổi thọ và nâng cao hiệu quả sử dụng. Tuy nhiên, cần có thêm nghiên cứu để tối ưu hóa quá trình tổng hợp ZnO và chế tạo điện cực, cũng như để đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất pin trong điều kiện thực tế. Hướng phát triển tiếp theo là nghiên cứu ZnO doped và ZnO composite để cải thiện hơn nữa tính chất ZnO nano.

6.1. Tóm Tắt Kết Quả Nghiên Cứu và Đánh Giá Tiềm Năng

Kết quả nghiên cứu cho thấy ZnO nano có thể cải thiện hiệu suất và độ bền của điện cực kẽm trong nguồn điện bạc kẽm. Việc sử dụng phương pháp thủy nhiệt để tổng hợp ZnO cho phép kiểm soát tốt kích thước, hình dạng và cấu trúc của hạt nano ZnO. Các phép đo điện hóa cho thấy điện cực kẽm chế tạo từ ZnO nano có hiệu suất cao hơn so với điện cực kẽm truyền thống.

6.2. Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo và Ứng Dụng Trong Tương Lai

Hướng nghiên cứu tiếp theo là tối ưu hóa quá trình tổng hợp ZnO và chế tạo điện cực, cũng như đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất pin trong điều kiện thực tế. Nghiên cứu ZnO doped và ZnO composite có thể cải thiện hơn nữa tính chất ZnO nano. Ứng dụng tiềm năng của ZnO nano trong nguồn điện bạc kẽm là pin cho các thiết bị điện tử cầm tay, thiết bị y tế và các ứng dụng quân sự.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Giới thiệu nguồn điện bạc - kẽm và ứng dụng Nguồn điện bạc kẽm đã được sử dụng dưới dạng nguồn điện sơ cấp (pin) và nguồn điện thứ cấp (ắc quy). So với các nguồn điện thông thường khác nguồn điện bạc kẽm có tính năng vượt trội về năng lượng riêng, công suất riêng, cho phép phóng điện với dòng điện rất lớn và điện thế ổn định, có thể làm việc ở điều kiện nhiệt độ thấp (- 20oC), hệ số an toàn cao đã khỏa lấp những hạn chế về giá thành cao. Loại nguồn điện này cho phép phóng điện với dòng vài trăm mili ampe tới vài trăm ampe, thời gian làm việc kéo dài.

Nguồn điện bạc - kẽm được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực kĩ thuật công nghệ cao nói chung và kĩ thuật quân sự nói riêng. Nhược điểm của loại ắc quy bạc - kẽm là số chu kì thấp, nhanh xuống cấp. Nguyên nhân chủ yếu liên quan đến việc chế tạo điện cực âm kẽm oxit/kẽm. Hiện nay chủng loại nguồn điện này ở nước ta đã và đang sử dụng một số chủng loại ắc quy bạc - kẽm chủ yếu phục vụ quốc phòng an ninh và hàng không [16], [47].

So sánh các tính chất, đặc trưng và các ưu, nhược điểm của nguồn điện bạc - kẽm so với các chủng loại nguồn điện khác, cũng như dạng ứng dụng của nguồn điện bạc - kẽm được cho ở bảng 1. So sánh các tính chất, đặc trưng và các ưu, nhược điểm của nguồn điện bạc - kẽm so với các chủng loại nguồn điện khác Điện Năng Hệ điện hóa thế lượng Lĩnh vực ứng (chủng loại ắc mạch Ưu điểm Nhược điểm riêng dụng quy) hở (Kw/kg) (V) Giá rẻ, công - Năng lượng Đa dạng, phổ biến nghệ ổn riêng thấp nhất, làm nguồn định - Ô nhiễm môi khởi động, nguồn Pb/H2SO4/PbO2 42 2,05 trường nuôi trong công - Hiệu suất sử nghiệp và đời sống. dụng ít Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn Điện Năng Hệ điện hóa thế lượng Lĩnh vực ứng (chủng loại ắc mạch Ưu điểm Nhược điểm riêng dụng quy) hở (Kw/kg) (V) - Số chu kỳ - Giá thành cao Thay thế ắc quy chì lớn - Ô nhiễm môi làm nguồn nuôi, - Dung trường khởi động trong lượng riêng - Hiện tượng tự một số lĩnh vực của Ni-Cd 50 1,2 tương đối phóng lớn (10%/ công nghiệp như: lớn tháng) khai thác than, tàu - Chỉ sử dụng hỏa, xe điện, xe lai được ở chế độ điện. mật độ dòng bé - Số chu kỳ - Giá thành cao Thay thế ắc quy lớn - Hiện tượng tự Ni-Cd trong một số - Dung phóng lớn (5- trường hợp, xe lượng riêng 15%/ tháng) tùy điện, xe lai điện.

tương đối theo nhiệt độ. Ni-MH 70-100 1,2 lớn - Chỉ sử dụng - Số chu kỳ được ở chế độ sử dụng cao mật độ dòng bé (10,000 - - Không an toàn 20,000 chu khi sử dụng, có kỳ) thể cháy, nổ - Dung - Giá thành cao Ứng dụng trong lượng riêng - Mật độ dòng sử dân sự, làm nguồn lớn dụng nhỏ nuôi cho máy tính Li-ion 180 3,5 - Số chu kỳ - Khó thiết kế ắc xách tay, điện phóng nạp quy có dung thoại, thiết bị viễn lớn (2000 - lượng, dòng lớn thông, thiết bị điện Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn Điện Năng Hệ điện hóa thế lượng Lĩnh vực ứng (chủng loại ắc mạch Ưu điểm Nhược điểm riêng dụng quy) hở (Kw/kg) (V) 3000 chu - Không an toàn tử cầm tay (camera, kỳ) khi sử dụng ở trò chơi điện tử). điều kiện nhiệt độ cao hoặc có thể tự cháy nổ (do sử dụng dung môi hữu cơ) - Dung - Giá thành cao, Ứng dụng hạn chế, lượng riêng khó cạnh tranh chỉ sử dụng làm lớn với các chủng nguồn nuôi, khởi - Cung cấp loại khác động cho các ngành dòng ổn - Số chu kỳ sử công nghệ cao, định dụng thấp (10 - hàng không, vũ trụ, Zn/KOH/Ag2O 130 1,55 - Có thể 300 chu kỳ). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.

Một số ứng dụng chi tiết của nguồn điện bạc - kẽm Tên thiết bị Thông số kỹ thuật Ứng dụng Kích thước: 9,5x4,88x3,5 in, 6Ah, F-84F, RF-84 26,5V Nặng: 4kg, hệ bạc - kẽm Kích thước: 9x5,5x7,69 in, 15Ah, F-105B, F-105D, 24,5V Máy bay Jet (Mỹ) F-105F Nặng: 31kg, hệ bạc - kẽm Kích thước: 9x5,5x7,69 in, 15Ah, F-106A, F-106B 24,5V, Nặng: 31kg, hệ bạc - kẽm H-2A, H-2B, 40Ah, 24V, hệ bạc - kẽm H-2C Máy bay - Navy (Mỹ) H-13N, H-13P 11Ah, 24V, hệ bạc - kẽm H-43C 27Ah, 24V, hệ bạc - kẽm Kích thước: 3,3x5,6x3,2 in, 0,85Ah, Tên lửa không đối GAP4007 13,214,6V, Nặng: 1,2kg, khả năng không (Mỹ) phóng dòng tới 34A Kích thước: 283x225x221 mm, Tên lửa không đối hải P15U, P21, P22 24,230.0V (Nga) Nặng: 21kg, hệ bạc - kẽm - SL-120 Ah: Kích thước: 160x83,9x5x56 mm SUT, DM2A3, Nặng: 1,82 kg; 120Ah Ngư lôi (NATO) DM2A4 - H14DC-160: Kích thước: 160x83,9x5x56 mm Nặng: 1,8 kg, 160Ah Kích thước: Cao 3,05mm; đường kính SR130W, Pin cúc (Duracell, Saft, 11,6; 1,55V; 80mAh; nặng 1,2g, hệ SR44W, … Energizer) bạc - kẽm Nguồn: [16], [52] Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn Cấu tạo ắc quy bạc - kẽm Tương tự các chủng loại ắc quy, cấu tạo của ắc quy bạc - kẽm gồm 03 bộ phận chính: 1 - Điện cực dương, Điện cực âm; 2 - Lá cách; 3 - Dung dịch chất điện ly. Cấu tại chi tiết được cho ở hình 1. Chế tạo cực dương bằng cách đặt lưới bạc, vào khuôn phép chế độ bột bạc rồi ép bằng máy ép thuỷ lực. Trong một số trường hợp bản cực ép đó còn đem nung kết thêm trong lò điện.

Điện cực âm ép bằng bột oxit kẽm với bột kẽm, có dây bạc, hoặc lưới bạc, hoặc lá kẽm làm cột và dây dẫn. Thường cho vào chất hoạt động dung dịch tinh bột hoặc cacboxyl xenluza làm chất kết tinh cao gồm có oxit kẽm và dung dịch chất kết tinh miết lên khung gói giấy ép lại vào giấy. Cấu tạo ắc quy bạc - kẽm. 1 - Điện cực dương; 2 - Điện cực âm; 3 - Lỗ đổ điện dịch, van an toàn.

Khi nạp điện bạc biến thành Ag2O và AgO, còn oxit kẽm thành kẽm, giấy cellophan gói cực dương đồng thời là lá cực. Để cho cellophan khỏi bị phá huỷ khi tiếp xúc oxit bạc thì điện cực dương bọc trong nylon hoặc vải bền hoá học. Ắc quy loại nhỏ thì lắp trong bình nhựa trong để nhìn rõ mức điện dịch và khi ắc quy đã phóng điện thì điện dịch đã ngấm vào lá cực và lá cách rồi cùng còn khoảng nửa bình, nếu lượng điện dịch nhiều hơn thì điện cực âm sẽ mủn ra và kẽm rơi xuống đáy bình. Điện dịch là dung dịch KOH có tỷ trọng 1,35÷1,4 g/cm3 bão hoà kẽm oxit, cùng một số loại phụ gia ổn định.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn Cấu tạo pin cúc bạc - kẽm Khác với ắc quy bạc - kẽm, pin hệ bạc kẽm thường chỉ sử dụng dưới dạng pin cúc có dụng lượng nhỏ, sử dụng trong các máy trợ tim, đồng hồ, trò chơi điện tử…. Cấu tạo chi tiết được cho ở trên hình 1. Cấu tạo pin cúc bạc - kẽm. Khác với ắc quy, trong pin điện cực âm (Zn) được làm từ bột kẽm, còn điện cực dương (Ag2O) được làm từ bột bạc oxit, chất điện ly là dạng keo, hồ, nằm ở dạng sệt hỗn hợp gồm KOH, ZnO và chất hấp phụ, phụ gia.

Các quá trình điện cực Khi phóng điện, quá trình điện cực hòa tan điện cực kẽm xảy ra, kẽm sẽ chuyển thành dạng kẽm zincat, điện dịch lại bão hoà zincat nên kẽm lại kết tủa trong các lỗ xốp của điện cực dưới dạng oxit và hiđroxit không tan [2], [16], [17]. Zn + 2OH- → ZnO + H2O + 2e (2.1) ZnO +2KOH → K2ZnO2 + H2 O (2.2) 2K2ZnO2 + 3 H2 O → ZnO + Zn(OH)2 + 4KOH (2.3) Khi nạp điện thì kẽm từ zincat sẽ kết tủa trên điện cực dưới dạng bột kẽm, còn oxit kẽm phản ứng với kiềm tự do thành zincat. Như vậy nồng độ zincat trong điện dịch giữ không đổi: K2ZnO2 + 2H2O + 2e → Zn + 2KOH +2OH- (2.4) Quá trình chủ yếu xảy ra bên trong lỗ xốp nên kích thước điện cực vẫn giữ nguyên không thay đổi, dùng cực kẽm trong một lượng lớn điện dịch thì khi phóng kẽm chuyển thành zincat có tỷ trọng lớn sẽ tụt dọc theo điện cực chảy xuống đáy bình. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn Khi nạp điện bột kẽm kết tủa nhiều ở phần dưới điện cực làm cho hình dạng của nó thay đổi.

Ngoài ra kẽm kết tủa trên bề mặt điện cực ở dạng bột xốp cho nên dễ rụng xuống tạo thành mùn. Khi nạp điện, trên cực dương bạc chuyển thành Ag2O sau đó thành AgO: 2Ag + 2OH- → Ag2O + H2O + 2e (2.5) Ag2O + 2OH- → 2AgO + H2O +2e (2.6) Do đó trên đường cong nạp điện có hai đoạn tương ứng cỡ điện thế 1,6 - 1,64 và 1,9 - 2,0 V (hình 1. Đường cong phóng/nạp của ắc quy bạc - kẽm, ở các chế độ dòng khác nhau (a) 0,25Adm-1; (b) 0,5A/dm2; (c)1,0 A/dm2; (d) 2,5A/dm2; (e)5,0 A/dm2 [35]. Khi điện thế đạt tới 2,1V thì quá trình nạp điện ngừng lại vì tiếp tục thì oxi thoát mạnh sẽ oxi hoá và làm hỏng lá cách cellophan.

Tổng quát quá trình xảy ra trong ắc quy có thể viết như sau: 2Ag2O + H2O + 2Zn  4Ag + ZnO + Zn(OH)2 (2.7) 2Ag2O + 2Zn  4Ag + 2ZnO (2.8) 2AgO + H2O + 2Zn  2Ag + ZnO + Zn(OH)2 (2.9) 2AgO + 2Zn  2Ag + 2ZnO (2.10) Tương ứng với phản ứng: AgO + Zn  Ag + ZnO thì ắc quy có sức điện động là 1,85 - 1,89 V và phản ứng: Ag2O + Zn  2Ag + ZnO sức điện động tương ứng 1,55 - 1,6 V. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn Điện thế tiêu chuẩn của quá trình: Zn + 2OH-  Zn(OH)2 + 2e (2.11) 𝜑𝑍𝑛/𝑍𝑛(𝑂𝐻)2 = -1,245 V Quá trình: 2Ag + 2OH-  Ag2O + H2O + 2e (2.12) 𝜑𝐴𝑔2𝑂 = 0,344 V Từ đó sức điện động của ắc quy bạc - kẽm bằng: E = 0,344 - (-1,245) = 1,589 V. Muốn chính xác phải tính đến hoạt độ của ion trong dung dịch. Trong thực tế sức điện động của ắc quy bạc - kẽm là 1,85 V, điện thế làm việc của ắc quy khi phóng điện với chế độ thời gian dài là 1,5 V.

Vì vậy điện thế và sức điện động tương ứng với những phương trình và đường cong phóng nạp ở trên.