Tổng Hợp Vật Liệu α-MnO2 Ứng Dụng Làm Điện Cực Anode Cho Pin Lithium-Ion

Tài liệu nghiên cứu Luận văn tổng hợp vật liệu α mno2 ứng dụng làm điện cực anode cho pin lithium ion, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu về kỹ thuật.

• Tác giả: Hồ Thiên Hoàng
• Người hướng dẫn: TS. Đinh Văn Phúc
• Trường học: Học viện Khoa học và Công nghệ
• Chuyên ngành: Hóa vô cơ
• Đề tài: Tổng Hợp Vật Liệu α-MnO2 Làm Điện Cực Anode Cho Pin Lithium-Ion
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• MỞ ĐẦU
• 0.1. Lý do chọn đề tài
• 0.2. Mục đích nghiên cứu của luận văn
• 0.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 0.4. Cơ sở khoa học và tính thực tiễn của đề tài
• 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
• 1.1. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU MnO2
• 1.1.1. Cấu trúc tinh thể MnO2
• 1.1.2. Các phương pháp tổng hợp MnO2
• 1.1.2.1. Phương pháp thủy nhiệt
• 1.1.2.2. Phương pháp Sol-gel
• 1.1.3. Ứng dụng của MnO2
• 1.2. TỔNG QUAN VỀ PIN Li-ION
• 1.2.1. Cấu tạo và hoạt động của pin Li – ion
• 1.2.1.1. Cấu tạo của pin
• 1.2.1.2. Nguyên tắc hoạt động của pin
• 1.2.1.3. Lớp màng điện li dạng rắn (SEI)
• 1.2.2. Các vật liệu dùng làm anode cho pin Li-ion
• 1.2.2.1. Tình hình nghiên cứu sử dụng MnO2 làm điện cực cho pin Li-ion
• 1.2.2.1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
• 1.2.2.1.2. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam
• 2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 2.2. HÓA CHẤT, THIẾT BỊ VÀ DỤNG CỤ
• 2.2.1. Tổng hợp vật liệu α-MnO2 bằng phương pháp hóa học
• 2.2.2. Phương pháp chế tạo pin lithium-ion có anode là MnO2
• 2.2.3. Các phương pháp xác định đặc trưng của vật liệu
• 2.2.3.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
• 2.2.3.2. Phương pháp kính hiển vi điện tử SEM
• 2.2.3.3. Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua TEM
• 2.2.3.4. Phương pháp đo diện tích bề mặt BET
• 2.2.3.5. Phương pháp FT-IR
• 2.2.3.6. Các phương pháp xác định thuộc tính điện hóa của vật liệu
• 2.2.3.6.1. Phương pháp đo phổ trở kháng điện hóa EIS
• 2.2.3.6.2. Phương pháp quét thế vòng tuần hoàn CV
• 2.2.3.6.3. Phương pháp đo dung lượng phóng/sạc liên tục ở chế độ dòng không đổi
• 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. ĐẶC TRƯNG CỦA VẬT LIỆU MnO2
• 3.1.1. Thành phần hóa học của vật liệu
• 3.1.2. Hình thái của vật liệu
• 3.1.3. Cấu trúc của vật liệu
• 3.1.4. Đặc trưng liên kết trong vật liệu
• 3.1.5. Thuộc tính diện tích bề mặt và kích thước lỗ xốp của vật liệu
• 3.2. ĐẶC TÍNH ĐIỆN HÓA CỦA VẬT LIỆU
• 3.2.1. Đường cong phóng/sạc
• 3.2.2. Đường cong CV
• 3.2.3. Phổ tổng trở.Tính toán hệ số khuếch tán của Li+ ion
• 3.2.4. Dung lượng và hiệu suất Coulomb
• 3.3. SO SÁNH DUNG LƯỢNG CỦA VẬT LIỆU 𝜶-MnO2 VỚI CÁC VẬT LIỆU KHÁC
• 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Vật Liệu α MnO2 Điện Cực Anode Pin Lithium Ion

Pin lithium-ion ngày càng quan trọng trong kỷ nguyên công nghệ số, cung cấp năng lượng cho nhiều thiết bị từ nhỏ đến lớn. Nhu cầu về pin hiệu suất cao, an toàn và thân thiện với môi trường thúc đẩy nghiên cứu vật liệu mới. MnO2, đặc biệt là cấu trúc α-MnO2, nổi lên như một ứng cử viên tiềm năng thay thế graphit làm vật liệu anode. α-MnO2 có dung lượng lý thuyết cao (1230 mAh/g), không độc hại và chi phí thấp. Nghiên cứu tập trung vào việc tổng hợp vật liệu này và ứng dụng trong pin lithium-ion để cải thiện hiệu suất pin và dung lượng pin.

1.1. Giới Thiệu Cấu Trúc và Ứng Dụng của Vật Liệu α MnO2

α-MnO2 là một oxit mangan với cấu trúc tinh thể đặc biệt, tạo thành từ các khối bát diện MnO6 liên kết với nhau, tạo ra các đường hầm. Cấu trúc này cho phép ion Li+ dễ dàng xâm nhập và khuếch tán, rất quan trọng cho hiệu suất của điện cực anode. Vật liệu anode này được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như xúc tác, xử lý môi trường và đặc biệt là trong pin lithium-ion. Các nghiên cứu tập trung vào việc tối ưu hóa cấu trúc và tính chất điện hóa của α-MnO2 để nâng cao hiệu suất pin.

1.2. Tại Sao α MnO2 Là Vật Liệu Anode Tiềm Năng

α-MnO2 nổi bật so với các vật liệu anode khác nhờ dung lượng lý thuyết cao, khả năng hoạt động ổn định và chi phí sản xuất thấp. So với graphit, α-MnO2 có tiềm năng cung cấp dung lượng pin lớn hơn đáng kể, đáp ứng nhu cầu của các thiết bị di động và xe điện. Ngoài ra, α-MnO2 không độc hại và thân thiện với môi trường hơn so với các vật liệu chứa coban, làm cho nó trở thành một lựa chọn bền vững cho công nghệ pin tương lai.

II. Thách Thức và Giải Pháp Vật Liệu α MnO2 Cho Pin Lithium Ion

Mặc dù α-MnO2 có nhiều ưu điểm, việc ứng dụng nó làm điện cực anode cho pin lithium-ion vẫn đối mặt với một số thách thức. Độ dẫn điện thấp và sự thay đổi thể tích trong quá trình sạc/xả có thể làm giảm hiệu suất pin và tuổi thọ pin. Các giải pháp bao gồm cải thiện tính chất điện hóa bằng cách tổng hợp vật liệu nano, tạo cấu trúc composite với vật liệu dẫn điện và tối ưu hóa cấu trúc α-MnO2 để tăng ổn định chu kỳ.

2.1. Vấn Đề Độ Dẫn Điện Thấp của α MnO2 và Cách Khắc Phục

Một trong những hạn chế chính của α-MnO2 là độ dẫn điện thấp, làm giảm khả năng truyền tải electron trong quá trình sạc/xả. Để khắc phục, các nhà nghiên cứu đã sử dụng nhiều phương pháp, bao gồm tạo cấu trúc nano để tăng diện tích bề mặt, phủ vật liệu dẫn điện như carbon nanotubes hoặc graphene, và doping với các nguyên tố khác để cải thiện tính chất điện hóa. Các phương pháp này giúp tăng cường khả năng truyền tải electron và cải thiện hiệu suất pin.

2.2. Ổn Định Cấu Trúc α MnO2 Giải Pháp Cho Chu Kỳ Sạc Xả

Sự thay đổi thể tích của α-MnO2 trong quá trình sạc/xả có thể gây ra sự suy giảm dung lượng pin và giảm tuổi thọ pin. Để giải quyết vấn đề này, các nhà khoa học đã tập trung vào việc tạo ra các cấu trúc nano có độ xốp cao, cho phép α-MnO2 giãn nở và co lại một cách linh hoạt mà không gây ra sự phá vỡ cấu trúc. Ngoài ra, việc tạo cấu trúc composite với các vật liệu anode khác cũng giúp tăng cường ổn định chu kỳ và cải thiện hiệu suất pin.

III. Phương Pháp Tổng Hợp α MnO2 Tối Ưu Điện Cực Anode Pin

Nhiều phương pháp tổng hợp đã được phát triển để tạo ra α-MnO2 với các tính chất cấu trúc và tính chất hình thái khác nhau. Các phương pháp phổ biến bao gồm tổng hợp thủy nhiệt, tổng hợp sol-gel, tổng hợp microwave và tổng hợp hóa học. Mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng, ảnh hưởng đến tính chất điện hóa và hiệu suất pin của vật liệu anode.

3.1. Tổng Hợp Thủy Nhiệt Ưu Điểm và Ứng Dụng α MnO2

Tổng hợp thủy nhiệt là một phương pháp phổ biến để tạo ra α-MnO2 với độ tinh khiết cao và kích thước hạt đồng đều. Phương pháp này sử dụng dung môi nước ở nhiệt độ và áp suất cao để hòa tan và tái kết tinh các tiền chất, tạo ra vật liệu anode có cấu trúc tinh thể tốt. Tổng hợp thủy nhiệt thường được sử dụng để tạo ra α-MnO2 dạng thanh (nanorod) hoặc dây (nanowire), có tính chất điện hóa ưu việt.

3.2. Tổng Hợp Sol Gel Kiểm Soát Cấu Trúc và Hình Thái α MnO2

Tổng hợp sol-gel là một phương pháp linh hoạt cho phép kiểm soát cấu trúc α-MnO2 và hình thái hạt. Phương pháp này bắt đầu bằng việc tạo ra một sol (dung dịch keo) từ các tiền chất, sau đó chuyển thành gel và cuối cùng là vật liệu rắn thông qua quá trình sấy khô và nung. Tổng hợp sol-gel có thể tạo ra α-MnO2 với diện tích bề mặt lớn và độ xốp cao, cải thiện khả năng lưu trữ ion Li+ và hiệu suất pin.

IV. Nghiên Cứu Ứng Dụng α MnO2 Cải Thiện Hiệu Suất Pin Lithium Ion

Nhiều nghiên cứu đã chứng minh tiềm năng của α-MnO2 trong việc cải thiện hiệu suất pin lithium-ion. Các kết quả cho thấy α-MnO2 có thể cung cấp dung lượng pin cao hơn so với graphit, đồng thời cải thiện ổn định chu kỳ và tốc độ sạc/xả. Tuy nhiên, cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa tính chất điện hóa và giảm chi phí sản xuất để α-MnO2 có thể cạnh tranh với các vật liệu anode thương mại.

4.1. So Sánh Hiệu Suất α MnO2 với Vật Liệu Anode Khác

So với graphit, α-MnO2 có dung lượng lý thuyết cao hơn đáng kể (1230 mAh/g so với 372 mAh/g). Các nghiên cứu đã chứng minh rằng α-MnO2 có thể cung cấp dung lượng pin cao hơn trong thực tế, đặc biệt khi được kết hợp với các vật liệu dẫn điện. Tuy nhiên, α-MnO2 vẫn cần được cải thiện về độ dẫn điện và ổn định chu kỳ để cạnh tranh với các vật liệu anode thương mại khác.

4.2. Tiềm Năng Ứng Dụng Thực Tế của α MnO2 trong Pin

α-MnO2 có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các loại pin lithium-ion, từ thiết bị di động đến xe điện và hệ thống lưu trữ năng lượng. Với dung lượng pin cao và chi phí sản xuất thấp, α-MnO2 có thể giúp giảm giá thành của pin lithium-ion và làm cho chúng trở nên phổ biến hơn. Tuy nhiên, cần tiếp tục nghiên cứu để giải quyết các thách thức về độ dẫn điện và ổn định chu kỳ để α-MnO2 có thể được ứng dụng rộng rãi trong thực tế.

V. Kết Luận và Xu Hướng Phát Triển Vật Liệu α MnO2 Anode

α-MnO2 là một vật liệu anode đầy hứa hẹn cho pin lithium-ion, với tiềm năng cung cấp dung lượng pin cao, chi phí thấp và thân thiện với môi trường. Các nghiên cứu trong tương lai sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa phương pháp tổng hợp, cải thiện tính chất điện hóa và giảm chi phí sản xuất để α-MnO2 có thể cạnh tranh với các vật liệu anode thương mại và đóng góp vào sự phát triển của công nghệ pin bền vững.

5.1. Tóm Tắt Ưu Điểm và Hạn Chế của α MnO2

α-MnO2 có nhiều ưu điểm như dung lượng lý thuyết cao, chi phí thấp và không độc hại. Tuy nhiên, nó cũng có những hạn chế như độ dẫn điện thấp và sự thay đổi thể tích trong quá trình sạc/xả. Các nghiên cứu trong tương lai cần tập trung vào việc khắc phục những hạn chế này để α-MnO2 có thể được ứng dụng rộng rãi trong pin lithium-ion.

5.2. Hướng Nghiên Cứu và Phát Triển Vật Liệu α MnO2 Tương Lai

Các hướng nghiên cứu và phát triển α-MnO2 trong tương lai bao gồm: (1) Tối ưu hóa phương pháp tổng hợp để tạo ra α-MnO2 với tính chất điện hóa tốt nhất; (2) Tạo cấu trúc composite với vật liệu dẫn điện để cải thiện độ dẫn điện; (3) Nghiên cứu các chất phụ gia để tăng cường ổn định chu kỳ; (4) Phát triển các quy trình sản xuất quy mô lớn để giảm chi phí. Các nghiên cứu này sẽ giúp α-MnO2 trở thành một vật liệu anode cạnh tranh và đóng góp vào sự phát triển của công nghệ pin bền vững.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Pin lithium-ion (Li-ion) hiện là nguồn năng lượng chủ đạo cho nhiều thiết bị điện tử và phương tiện giao thông hiện đại, với nhu cầu ngày càng tăng về dung lượng lưu trữ và hiệu suất hoạt động. Theo ước tính, dung lượng lý thuyết của vật liệu anode truyền thống như graphit chỉ khoảng 372 mAh/g, không đáp ứng được yêu cầu cao của các ứng dụng như xe điện. Trong khi đó, mangan đioxit (MnO2) với dung lượng lý thuyết lên đến 1230 mAh/g, không độc hại và chi phí thấp, được xem là vật liệu tiềm năng thay thế. Luận văn tập trung tổng hợp vật liệu α-MnO2 dạng nanorod bằng phương pháp hóa học đơn giản, nhằm ứng dụng làm điện cực anode cho pin Li-ion. Nghiên cứu thực hiện trong giai đoạn 2020-2021 tại Việt Nam, với mục tiêu đánh giá đặc trưng cấu trúc, hình thái và hiệu suất điện hóa của vật liệu tổng hợp. Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển vật liệu anode có dung lượng cao, thân thiện môi trường, hỗ trợ nâng cao hiệu suất và tuổi thọ pin Li-ion, đáp ứng nhu cầu công nghiệp năng lượng tái tạo và thiết bị di động.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Cấu trúc tinh thể MnO2: MnO2 tồn tại dưới nhiều dạng tinh thể như α, β, γ, δ, λ với cấu trúc đường hầm hoặc lớp xen kẽ, ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất điện hóa. Cấu trúc α-MnO2 có dạng đường hầm 1D kích thước [2x2], thuận lợi cho sự khuếch tán ion Li+.
• Phản ứng oxi hóa-khử trong tổng hợp vật liệu: Phương pháp hóa học dựa trên phản ứng oxi hóa-khử giữa KMnO4 và C2H5OH để tạo ra α-MnO2 dạng nanorod.
• Cơ chế hoạt động pin Li-ion: Ion lithium di chuyển qua màng điện ly giữa anode và cathode trong quá trình phóng/sạc, với hiệu suất và dung lượng phụ thuộc vào vật liệu điện cực.
• Phương pháp phân tích điện hóa: Sử dụng quét thế vòng tuần hoàn (CV), phổ trở kháng điện hóa (EIS), và đo dung lượng phóng/sạc để đánh giá hiệu suất và tính ổn định của vật liệu anode.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Vật liệu α-MnO2 được tổng hợp bằng phương pháp hóa học tại phòng thí nghiệm, sử dụng KMnO4 và etanol làm nguyên liệu chính.
• Phương pháp tổng hợp: Hòa tan KMnO4 trong nước, khuấy liên tục 24 giờ đồng thời nhỏ giọt dung dịch etanol, sau đó rửa, sấy và nung ở 600 ℃ trong 24 giờ để thu vật liệu α-MnO2.
• Phân tích đặc trưng vật liệu: Sử dụng XRD để xác định cấu trúc tinh thể, SEM và TEM để quan sát hình thái nanorod, BET để đo diện tích bề mặt, FT-IR để xác định liên kết hóa học.
• Phân tích điện hóa: Thiết lập pin lithium-ion dạng đồng xu với anode là α-MnO2, đo CV, EIS và dung lượng phóng/sạc ở mật độ dòng 100 mA/g trong khoảng thế 0,01 – 3,00 V.
• Cỡ mẫu và timeline: Nghiên cứu thực hiện trong vòng 12 tháng, với nhiều mẫu vật liệu được tổng hợp và đánh giá để đảm bảo tính lặp lại và độ tin cậy của kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Thành công tổng hợp α-MnO2 dạng nanorod: Kích thước nanorod đồng đều, chiều dài khoảng 100 nm, được xác nhận qua SEM và TEM. Phân tích EDS cho thấy thành phần chính là Mn và O, có lớp cacbon mỏng trên bề mặt do quá trình nung.
2. Cấu trúc tinh thể α-MnO2 rõ ràng: XRD cho thấy các peak đặc trưng tại góc 2θ = 12,9°, 18,1°, 28,76°, phù hợp với dữ liệu chuẩn JCPDS 44-0141, chứng minh vật liệu thu được là α-MnO2 tinh khiết. Peak ở 20° chỉ ra sự tồn tại của cấu trúc vô định hình do cacbon.
3. Tính chất điện hóa vượt trội: Đường cong phóng/sạc và CV cho thấy dung lượng phóng/sạc ban đầu đạt khoảng 1200 mAh/g, gần với dung lượng lý thuyết 1230 mAh/g của MnO2. Hiệu suất Coulomb duy trì trên 75% sau 100 chu kỳ, thể hiện tính ổn định tốt.
4. Phổ trở kháng EIS: Phổ Nyquist cho thấy điện trở tiếp xúc thấp và khả năng khuếch tán ion Li+ cao, hệ số khuếch tán Li+ được tính toán lớn hơn 10^-10 m^2/s, hỗ trợ cho hiệu suất phóng/sạc cao.
5. Ảnh hưởng của màng phân tách: So sánh giữa màng PP và màng Whatman GF/C cho thấy màng Whatman giúp tăng dung lượng và hiệu suất Coulomb lên khoảng 10%, do khả năng dẫn ion tốt hơn.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy phương pháp hóa học đơn giản, hiệu quả trong việc tổng hợp α-MnO2 nanorod với cấu trúc tinh thể ổn định và hình thái đồng đều, phù hợp làm vật liệu anode cho pin Li-ion. Dung lượng phóng/sạc cao gần với lý thuyết chứng tỏ khả năng lưu trữ ion Li+ hiệu quả nhờ cấu trúc đường hầm 1D của α-MnO2. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng graphit (372 mAh/g) hoặc các oxit kim loại khác, vật liệu này có dung lượng vượt trội, đồng thời chi phí và độ an toàn được cải thiện. Phổ trở kháng thấp và hệ số khuếch tán ion cao giải thích cho hiệu suất phóng/sạc ổn định. Việc lựa chọn màng phân tách cũng ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất pin, gợi ý hướng nghiên cứu tiếp theo về vật liệu màng ngăn. Các biểu đồ XRD, SEM, TEM, CV và EIS được trình bày chi tiết trong luận văn để minh họa các phát hiện trên.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa quy trình tổng hợp: Nâng cao kiểm soát kích thước nanorod và độ tinh khiết vật liệu bằng cách điều chỉnh tỷ lệ KMnO4 và etanol, thời gian khuấy và nhiệt độ nung nhằm tăng dung lượng và độ bền pin. Thực hiện trong 6 tháng, do nhóm nghiên cứu vật liệu thực hiện.
2. Nghiên cứu vật liệu màng phân tách mới: Thử nghiệm các loại màng có khả năng dẫn ion cao hơn màng Whatman và PP, nhằm cải thiện hiệu suất và tuổi thọ pin. Thời gian 9 tháng, phối hợp với phòng thí nghiệm vật liệu polymer.
3. Phát triển quy trình sản xuất quy mô lớn: Xây dựng quy trình tổng hợp α-MnO2 nanorod theo phương pháp hóa học phù hợp với sản xuất công nghiệp, đảm bảo chi phí thấp và kiểm soát chất lượng. Thời gian 12 tháng, phối hợp với doanh nghiệp sản xuất pin.
4. Ứng dụng thử nghiệm trong pin xe điện: Lắp ráp và đánh giá pin Li-ion sử dụng anode α-MnO2 trong điều kiện thực tế của xe điện để kiểm chứng hiệu suất và độ bền. Thời gian 18 tháng, phối hợp với các trung tâm nghiên cứu và doanh nghiệp ô tô điện.
5. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật tổng hợp và ứng dụng vật liệu α-MnO2 cho các nhà nghiên cứu và kỹ sư trong ngành pin, thúc đẩy ứng dụng rộng rãi. Thời gian liên tục, do viện nghiên cứu và trường đại học thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu vật liệu pin: Luận văn cung cấp phương pháp tổng hợp và đánh giá chi tiết vật liệu α-MnO2 nanorod, giúp phát triển vật liệu anode dung lượng cao, phù hợp cho nghiên cứu và phát triển pin Li-ion thế hệ mới.
2. Doanh nghiệp sản xuất pin và thiết bị lưu trữ năng lượng: Thông tin về quy trình tổng hợp, đặc tính vật liệu và hiệu suất pin hỗ trợ cải tiến sản phẩm, giảm chi phí và nâng cao chất lượng pin thương mại.
3. Giảng viên và sinh viên ngành hóa vô cơ, vật liệu: Tài liệu tham khảo quý giá về kỹ thuật tổng hợp vật liệu nano, phương pháp phân tích cấu trúc và điện hóa, phục vụ giảng dạy và nghiên cứu khoa học.
4. Chuyên gia phát triển công nghệ năng lượng tái tạo: Cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu thực nghiệm để ứng dụng vật liệu mới trong hệ thống lưu trữ năng lượng, góp phần phát triển bền vững và giảm thiểu tác động môi trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao chọn α-MnO2 làm vật liệu anode cho pin Li-ion?
   α-MnO2 có cấu trúc đường hầm 1D kích thước [2x2] giúp ion Li+ dễ dàng khuếch tán, dung lượng lý thuyết cao (1230 mAh/g), không độc hại và chi phí thấp, phù hợp thay thế graphit truyền thống.

2. Phương pháp tổng hợp hóa học có ưu điểm gì so với các phương pháp khác?
   Phương pháp hóa học đơn giản, nhanh, không cần thiết bị phức tạp, kiểm soát tốt kích thước và độ tinh khiết, tiết kiệm chi phí và dễ mở rộng quy mô sản xuất.

3. Hiệu suất Coulomb của vật liệu α-MnO2 đạt bao nhiêu sau 100 chu kỳ?
   Hiệu suất Coulomb duy trì trên 75% sau 100 chu kỳ, cho thấy vật liệu có tính ổn định điện hóa tốt, phù hợp cho ứng dụng pin sạc nhiều lần.

4. Ảnh hưởng của màng phân tách đến hiệu suất pin như thế nào?
   Màng Whatman GF/C giúp tăng dung lượng và hiệu suất Coulomb khoảng 10% so với màng PP do khả năng dẫn ion tốt hơn, giảm điện trở nội bộ pin.

5. Có thể ứng dụng vật liệu α-MnO2 này trong pin xe điện không?
   Có thể, với dung lượng cao và tính ổn định tốt, vật liệu α-MnO2 nanorod là ứng viên tiềm năng cho pin xe điện, tuy nhiên cần thử nghiệm thực tế để đánh giá toàn diện về tuổi thọ và an toàn.

Kết luận

• Đã tổng hợp thành công vật liệu α-MnO2 dạng nanorod với kích thước khoảng 100 nm, cấu trúc tinh thể rõ ràng, phù hợp làm anode pin Li-ion.
• Vật liệu đạt dung lượng phóng/sạc gần 1200 mAh/g, hiệu suất Coulomb trên 75% sau 100 chu kỳ, vượt trội so với graphit truyền thống.
• Phổ trở kháng và hệ số khuếch tán ion Li+ cho thấy khả năng dẫn điện và khuếch tán ion tốt, hỗ trợ hiệu suất pin ổn định.
• Màng phân tách ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất pin, gợi ý hướng nghiên cứu vật liệu màng mới.
• Đề xuất tối ưu quy trình tổng hợp, nghiên cứu màng phân tách, phát triển quy mô sản xuất và ứng dụng thực tế trong pin xe điện.

Triển khai nghiên cứu tối ưu quy trình và thử nghiệm pin thực tế, đồng thời mở rộng hợp tác với doanh nghiệp sản xuất pin để chuyển giao công nghệ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Hồ Thiên Hoàng TONG HOP VAT LIEU a-MnO2 UNG DUNG LAM ĐIỆN CUC ANODE CHO PIN LITHIUM- ION LUAN VAN THAC Si HOA VO CO Thành phố Hồ Chí Minh - 2021 BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Hồ Thiên Hoàng TONG HOP VAT LIEU a-MnO2 UNG DUNG LAM ĐIỆN CUC ANODE CHO PIN LITHIUM- ION Chuyên ngành: Hóa vô cơ Mã số: 8440113 LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA VÔ CƠ CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: Hướng dẫn 1: TS. Đinh Văn Phúc Hướng dẫn 2: PGS. Trần Ngọc Quyền Thành phố Hồ Chí Minh - 2021 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn với đề tài “Tống hợp vật liệu a-MnO; ứng dụng làm điện cực anode cho pin Lithium-ion” là công trình của riêng tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Đinh Văn Phúc và PGS.

Trần Ngọc Quyền. Các kết quả số liệu là trung thực, không trùng lặp với bất kỳ công trình khoa học nào khác. Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 05 năm 2021 Tác giả luận văn Hồ Thiên Hoàng LỜI CẢM ƠN Với sự biết ơn chân thành và sâu sắc nhất, tôi xin gửi lời cảm ơn đến TS. Đinh Văn Phúc và PGS.

Trần Ngọc Quyền, là những người thầy đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình hoàn thành luận văn này. Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam cùng tất cả quý thầy, cô giáo trong và ngoài Viện đã chỉ bảo, truyền dạy cho tôi những kiến thức bổ ích, quý báu trong suốt thời gian theo học tại học viện. Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban lãnh đạo học viện khoa học và công nghệ, cùng các thầy cô của phòng sau đại học, phòng đảo tạo, văn phòng khoa đã giải quyết các thủ tục, giấy giới thiệu và các chứng từ có liên quan để tôi có điều kiện hoàn thành bài luận văn của mình. Xin gửi lời cảm ơn tới TS.

Nguyễn Tuấn Lợi đã có nhiều hỗ trợ trong nghiên cứu. Đồng cảm ơn tới toàn thể cán bộ, nhân viên Phòng nghiên cứu FM&D trường đại học Duy Tân, Trường đại học Đồng Nai đã quan tâm giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi tốt nhất cũng như những đóng góp về chuyên môn cho tôi trong quá trình học tập, thực hiện nghiên cứu và bảo vệ luận văn. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ tình cảm tới những người thân trong gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ, hỗ trợ tôi về mọi mặt. Trong suốt quá trình nghiên cứu không tránh khỏi những sai sót, tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến từ quý thầy cô và các bạn.

Cuối cùng, xin chúc quý thầy cô thật nhiều sức khỏe và thành công trong sự nghiệp. Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 05 năm 2021 HỌC VIÊN Hồ Thiên Hoàng il DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TAT Ký hiệu Tên tiếng anh Tên tiếng việt BET Brunauer-Emmett-Teller Đo diện tích bề mặt Barrett, Joyner, and ta ar PR OK BJH Halenda Đo diện tích lỗ xôp BSE Backscattered electron Điện tử tán xạ ngược CMC Carboxymethy] cellulose Chat ket dinh Carboxymethyl cellulose „ ; CV Cyclic voltammetry Phu ơng pháp quét thể vòng tuân hoàn EDS Energy-dispersive X-ray phả tán sắc năng lượng tia X spectroscopy , EIS Electrochemical Phương pháp đo phô trở khang 1mpedance spectroscopy điện hóa Fourier-transform infrared , Â LÀ. FT-IR spectroscopy Phuong phap pho hong ngoai LIB Lithium-ion Pin lithium-ion hoặc pin Li-ion NCA Lithium nickel cobalt Lithium niken coban nhém oxit aluminium oxide NMC Lithium nickel manganese“ Lithi niken mangan coban oxit cobalt oxide PP Polipropilen Mang Polipropilen PVA Poli Vinyl Ancol Poli Vinyl Ancol SE Secondary electron Tín hiệu điện tử thứ cấp SEI Solid electrolyte interface Lớp màng điện li dạng rắn SEM Scanning electron Kinh hién vi dién quét microscope TEM Transmission electron Kinh hién vi dién tir truyén qua microscopy Wh Whatman Mang Whatman XRD X-Ray Diffraction Nhiéu xa tia X 11 DANH MUC BANG Bang 1. Cấu trúc tinh thể của MnO; theo cấu trúc đường hằm.

Cấu trúc tinh thê của ö-MnO; theo cấu trúc lớp. Tên hóa chất, nguồn gốc xuất Xứ. Tên thiết bị , nguồn gốc và đòng máy. So sánh dung lượng bởi các vật liệu kết hợp với màng Wh và PP IV .2 DANH MỤC HÌNH ẢNH Cấu trúc tỉnh thể của ơ-, P-.

Ảnh SEM của MnO; được chế tạo bằng phương pháp sol- gel. Sơ đồ minh họa điều chế MnO¿ bằng phương pháp khử 1sopropanol KH HT TH TT TH TT HT TH TT Tà TH TT TT TT TH TH Tà TH TH Tà TH TT TH re 14 Hinh 1. Cấu tạo của pin lithium-ion dang đồng xu. Dòng ion trong pin lithium-ion.

Sơ đồ minh họa về vật liệu anode và mật độ dung lượng tương ứng KH HT TH TT TH TT HT TH TT Tà TH TT TT TT TH TH Tà TH TH Tà TH TT TH re 20 Hình 2. Quy trình tổng hợp vật liệu œ-MnO;. Quy trình chế tạo điện cực và pIn hoàn chỉnh. Pin thành phâm được kết nối với thiết bị do điện hóa.

Các chùm tia X nhiễu xạ trên bề mặt tinh thé chất rắn. Tương tác giữa chùm electron với vật mẫu và các tín hiệu. Tương tác chùm điện tử với mẫu vật và các tín hiệu sinh ra. Sơ đồ hoạt động của phương pháp đo.

Mô hình thiết lập bình điện hoá ba điện cực. Biểu đồ đo thế tuần hoàn. Chương trình khử MnO, bằng H; theo nhiệt độ. Anh SEM (a), TEM (b) va EDS mapping (c) cua vat liệu MnO¿.

Nhiéu xa tia X của vật liệu MnO; tong hợp được. Phố FT-IR của vật liệu MnO; tông hợp được. Đường cong hấp phụ-giải hấp N› của vật liệu MnO; tổng hợp được Hình 3. Kết quả xác định đường cong phóng/sạc ở 3 chu kì đầu tiên của điện cực ơ-MñnO; — PPP.

- - - cv v1 1111 11111 11 11 1E nàn se 42 Hình 3. Kết quả xác định đường cong CV của điện cực a-MnO; — PP. Phố tổng trở Nyquist sau khi phóng sạc của điện cực a-MnO; — PP Hình 3. Đường cong CV ở các tốc độ quét khác nhau của điện cực ø-MnO; — PP (a) và Đồ thị so sánh hệ số khuếch tán của Li* ion trong điện cực a-MnO; Hình 3.

Kết quả xác định đường cong phóng/sạc ở 3 chu kì đầu tiên của điện cực ơ-MnOz—ÏWWh.-- G SG 1 311 0111311115110 1 0111 H1 11 11H HH rà 47 Hình 3. Kết quả xác định đường cong CV của điện cực ơ-MnO; — Wh. Phổ tổng trở Nyquist sau khi phóng sạc của điện cực a-MnO;-Wh Hình 3. Đường cong CV ở các tốc độ quét khác nhau của điện cực d-MnO; — Wh (a) và Đồ thị so sánh hệ số khuếch tán của Li* ion trong điện cực ơ- I9 0)4000 00077.

Két qua xac dinh dung luong va hiéu suất Coulomb của điện cực ơœ-MnO: với hai loại màng PP và WH.- LH ng HH nh gi, 52 vi MỤC LỤC 0000. ii DANH MUC CAC KY HIEU VA CHU VIET TẮTT .------ iii DANH MUC BANG pisccssssssssssnssssssconsssnssssnssssscesscsnsccsseconscsasccanscsnsesssecsseessesnes iv DANH MUC HINH ANH.csscsssssossssssssonsssssssssssssccsseconscsasecanscenscsanscessessneessse Vv MỤC IUỤC.004 006 vii MO DAU aessesssssssssssssesssssssscssecsnscesseconscenscsanscenssssscssscessecensesasecanscessecanecessesssesssss 1 1. Lý do chon dé tai. Mục đích nghiên cứu của luận văn .-<- s-<s< «s se ses sesses 2 3.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. Cơ sở khoa học và tính thực tiễn của đề tài. TÔNG QUAN ĐỀ TÀI [. TÔNG QUAN VÈ VẬT LIỆU MnO¿.

Cấu trúc tỉnh thể MnO;. Các phương pháp tổng hợp MnO; 1. Phương pháp thủy nhiỆt. Phương pháp SOÏ-ge€ÌL.

Phương pháp điện phân. Phương pháp đốt cháy gel. Phương pháp hóa hỌC. Ứng dụng của MO;.

TONG QUAN VE PIN Li-ION 1. Cấu tạo và hoạt động của pin Lï — Ion. Cấu tạo của pin 1. Nguyên tắc hoạt động của pin.------c-2ccs+ccscccsz 18 Vii 1.3 Lớp màng điện l¡ dạng rắn (SEI).

Các vật liệu dùng làm anode cho pin Li-Ion. Tình hình nghiên cứu sử dụng MnO; làm điện cực cho pin Li-ion22 1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam.

NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU. HÓA CHÁT, THIẾT BỊ VÀ DỤNG CỤ. Tổng hợp vật liệu a-MnO; bằng phương pháp hóa học.

Phuong phap ché tao pin lithium-ion c6 anode 14 MnO). Các phương pháp xác định đặc trưng của vật liệu. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD). Phương pháp kính hiển vi điện tử SEM.

Phương pháp kính hiễn vi điện tử truyền qua TEM. Phương pháp đo điện tích bề mặt BET. Phương pháp FT-I. -- - + xxx ng gi, 33 2.

Các phương pháp xác định thuộc tính điện hóa của vật liệu. Phương pháp đo phổ trở kháng điện hóa EIS. Phương pháp quét thế vòng tuần hoàn CV. Phương pháp đo dung lượng phóng/sạc liên tục ở chế độ dòng không đỔII.

--- --- 6 1 vn THHTHYn HH H Th HngnHnrn 36 CHƯƠNG 3. KÉT QUÁ VÀ BÀN LUẬN. ĐẶC TRƯNG CỦA VẬT LIỆU MnO¿. Thành phần hóa học của vật liệu 3.

Hình thái của vật liệu 3. Cấu trúc của vật liỆu. Đặc trưng liên kết trong vật liệu. Thuộc tính diện tích bê mặt và kích thước lỗ xôp của vật liệu.

ĐẶC TÍNH ĐIỆN HÓA CỦA VẬT LIỆU. Đường cong phóng/SạC .- cà tt se 42 3. Đường cong CV.- cv TT HH HT nh Hàn nà Hy 43 3. Phổ tổng trở.Tính toán hệ số khuếch tán của Li ion.

HH HH HH TH HH 47 3. Đường cong phóng/SạC. Đường cong CV.- cv TT HH HT nh HH Hy 48 3. Phổ tỔng trở.Tính toán hệ số khuếch tán của Li ion.

Dung lượng và hiệu suất Coulomb. SO SÁNH DUNG LƯỢNG CỦA VẬT LIỆU ø-MnO; VỚI CÁC VẬT LIỆU KHÁC.--- se sessvsseSss£EsseEssezvseevseerrservsee 53 CHƯƠNG 4. KÉT LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ,.--s--s«ss5s 55 co sẽ sẽ. 56 TAI LIEU THAM KHẢO.

se <-s<©ssssseevssezsserrssrrseerse 58 PHU LUC 55 ~.ÔỎ a 1X MO DAU 1. LY DO CHON DE TAI Những năm gần đây, pin được sử dụng như một nguồn cung cấp năng lượng hoạt động cho rất nhiều chủng loại thiết bị từ những món đồ chơi nhỏ, đồng hồ thông minh, máy tính laptop, các thiết bị đi động, cho đến phương tiện giao thông như xe máy điện, ô tô điện và là một phần không thể thiếu trong thời đại của công nghệ kỹ thuật số. Hơn thế nữa, nguy cơ khủng hoảng năng lượng do cạn kiệt nguồn năng lượng hóa thạch như than đá, dầu mỏ đang dần hiện ra, kèm theo việc sử dụng nguồn năng lượng hóa thạch môi trường sẽ bị ảnh hưởng khi lượng lớn khí CO: thải ra bầu khí quyền.