(Luận văn thạc sĩ) tổng hợp vật liệu α mno2 ứng dụng làm điện cực anode cho pin lithium ion

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - Hồ Thiên Hoàng TỔNG HỢP VẬT LIỆU α-MnO2 ỨNG DỤNG LÀM ĐIỆN CỰC ANODE CHO PIN LITHIUM- ION LUẬN VĂN THẠC SĨ HĨA VƠ CƠ Thành phố Hồ Chí Minh – 2021 Luan van 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 TỔNG HỢP VẬT LIỆU α-MnO2 ỨNG DỤNG LÀM ĐIỆN CỰC ANODE CHO PIN LITHIUM- ION Chun ngành: Hóa vơ Mã số: 8440113 LUẬN VĂN THẠC SĨ HĨA VƠ CƠ CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: Hướng dẫn 1: TS Đinh Văn Phúc Hướng dẫn 2: PGS TS Trần Ngọc Quyển Thành phố Hồ Chí Minh – 2021 Luan van LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn với đề tài “Tổng hợp vật liệu α-MnO2 ứng dụng làm điện cực anode cho pin Lithium-ion” cơng trình riêng tơi thực hướng dẫn TS Đinh Văn Phúc PGS.TS Trần Ngọc Quyển Các kết số liệu trung thực, không trùng lặp với công trình khoa học khác TP Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 05 năm 2021 Tác giả luận văn Hồ Thiên Hoàng i Luan van LỜI CẢM ƠN Với biết ơn chân thành sâu sắc nhất, xin gửi lời cảm ơn đến TS Đinh Văn Phúc PGS.TS Trần Ngọc Quyển, người thầy trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho tơi suốt q trình hồn thành luận văn Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam tất quý thầy, cô giáo Viện bảo, truyền dạy cho tơi kiến thức bổ ích, q báu suốt thời gian theo học học viện Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban lãnh đạo học viện khoa học cơng nghệ, thầy phịng sau đại học, phòng đào tạo, văn phòng khoa giải thủ tục, giấy giới thiệu chứng từ có liên quan để tơi có điều kiện hồn thành luận văn Xin gửi lời cảm ơn tới TS Nguyễn Tuấn Lợi có nhiều hỗ trợ 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 quan tâm giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi tốt đóng góp chun mơn cho tơi q trình học tập, thực nghiên cứu bảo vệ luận văn Cuối cùng, xin bày tỏ tình cảm tới người thân gia đình, bạn bè, đồng nghiệp động viên, giúp đỡ, hỗ trợ tơi mặt Trong suốt q trình nghiên cứu khơng tránh khỏi sai sót, tơi mong nhận đóng góp ý kiến từ quý thầy cô bạn Cuối cùng, xin chúc quý thầy cô thật nhiều sức khỏe thành công nghiệp TP Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 05 năm 2021 HỌC VIÊN Hồ Thiên Hoàng ii Luan van DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu BET Tên tiếng anh Tên tiếng việt BSE Brunauer–Emmett–Teller Barrett, Joyner, and Halenda Backscattered electron CMC Carboxymethyl cellulose CV Cyclic voltammetry BJH Đo diện tích bề mặt Đo diện tích lỗ xốp Điện tử tán xạ ngược Chất kết dính Carboxymethyl cellulose Phương pháp qt vịng tuần hồn Phổ tán sắc lượng tia X PP Energy-dispersive X-ray spectroscopy Electrochemical impedance spectroscopy Fourier-transform infrared spectroscopy Lithium-ion Lithium nickel cobalt aluminium oxide Lithium nickel manganese cobalt oxide Polipropilen PVA Poli Vinyl Ancol Poli Vinyl Ancol SE Secondary electron Tín hiệu điện tử thứ cấp SEI Lớp màng điện li dạng rắn Wh Solid electrolyte interface Scanning electron microscope Transmission electron microscopy Whatman XRD X-Ray Diffraction Nhiễu xạ tia X EDS EIS FT-IR LIB NCA NMC SEM TEM Phương pháp đo phổ trở kháng điện hóa Phương pháp phổ hồng ngoại Pin lithium-ion pin Li-ion Lithium niken coban nhôm oxit Lithi niken mangan coban oxit Màng Polipropilen Kính hiển vi điện quét Kính hiển vi điện tử truyền qua Màng Whatman iii Luan van DANH MỤC BẢNG Bảng 1 Cấu trúc tinh thể MnO2 theo cấu trúc đường hầm Bảng Cấu trúc tinh thể δ-MnO2 theo cấu trúc lớp Bảng Tên hóa chất, nguồn gốc xuất xứ 27 Bảng 2 Tên thiết bị , nguồn gốc dòng máy 28 Bảng So sánh dung lượng vật liệu kết hợp với màng Wh PP 54 iv Luan van DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1 Cấu trúc tinh thể α-, β-, γ-, δ -, and λ-MnO2 Hình Ảnh SEM MnO2 chế tạo phương pháp sol- gel 11 Hình Sơ đồ minh họa điều chế MnO2 phương pháp khử isopropanol 14 Hình Cấu tạo pin lithium-ion dạng đồng xu 17 Hình Dòng ion pin lithium-ion 18 Hình Sơ đồ minh họa vật liệu anode mật độ dung lượng tương ứng 20 Hình Quy trình tổng hợp vật liệu α-MnO2 29 Hình 2 Quy trình chế tạo điện cực pin hồn chỉnh 30 Hình Pin thành phẩm kết nối với thiết bị điện hóa 31 Hình Các chùm tia X nhiễu xạ bề mặt tinh thể chất rắn 32 Hình Tương tác chùm electron với vật mẫu tín hiệu 32 Hình Tương tác chùm điện tử với mẫu vật tín hiệu sinh 33 Hình Sơ đồ hoạt động phương pháp đo 34 Hình Mơ hình thiết lập bình điện hố ba điện cực 34 Hình Biểu đồ đo tuần hoàn 35 Hình Chương trình khử MnOx H2 theo nhiệt độ 37 Hình Ảnh SEM (a), TEM (b) EDS mapping (c) vật liệu MnO2 38 Hình 3 Nhiễu xạ tia X vật liệu MnO2 tổng hợp 39 Hình Phổ FT-IR vật liệu MnO2 tổng hợp 40 Hình Đường cong hấp phụ-giải hấp N2 vật liệu MnO2 tổng hợp 41 Hình Kết xác định đường cong phóng/sạc chu kì điện cực α-MnO2 – PP 42 v Luan van Hình Kết xác định đường cong CV điện cực α-MnO2 – PP 44 Hình Phổ tổng trở Nyquist sau phóng sạc điện cực α-MnO2 – PP 45 Hình Đường cong CV tốc độ quét khác điện cực α-MnO2 – PP (a) Đồ thị so sánh hệ số khuếch tán Li+ ion điện cực α-MnO2 – PP (b) 46 Hình 10 Kết xác định đường cong phóng/sạc chu kì điện cực α-MnO2–Wh 47 Hình 11 Kết xác định đường cong CV điện cực α-MnO2 – Wh 49 Hình 12 Phổ tổng trở Nyquist sau phóng sạc điện cực α-MnO2–Wh 50 Hình 13 Đường cong CV tốc độ quét khác điện cực α-MnO2 – Wh (a) Đồ thị so sánh hệ số khuếch tán Li + ion điện cực αMnO2–Wh (b) 51 Hình 14 Kết xác định dung lượng hiệu suất Coulomb điện cực α-MnO2 với hai loại màng PP Wh 52 vi Luan van MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT iii DANH MỤC BẢNG iv DANH MỤC HÌNH ẢNH v MỤC LỤC vii MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục đích nghiên cứu luận văn Đối tượng phạm vi nghiên cứu Cơ sở khoa học tính thực tiễn đề tài CHƯƠNG 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 1.1.2.3 Phương pháp điện phân 11 1.1.2.4 Phương pháp đốt cháy gel 12 1.1.2.5 Phương pháp hóa học 14 1.1.3 Ứng dụng MnO2 15 1.2 TỔNG QUAN VỀ PIN Li-ION 16 1.2.1 Cấu tạo hoạt động pin Li – ion 17 1.2.1.1 Cấu tạo pin 17 1.2.1.2 Nguyên tắc hoạt động pin 18 vii Luan van 1.2.1.3 Lớp màng điện li dạng rắn (SEI) 18 1.2.1.4 Các vật liệu dùng làm anode cho pin Li-ion 19 1.2.2 Tình hình nghiên cứu sử dụng MnO2 làm điện cực cho pin Li-ion22 1.2.2.1 Tình hình nghiên cứu giới 22 1.2.2.2 Tình hình nghiên cứu Việt Nam 24 CHƯƠNG NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 27 2.1 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 27 2.2 HÓA CHẤT, THIẾT BỊ VÀ DỤNG CỤ 27 2.2.1 Hóa chất 27 2.2.2 Thiết bị 28 2.2.3 Dụng cụ 28 2.3 THỰC NGHIỆM 29 2.3.1 Tổng hợp vật liệu α-MnO2 phương pháp hóa học 29 2.3.2 Phương pháp chế tạo pin lithium-ion có anode MnO2 30 2.3.3 Các phương pháp xác định đặc trưng vật liệu 31 2.3.3.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 31 2.3.3.2 Phương pháp kính hiển vi điện tử SEM 32 2.3.3.3 Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua TEM 33 2.3.3.4 Phương pháp đo diện tích bề mặt BET 33 2.3.3.5 Phương pháp FT-IR 33 2.3.4 Các phương pháp xác định thuộc tính điện hóa vật liệu 34 2.3.4.1 Phương pháp đo phổ trở kháng điện hóa EIS 34 2.3.4.2 Phương pháp quét vịng tuần hồn CV 35 2.3.4.3 Phương pháp đo dung lượng phóng/sạc liên tục chế độ dịng khơng đổi 36 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 37 3.1 ĐẶC TRƯNG CỦA VẬT LIỆU MnO2 37 viii Luan van c Luan van Phụ lục Kết phân tích BET BJH mẫu B600 d Luan van e Luan van f Luan van g Luan van h Luan van i Luan van j Luan van k Luan van l Luan van m Luan van n Luan van o Luan van p Luan van q Luan van ... ? ?Tổng hợp vật liệu α- MnO2 ứng dụng làm điện cực anode cho pin Lithiumion” MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN Tổng hợp vật liệu α- MnO2 dạng (nanorod) phương pháp hóa học đơn giản nhanh, có khả ứng. .. NGHIÊN CỨU Đề tài ? ?Tổng hợp vật liệu α- MnO2 ứng dụng làm điện cực anode cho pin Lithium- ion? ?? tập trung vào nội dung nghiên cứu sau:  Tổng hợp thành công vật liệu nano α- MnO2 dạng phương pháp... giới cho thấy, vật liệu MnO2 ứng dụng rộng rãi việc chế tạo điện cực cho pin Li -ion Tuy nhiên, nghiên cứu chủ yếu tập trung chế tạo vật liệu MnO2 25 Luan van ứng dụng làm điện cực cathode cho pin