Trang 1 VIỆN ĐÀO TẠO QU CỐ TẾ VỀ KHOA HỌC VẬT LIỆU NGUYỄN ĐỨC HIẾULUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC CHUYÊN NGHÀNH: KHOA H CỌ V TẬ LIỆU NGHIÊN C U TỨỔNG H P ỢVẬT LIỆU LiFePO4 ỨNG DỤNG LÀM ĐIỆN CỰ
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐÀO TẠO QUỐC TẾ VỀ KHOA HỌC VẬT LIỆU NGUYỄN ĐỨC HIẾU LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC CHUYÊN NGHÀNH: KHOA HỌC VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU LiFePO4 ỨNG DỤNG LÀM ĐIỆN CỰC TRONG PIN NẠP ION LITI Hà nội 2007 HÀ NỘI 2009 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17057204963891000000 Ministry of education and training Hanoi university of technology International training institute of material science NGUYEN DUC HIEU Master thesis of material science Supervisor: Dr NGUYEN NGOC TRUNG HANOI, 2009 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐÀO TẠO QUỐC TẾ VỀ KHOA HỌC VẬT LIỆU NGUYỄN ĐỨC HIẾU LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU LiFePO4 ỨNG DỤNG LÀM ĐIỆN CỰC TRONG PIN NẠP ION LITI CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC VẬT LIỆU MÃ SỐ: NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN NGỌC TRUNG HÀ NỘI- 2009 L ỜI C Ả M Ơ N Tôi xin ch â n nh c ảm ơn dạy ddỗ t ậnn tìn h ccủủa c c t hầ y, cô giá o Viện đà o tạo Q uố c tế kho a học vật liệ u, trư ờnng Đại Họ c Bá ch Khoa Hà Nội trrong s uốt năm học t ập r èn luyệ n T ôi xi n chân th ành bà y tỏ lòng biiếết ơn sâ u sắc tới TS N gu yễn Ngọc Tru n g ch ỉ đạo hướng dẫn tận ttìình vvề mặt khoa họọc, đồn g thời cun g c ấp nhữn g tr anng thi ết bị cầ n thhiết ggiúpp tơi có th ể hhoà n n h lu ận n nà y T ôi xin châ n nh c ảm ơn ggiúp đỡ vàà ủn g h ộ nhiệ t tình Ths L ưu Thị L an Anh Ks Phạm m v ăn T hắng, Ks Ph ạm P h i Hùn g - c n b ộ nghi ên c ứu thuộc phòng th í nghiệ m P hâ n tíchh Đo Đo llưường Vật Lý Viiện VLKT- Đạii Học Bá ch Kh oa Hà Nội đ ã giúúp đỡ tr on g suốt thời g ia n ng hiê n cứu hoà n nh luận n Q uaa đâ y xin châ nn thành cảm n nhữnngg nggười b ạn lớp ITIMS 2007 độn g viêên, giú p đỡ t ôi tr on g s uốt ttr ình họcc tậ p cũn ũng tr ong thời gi a n hoà n th ành luận nn Mặc dù cố gắ ng hhế t ssức n hưn g luận áán nà yy c hắc chắn kh ơng tr nh khhỏi cá c thiếu só t Vì vậyy tơi r ấ t mongg s ự thơơng m nhận s ự ggó p ýý thầy hướnng d ẫn c ũn g c c thầy cô tr ong hộii đồnng Hà N Nội, thááng 11 / 009 Học viê n Nguy ễn Đức H iế u MỤC LỤC MỞ ĐẦU .Error! Bookmark not defined Chương I .Error! Bookmark not defined TỔNG QUAN Error! Bookmark not defined I PIN NẠP ION LITI Error! Bookmark not defined I.2 VẬT LIỆU CHO ĐIỆN CỰC ÂM LiFePO4Error! Bookmark not defined I.2.1 Cấu trúc tinh thể LiFePO Error! Bookmark not defined I.2.2 Tính chất điện hóa vật liệu điện cực âm LiFePO Error! Bookmark not defined I.3 VẬT LIỆU DÙNG LÀM ĐIỆN CỰC DƯƠNGError! Bookmark not defined I.3.1 Cấu trúc tinh thể Error! Bookmark not defined 1.3.2 Tính chất điện hóa Error! Bookmark not defined I.4 CHẤT ĐIỆN PHÂN Error! Bookmark not defined I.5 HOẠT ĐỘNG CỦA PIN ION LITI Error! Bookmark not defined I.5.1 Các phản ứng điện cực Error! Bookmark not defined I.5.2 Các phản ứng xảy dung dịch Error! Bookmark not defined I.5.3 Các phản ứng phụ Error! Bookmark not defined I.5.4 Sự tạo thành lớp chuyển tiếp điện cực - dung dịch điện phân (SEI)Error! Bookmark I.5.5 Các đặc điểm q trình điện hóaError! Bookmark not defined I.5.6 Động học q trình chuyển điện tích đơn giảnError! Bookmark not defined I.5.7 Sự tạo thành mảng mỏng cực âm Error! Bookmark not defined Chương II .Error! Bookmark not defined CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM Error! Bookmark not defined II.1 TỔNG HỢP VẬT LIỆU Error! Bookmark not defined II.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VẬT LIỆUError! Bookmark not defined II.2.1 Phép đo phân tích nhiệt vi sai (DTA-TGA)Error! Bookmark not defined II.2.2 Kỹ thuật phân tích cấu trúc phổ nhiễu xạ tia XError! Bookmark not defined II.2.3 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) Error! Bookmark not defined II.2.4 Phương pháp phổ tán xạ raman Error! Bookmark not defined II.2.5 Phương pháp mô cấu trúc RietveldError! Bookmark not defined a Lý thuyết Rietveld Error! Bookmark not defined b Q trình mơ phương pháp RietveldError! Bookmark not defined c Độ xác mơ hình mơ – thông số sai sốError! Bookmark not defined Chương III Error! Bookmark not defined THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ Error! Bookmark not defined III.1 MỞ ĐẦU .Error! Bookmark not defined III.2 QUI TRÌNH CHẾ TẠO MẪU BẰNG PHƯƠNG PHÁP SOL-GEL HAI GIAI ĐOẠN Error! Bookmark not defined III.2.1 Hóa chất Error! Bookmark not defined III.2.2 Qui trình tổng hợp vật liệu LiFePO4 Error! Bookmark not defined III.3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Error! Bookmark not defined III.3.1 Kết tổng hợp Error! Bookmark not defined III.3.2 Kết phân tích nhiệt vi sai Error! Bookmark not defined III.3.3 Phương pháp nhiễu xạ tia X Error! Bookmark not defined III.3.4 Phương pháp hiển vi điện tử phát xạ trường FE-SEMError! Bookmark not define III.3.5 Phương pháp phổ tán xạ Raman Phổ biến đổi Fourier (FTIR)Error! Bookmark III.3.6 Phương pháp Rietveld Error! Bookmark not defined III.3.7 Phương pháp điện hóa Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined ĐỊNH HƯỚNG TƯƠNG LAI Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO Error! Bookmark not defined Nghiên cứu tổng hợp vật liệu LiFePO ứng dụng làm điện cực pin nạp ion liti MỤC LỤC MỞ ĐẦU Chương I TỔNG QUAN I PIN NẠP ION LITI I.2 VẬT LIỆU CHO ĐIỆN CỰC ÂM LiFePO4 I.2.1 Cấu trúc tinh thể LiFePO 11 I.2.2 Tính chất điện hóa vật liệu điện cực âm LiFePO 12 I.3 VẬT LIỆU DÙNG LÀM ĐIỆN CỰC DƯƠNG 13 I.3.1 Cấu trúc tinh thể 13 1.3.2 Tính chất điện hóa 14 I.4 CHẤT ĐIỆN PHÂN 15 I.5 HOẠT ĐỘNG CỦA PIN ION LITI 18 I.5.1 Các phản ứng điện cực 19 I.5.2 Các phản ứng xảy dung dịch 20 I.5.3 Các phản ứng phụ 20 I.5.4 Sự tạo thành lớp chuyển tiếp điện cực - dung dịch điện phân (SEI) 21 I.5.5 Các đặc điểm trình điện hóa 22 I.5.6 Động học q trình chuyển điện tích đơn giản 23 I.5.7 Sự tạo thành mảng mỏng cực âm 26 Chương II 27 CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 27 II.1 TỔNG HỢP VẬT LIỆU 28 II.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU 30 II.2.1 Phép đo phân tích nhiệt vi sai (DTA-TGA) 30 II.2.2 Kỹ thuật phân tích cấu trúc phổ nhiễu xạ tia X 32 Nguyễn Đức Hiếu ITIMS 2009 Nghiên cứu tổng hợp vật liệu LiFePO ứng dụng làm điện cực pin nạp ion liti II.2.3 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) 34 II.2.4 Phương pháp phổ tán xạ raman 36 II.2.5 Phương pháp mô cấu trúc Rietveld 37 a Lý thuyết Rietveld 37 b Q trình mơ phương pháp Rietveld 39 c Độ xác mơ hình mơ – thơng số sai số 41 Chương III 42 THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 42 III.1 MỞ ĐẦU 43 III.2 QUI TRÌNH CHẾ TẠO MẪU BẰNG PHƯƠNG PHÁP SOL-GEL HAI GIAI ĐOẠN 44 III.2.1 Hóa chất 45 III.2.2 Qui trình tổng hợp vật liệu LiFePO4 45 III.3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 48 III.3.1 Kết tổng hợp 48 III.3.2 Kết phân tích nhiệt vi sai 48 III.3.3 Phương pháp nhiễu xạ tia X 49 III.3.4 Phương pháp hiển vi điện tử phát xạ trường FE-SEM 52 III.3.5 Phương pháp phổ tán xạ Raman Phổ biến đổi Fourier (FTIR) 53 III.3.6 Phương pháp Rietveld 59 III.3.7 Phương pháp điện hóa 60 KẾT LUẬN 67 ĐỊNH HƯỚNG TƯƠNG LAI 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 Nguyễn Đức Hiếu ITIMS 2009 Nghiên cứu tổng hợp vật liệu LiFePO ứng dụng làm điện cực pin nạp ion liti MỞ ĐẦU Việc cải thiện nâng cao chất lượng môi trường sống tái tạo nguồn lượng vấn đề quan tâm đặc biệt cho sống tương lai người Các nguồn lượng hóa thạch (dầu mỏ, than, khí đốt ) lượng hạt nhân chiếm ưu thế, sử dụng rộng rãi xu hướng tiếp tục tương lai gần Tuy nhiên, nguồn lượng có hạn chế định; khối lượng nhiên liệu hóa thạch có hạn rác thải hạt nhân gây tác hại cho người Thêm nữa, khí cácbon điôxit (CO2) thải đốt nguyên liệu hóa thạch gây hiệu ứng nhà kính làm tăng nhiệt độ trái đất, điều Arrhenius dự đoán sớm vào năm 1896 [1] Ngày nay, chứng ấm lên trái đất công bố rộng rãi vấn đề môi trường trở lên cấp thiết [2] Các yêu cầu đặt cần phải tạo nguồn lượng không gây tác hại với môi trường để thay nguồn lượng Có nhiều biện pháp đưa sử dụng nguồn lượng gió, lượng mặt trời biện pháp tích trữ lượng dạng điện năng, tích trữ điện nhờ loại pin ắc quy Trong vài thập kỷ qua, với phát triển mạnh mẽ khoa học công nghệ đại, đặc biệt công nghệ nano, công nghệ điện tử dẫn đến đời hàng loạt thiết bị không dây (máy tính xách tay, điện thoại di động, thiết bị vũ trụ, hàng không ) Để đảm bảo thiết bị hoạt động tốt cần phải có nguồn lượng phù hợp, có dung lượng lớn, hiệu suất cao, dùng lại nhiều lần đặc biệt gọn nhẹ an toàn Với yêu cầu việc đời loại pin đáp ứng phần Trong nhiều năm, NiCd (Nikel Cadmium) loại pin thích hợp Nguyễn Đức Hiếu ITIMS 2009