Nghiên cứu thu hồi các hợp chất của li từ pin lithium thải dùng làm điện cực cho pin sạc lithium

Trang 1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠNNGUYỄN THỊ NHA TRANGHIÊN CỨU THU HỒI CÁC HỢP CHẤT CỦA LI TỪ PIN LITHIUM THẢI DÙNG LÀM ĐIỆN CỰC CHO PIN SẠC LITHIUM ĐỀ ÁN THẠC SĨ HÓA

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN NGUYỄN THỊ NHA TRA NGHIÊN CỨU THU HỒI CÁC HỢP CHẤT CỦA LI TỪ PIN LITHIUM THẢI DÙNG LÀM ĐIỆN CỰC CHO PIN SẠC LITHIUM ĐỀ ÁN THẠC SĨ HÓA LÍ THUYẾT VÀ HÓA LÍ Bình Định – Năm 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN NGUYỄN THỊ NHA TRA NGHIÊN CỨU THU HỒI CÁC HỢP CHẤT CỦA LI TỪ PIN LITHIUM THẢI DÙNG LÀM ĐIỆN CỰC CHO PIN SẠC LITHIUM Ngành : Hóa lí thuyết và hóa lí Mã số : 8440119 Ngƣời hƣớng dẫn : 1 GS TS VÕ VIỄN 2 TS PHAN THỊ THÙY TRANG LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của GS.TS VÕ VIỄN và TS PHAN THỊ THÙY TRANG Các số liệu, những kết luận nghiên cứu được trình bày trong luận văn này là trung thực và chưa từng công bố dưới bất cứ hình thức nào Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình Quy Nhơn, tháng 11 năm 2023 Tác giả đề án Nguyễn Thị Nha Tra LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành việc nghiên cứu bài luận này ngoài sự nỗ lực của bản thân trong đó còn có sự giúp đỡ của quý thầy cô, gia đình và bạn bè, qua đây em xin gửi lời cảm ơn chân thành của mình đến những người đã giúp đỡ em hoàn thành đề tài này: Lời đầu tiên, em xin bày tỏ sự kính trọng và biết ơn sâu sắc nhất tới GS.TS Võ Viễn, TS Phan Thị Thùy Trang đã định hướng, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi nhất cho em trong suốt thời gian hoàn thành luận vặn thạc sĩ Bên cạnh đó, em xin tỏ lòng biết ơn của mình đến các thầy cô giáo và các anh chị học viên cao học trong Khu Thí nghiệm – Thực hành A6, Khoa Khoa học Tự nhiên, trường Đại học Quy Nhơn đã nhiệt tình chỉ bảo, giúp em thực hiện các phép đo và có nhiều ý kiến đóng góp vào kết quả của luận văn Cuối cùng, em xin dành tình cảm đặc biệt đến gia đình, người thân và những người bạn của em Những người đã luôn luôn mong mỏi, động viên, cổ vũ tinh thần và tiếp sức cho em thêm nghị lực Mặc dù đã rất cố gắng nhưng những hạn chế về thời gian, kinh nghiệm cũng như kiến thức, trình độ nên không thể tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được sự thông cảm và sự góp ý của quý thầy cô để luận văn được hoàn thiện hơn Quy Nhơn, tháng 11 năm 2023 Tác giả đề án Nguyễn Thị Nha Tra MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU 1 1 L do chọn đề tài 1 2 Mục tiêu nghiên cứu 3 3 Nhiệm vụ nghiên cứu 3 4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3 5 Phương pháp nghiên cứu 4 6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 4 7 Cấu trúc đề án 5 Chƣơng 1 TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 6 1.1 Cấu tạo và nguyên lí làm việc của pin Lithium - ion 6 1.2 Tình hình sử dụng và thải bỏ pin LIB 7 1.3 Các loại vật liệu cathode thương mại 9 1.4 Vật liệu LiCoO2 10 1.4.1 Vai trò của LiCoO2 trong pin LIB 10 1.4.2 Cấu trúc LiCoO2 10 1.4.3 Các phương pháp thu hồi LiCoO2 12 1.4.4 Một số công trình thu hồi LiCoO2 tiêu biểu 19 1.5 Nguyên liệu LIB đã qua sử dụng 20 Chƣơng 2 THỰC NGHIỆM 22 2.1 Thiết bị - Hóa chất – Dụng cụ 22 2.1.1 Thiết bị 22 2.1.2 Hóa chất 22 2.1.3 Dụng cụ 22 2.2 Các giai đoạn tháo pin 23 2.3 Thu hồi vật liệu: 23 2.4 Các phương pháp đặc trưng vật liệu 24 2.4.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (X – ray Diffraction, XRD) 24 2.4.2 Phổ hồng ngoại (FT-IR spectroscopy, IR) 25 2.4.3 Phương pháp hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy, SEM) 26 2.4.4 Phương pháp phân tích quang phổ huỳnh quang tia X (X - ray Fluorescence - XRF) 27 2.4.5 Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (transmission electron microscope-TEM) 28 2.5 Đặc trưng điện hóa 29 2.5.1 Quy trình tạo ra một điện cực của pin 29 2.5.2 Quét thế vòng tuần hoàn (Cyclic Voltammetry, CV) 30 2.5.3 Phổ tổng trở điện hóa (Electrochemical Impedance Spectroscope, EIS) 32 Chƣơng 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 35 3.1 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc LiCoO2 35 3.1.1 Khảo sát sự thay đổi của nhiệt độ 35 3.1.2 Khảo sát sự thay đổi của thời gian 40 3.2 Kết quả điện hóa 45 KẾT LUẬN 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 PHỤ LỤC QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI ĐỀ ÁN THẠC SĨ (BẢN SAO) DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt CV Cyclic Voltammetry Quét thế vòng tuần hoàn EIS Electrochemical Impedance Phổ tổng trở điện hóa GCP Spectroscopy Đo phóng sạc Galvanostatic Cycling with Potential IR Infrared Hồng ngoại LCO Lithium cobalt oxide Pin lithium – ion LIB Lithium-ion battery NMP N-methyl2pyrrolidone PVDF Polyvinylidene fluoride SEM Scanning Electron Kính hiển vi điện tử quét Microscope TEM Transmission electron Kính hiển vi điện tử truyền qua microscope XRD X – Ray Diffraction Nhiễu xạ tia X XRF X - ray Fluorescence Huỳnh quang tia X DANH MỤC BẢNG Bảng 1 Thành phần hóa học của pin LIB cơ bản [16] 6 Bảng 2 Vật liệu cathode được sử dụng trong LIB thương mại [20] 9 Bảng 3 Ưu, nhược điểm của các phương pháp thu hồi LiCoO2 [32] 13 Bảng 4 Tên hóa chất và nguồn gốc hóa chất 22 Bảng 5 Phần trăm các nguyên tố trong vật liệu LCO-x (x = 700 oC; 750 oC; 800 oC và 850 oC) 39 Bảng 6 Phần trăm các nguyên tố trong vật liệu LCO-y (y = 2h, 6h, 8h và 12h) 43 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Nguyên lí làm việc của pin lithium ion 7 Hình 1.2 Nguồn, số lượng và thu gom pin LIB thải bỏ 8 Hình 1.3 Các con đường thải bỏ pin LIB 8 Hình 1.4 Mô hình cấu trúc tinh thể (a) và tham số ô đơn vị (b) của LiCoO2 phân lớp với nhóm không gian R-3m 12 Hình 1.5 Sơ đồ các phương pháp thu hồi 13 Hình 1.6 Thị trường điện thoại thông minh tại Việt Nam Q4/2022 so với Q4/2021 20 Hình 1.7 Một số loại pin thải đã thu gom được 21 Hình 2.1 Sơ đồ quy trình thu hồi LiCoO2 (LCO) 23 Hình 2.2 Dạng tiêu biểu của đường CV và cách xác định các giá trị thế đỉnh và dòng đỉnh 31 Hình 3.3 Giản đồ nhiễu xạ tia X của LiCoO2 trong LIB mới 35 Hình 3.2 Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu vật liệu LCO-x (x = 700oC; 750oC; 800oC và 850oC) 36 Hình 3.3 Giản đồ phổ IR của LCO-x (x = 700 oC; 750 oC; 800 oC và 850 oC) 38 Hình 3.4 Biểu đồ phần trăm của các nguyên tố có trong các mẫu vật liệu LCO-x (x = 700 oC; 750 oC; 800 oC và 850 oC) được xác định thông qua phổ XRF 39 Hình 3.5 Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu vật liệu LCO-y (y = 2h; 6h; 8h và 12h) 40 Hình 3.6 Giản đồ phổ IR của các mẫu vật liệu LCO-y (y = 2h; 6h; 8h và 12h) 41 Hình 3.7 Biểu đồ phần trăm của các nguyên tố có trong mẫu vật liệu LCO-y (y = 2h; 6h; 8h và 12h) được xác định thông qua phổ XRF 42 Hình 3.8 Ảnh SEM của vật liệu LCO-6h (a); LCO-8h (b) và LCO-12h (c) 44 Hình 3.9 Ảnh TEM của của vật liệu LCO - 8h 45 Hình 3.10 Đường quét thế vòng tuần hoàn của các mẫu vật liệu LCO-6h (a), LCO-8h (b), LCO-12h (c) 46 Hình 3.11 Sự thay đổi dung lượng riêng và hiệu suất Coulomb theo chu kì của 3 điện cực LCO-6h (a), LCO-8h (b), LCO-12h (c) 47 Hình 3.12 Dung lượng riêng theo số chu kì trong các vùng thế khác nhau của các điện cực LCO-6h; LCO-8h và LCO-12h 48 Hình 3.13 Phổ tổng trở của 3 điện cực LCO-6h; LCO-8h và LCO-12h 49