Nghiên cứu chế tạo pin li ion rắn sử dụng la(23) x li3xtio3 làm chất điện li

Bộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC sư PHẠM HÀ NỘI PHẠM TUẤN LONG NGHIÊN CỨU CHÉ TẠO PIN Li - ION RẮN sử DỤNG La^.sLiasTiOa LÀM CHẤT ĐIỆN LI Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 60 44 0104 • ••• LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Người hướng dẫn khoa học: TS. LÊ ĐÌNH TRỌNG HÀ NỘI, 2014 Trước tiên xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sẳc tới TS. Lê Đình Trọng, người thầy tận tình bảo, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi để hoàn thành luận vãn này. Tôi xin trân trọng cảm ơn giúp đỡ, động viên quỷ báu từ thầy cô khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2, đặc biệt thầy cô Bộ môn Vật lỷ Chất ran truyền đạt cho kiến thức khoa học vô quỷ báu giúp hoàn thành luận văn này. LỜI CẢM Xin chân thành cám ơn thành viên Trung tâm hỗ trợ NCKH CGCN trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2; PGS.TS Phạm Duy Long (Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học Việt Nam); PGS.TS Nguyễn Huy Dân (Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học Việt Nam); . tận tình giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi để hoàn thành tốt luận vãn mình. Cuối xin gửi lời cảm ơn chân thành tới bố mẹ, anh chị em bạn bè gần gũi, động viền chia sẻ, giúp khắc phục khó khăn trình học tập, nghiên cửu hoàn thiện luận văn. Xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, thảng năm 2014 Tác giả Phạm Tuấn Long Tôi xin cam đoan luận văn hoàn thả nh cố gắng nỗ lực tìm hiểu thân hướng dẫn tận tình thầy giáo TS. LÊ ĐÌNH TRỌNG thày cô khoa Vật lý trường ĐHSP Hà Nội 2. Đây đề tài độc lập riêng tôi, không trùng với đề tài nghiên cứu tác giả khác. Neu có điều không xác, xin chịu trách nhiệm. Tác giả Phạm Tuấn Long LỜI CAM ĐOAN • MUC LUC • MỞĐẰU NỘI DUNG Chương 1: TỔNG QUAN VỀ PIN Li-ION VÀ VẬT LIỆU DẪN ION PEROVSKITE La(2/3).XLÌ3XTÌ03 1.1. Các khái niệm pin Lỉtỉ ion Trang 01 01 05 05 1.1.1. NGUYÊN TẲC CẨU TẠO VÀ TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA PIN LITI ION 1.1.1.1. NGUYÊN TẮC CẨU TẠO 05 1.1.1.2. NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG 08 1.1.2. VẬT LIỆU ĐIỆN CỰC CHO PIN LỪI 09 1.1.2.1. VẬT LIỆU ĐIỆN CỰC DƯƠNG 09 1.1.2.2. VẬT LIỆU ĐIỆN CỰC ÂM 10 1.1.3. CHẤT ĐIỆN LI LA(2/3).XLI3XTI03 12 1.1.3.1. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ VẬT LIỆU DẪN ỈON 12 1.1.3.2. ĐẶC TRƯNG CẨU TRÚC PEROVSKỈTE LA(2/3).XLI3XTI03 13 1.1.3.3. CƠ CHẾ DẪN ION LI+ CỦA PEROVSKITE LA(2/3).XLI3XTI03 16 Chương 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN cứu VÀ THựC NGHIỆM CHẾ TẠO 2.1. Các phương pháp chế tạo vật liệu pin Li-ion 20 2.1.1. CHÊ TẠO VẬT LIỆU BĂNG PHƯƠNG PHÁP GÔM 20 2.1.2. PHƯƠNG PHÁP BỐC BAY CHÂN KHÔNG BẰNG THUYỀN ĐIỆN TRỞ 2.1.3. PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO PIN LI-ỈON 21 22 2.2. Phương pháp nghiên cứu 22 2.2.1. NGHIÊN CỨU CẨU TRÚC TINH THỂ 22 2.2.1.1. PHÂN TÍCH CẤU TRÚC TINH THỂ BẰNG PHỔ NHIỄU XẠ TỈA X 2.2.1.2 PHƯƠNG PHÁP HIỂN VI ĐIỆN TỬ QUÉT (SEM) 22 2.2.2. PHÉP ĐO PHỔ TỐNG TRỞ 23 2.2.3. PHỔ ĐIỆN THẾ QUÉT VỒNG (CYCỈIC VOLTAMMETRY - CV) 29 2.2.4. PHÉP ĐO DÒNG KHÔNG ĐỔI (AMPEROMETRY) 30 05 20 23 2.3. Thực nghiệm chế tạo mẫu 31 2.3.1. CHẾ TẠO VẬT DẪN ION LA(2/3).XLI3XTI03 31 2.3.2. CHẾ TẠO VẬT LIỆU ĐIỆN CỰC CATÔT LIMN204 32 2.3.3. CHẾ TẠO PIN LI-ION RẮN 34 Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 35 3.1. Đặc trưng cấu trúc La(2/3).xLỈ3xTỈ03 35 3.2. Tính chất dẫn điện La(2/3).XLỈ3XTỈ03 37 3.3. Đặc trưng cấu trúc LỈMn204 41 3.4. Đặc trưng phóng/nạp pin Li-ion sử dụng chất điện li 42 La(2/3).xLi3xTi03 KẾT LUẬN 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO 46 DANH MUC CÁC TỪ VIẾT TẮT La(2/3).xLỈ3XTi03 (LLTO) Phân tích nhiệt vi sai (DTA) Hiển vi điện tử quét (SEM) Phổ điện quét vòng (Cyclic Voltammetry) Phép đo dòng không đồi (CV) (Amperometry) CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT ĐIỆN HÓA CỦA BỘT LiMn204 LÀM VẬT LIỆU ĐIỆN cực CATÓT CHO PIN Li-ION Phạm Tuấn Long“, Lê Đình Trọngb, Nguyễn Văn Hiếuc a Học viên cao học, Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội bKhoa Vật lí, Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội Email: trongldsp2@gmail.com; Mobile: 0912115001 cPhòng Giáo dục Trung học, Sở Giáo dục Thái Bình Xuân Hoà, 9/5/2014. MỞ ĐẦU 1. Lý chọn đề tài Việc cải thiện, nâng cao chất lượng môi trường sống, sử dụng có hiệu nguồn lượng vấn đề quan tâm đặc biệt. Hiện nay, nguồn lượng hóa thạch (dầu mỏ, than, khí đốt .), lượng hạt nhân chiếm ưu xu hướng tiếp tục tương lai gần. Tuy nhiên, nguồn lượng có hạn chế định: trữ lượng nhiên liệu hóa thạch có hạn rác thải hạt nhân gây tác hại lớn cho người. Thêm nữa, khí cacbon điôxit (C02) thải đốt nguyên liệu hóa thạch gây hiệu ứng nhà kính làm tăng nhiệt độ trái đất. Các yêu cầu đặt cần phải tạo nguồn lượng mới, không gây tác hại môi trường để thay nguồn lượng trên. Có nhiều biện pháp đưa sử dụng nguồn lượng gió, lượng mặt trời . Bên cạnh việc nâng cao hiệu sử dụng nguồn lượng đóng vai trò không phần quan trọng. Một biện pháp tích trữ lượng dạng điện nhờ loại pin ắcquy. Trong vài thập kỷ qua, với phát triển mạnh mẽ khoa học công nghệ đại, đặc biệt 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 .). Đe đảm bảo thiết bị hoạt động tốt càn phải có nguồn lượng phù hợp, có dung lượng lớn, hiệu suất cao, dùng lại nhiều lần đặc biệt gọn nhẹ an toàn. Điều thúc đẩy tìm kiếm hệ điện hoá lượng cao, tân tiến chúng thay pin truyền thống hiệu suất cao gây ô nhiễm môi trường. Hơn nữa, việc tích trữ lượng cao điểm, hệ tích trữ cho nguồn lượng không liên tục, chẳng hạn mặt trời gió thiếu. Trong loại pin nghiên cứu thương phẩm hóa pin liti ion có nhiều đặc tính tốt loại pin chủng loại pin NiCd, NiMH, Pb-Acid. Điện pin liti ion đạt khoảng 2,5 V đến 4,2 V, gần gấp ba so với pin NiCd hay pin NiMH. Các ưu điểm pin liti ion tuổi thọ chu trình cao, tốc độ nạp nhanh hơn, mật độ tích trữ lượng lớn so với pin NiCd NiMH (30 % - 50 %), dung lượng phóng cao hơn, hiệu ứng “nhớ” pin NiCd, tốc độ tự phóng không sử dụng nhỏ khoảng % tháng so với 20 - 30 % pin NiCd. Tuy vậy, pin Li-ion số hạn chế đòi hỏi công nghệ chế tạo cao, giá thảnh đắt [14]. Do việc nghiên cứu loại vật liệu để thay vật liệu truyền thống sử dụng công nghệ chế tạo pin Li-ion thu hút nhiều tập thể khoa học nước giới [2], [4], [13], [17], [20]. Trong hai thập kỉ qua, vật dẫn ion rắn (chất điện ly rắn) tập trung nghiên cứu lý thuyết lẫn thực nghiệm khả ứng dụng to lớn chúng nhiều lĩnh vực khoa học sống. Với dộ dẫn ion cao vào khoảng 10"6 s.cm"1 đến 10" 3S.cm"1, vật liệu có triển vọng việc làm chất điện ly rắn công nghệ chế tạo pin ion rắn, linh kiện hiển thị điện sắc, loại sensor hóa học . Ưu điểm chất điện ly rắn không bị rò rỉ, không độc hại, đặc biệt, sử dụng chất điện ly rắn tạo khả đơn giản hoá việc chế tạo linh kiện điện quang, pin ion rắn dạng màng mỏng, pin ion có dung lượng cao làm việc khoảng nhiệt độ lớn mà chất điện ly lỏng đáp ứng. Trong vật liệu dẫn ion rắn biết đến, họ vật liệu La(2/3)_xLÌ3XTi03 cấu trúc perovskite nhận quan tâm nhiều cả. lý thuyết độ dẫn ion Li+ vật liệu nhiệt độ phòng đạt cao cỡ 10" -Г 10" s.cm"1. Tuy nhiên hầu hết nghiên cứu cho thấy giá trị lớn độ dẫn ion liti nhiệt độ phòng đạt cỡ . Bộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC sư PHẠM HÀ NỘI 2 PHẠM TUẤN LONG NGHIÊN CỨU CHÉ TẠO PIN Li - ION RẮN sử DỤNG La^.sLiasTiOa LÀM CHẤT ĐIỆN LI Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 60 44 0104 LUẬN. độc hại, đặc biệt, sử dụng chất điện ly rắn tạo ra khả năng đơn giản hoá việc chế tạo các linh kiện điện quang, pin ion rắn dạng màng mỏng, pin ion có dung lượng cao có thể làm việc ở khoảng. các vật li u này rất có triển vọng trong việc làm chất điện ly rắn trong công nghệ chế tạo pin ion rắn, linh kiện hiển thị điện sắc, các loại sensor hóa học Ưu điểm của chất điện ly rắn là