Phân tích đặc tính vật liệu composite điện phân thể rắn từ ionic liquid và TiO2 ứng dụng làm pin

Hóa chất

Dung dịch lithium hexafluorophosphate 1M (LiPF6, 99,99%) trong dimethyl cacbonat được sử dụng làm chất điện phân. Ngoài ra còn có các hóa chất phụ trợ khác như axetone, nước cất, cồn, v.v.

Phương pháp nghiên cứu

Với các đặc tính cơ học, nhiệt và vận chuyển độc đáo, ASSB cũng có thể giải quyết các vấn đề chính gặp phải với LIB và khắc phục các hạn chế về sạc nhanh. • Kỹ thuật phân tích đặc tính vật liệu lai rất quan trọng, sau đây là những phép phân tích sẽ được lựa chọn như nhiễu xạ tia X, kính hiển vi điện tử quét, kính hiển vi điện tử truyền qua, phổ quang điện tia X, quang phổ tử ngoại khả kiến, phân tích nhiệt quét sai. • Kỹ thuật phân tích tính chất điện hóa: Phổ tổng trở EIS được đo trên máy IVIUM stat.

Các phương pháp phân tích 1. Kính hiển vi điện tử quét

Phương pháp quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) là một công cụ tối ưu trong lĩnh vực mô tả đặc tính vật liệu để nghiên cứu các liên kết hóa học của vi nhựa. Bằng cách áp dụng phép biến đổi Fourier, giao thoa được chuyển đổi thành quang phổ với các đỉnh tương ứng với các liên kết hóa học hoặc dao động phân tử cụ thể. Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng là phương pháp dựa trên cơ sở xác định khối lượng của mẫu vật chất bị mất đi hoặc nhận vào trong quá trình chuyển pha để xây dựng hàm của nhiệt độ.

Khi ở nhiệt độ cao, khối lượng của mẫu thử có sự biến thiên do quá trình bay hơi hoặc do các phản ứng hóa học xảy ra giải phóng khí. Qua phương pháp phân tích nhiệt trong lượng xác định được khối lượng bị mất trong quá trình chuyển đổi giữa các pha, khối lượng bị mất theo thời gian, nhiệt độ trong quá trình chuyển pha. Sự thay đổi khối lượng mẫu là kết quả của quá trình chuyển đổi, hình thành các liên kết vật lý- hóa học tại một nhiệt độ xác định, từ đó xảy ra quá trình bay hơi hoặc tạo thành các sản phẩm có trọng lượng lớn hơn.

Phương pháp phân tích nhiệt vi sai (DTA) là kỹ thuật đo trong đó phát hiện sự chênh lệch nhiệt độ của mẫu đo và mẫu chuẩn (mẫu so sánh) để xác định các biến đổi nhiệt bên trong mẫu đang diễn ra sự thay đổi vật lý hoặc hóa học khi mẫu được gia nhiệt hoặc làm lạnh. Ở giai đoạn tiếp theo, các mạch phân tử ngắn của các gốc ionic liquid tương tác với nhau và hình thành các mạch có khối lượng phân tử cao hơn (supramolecular) [46]. Trong nghiên cứu này, với mục đích khảo sát ảnh hưởng của TiO2 đến độ dày màng composite và tính chất điện hóa của màng tổng hợp được, chúng tôi chuẩn bị 5 mẫu thí nghiệm với các tỷ lệ pha như mô tả trên Bảng 3.1.

Đưa mẫu vào trong máy plasma áp suất khí quyển với công suất 150W, tốc độ dòng khí Ar là 5 lít/phút, thời gian chiếu plasma trong 15 phút và khoảng cách giữa điện cực nguồn và màng chất lỏng là 2 mm. Xin lưu ý ở đây, đề tài đã sử dụng phản ứng trùng hợp plasma lỏng giữa các bề mặt đối với các chất lỏng ion liên kết ngang về mặt hóa học là ionic liqiud và Triton X-100 sẽ tạo được các chất điện phân polymer hoàn toàn ở trạng thái rắn, đây chính là phần nền. Ở mẫu của Hình 3.6 cho ta thấy với tỉ lệ 0,25% TiO2 về khối lượng trong hỗn hợp thì TiO2 xuất hiện khá ít trên bề mặt màng và độ phân bố cũng không đồng đều,.

Ngoài ra, ta cũng có thể nhận thấy sự tương phản màu sắc giữa hai Hình 3.5 và các hình còn lại càng chỉ rừ hơn sự tồn tại của TiO2 trong màng tổng hợp được. Đều đó chứng tỏ sự thành công của việc phân tán TiO2 vào màng polymer, hay sự hình thành màng composite dùng công nghệ plasma. Xin lưu ý thêm, trong đề tài này, chúng tôi đã tiếp cận kế thừa các điều kiện tối ưu của quá trình vận hành máy plasma trong quá trình tổng hợp từ nghiên cứu của Choi và cộng sự [47].

Khảo sát độ dày của màng tổng hợp được

Chứng tỏ rằng tỉ lệ TiO2 trong màng polymer cũng có ảnh hưởng đến sự phân bố của nó trên bề mặt màng polymer. Để xác định độ dày của màng tổng hợp được, phương pháp đo mặt cắt SEM được sử dụng. Như kết quả trên, có thể thấy với màng tổng hợp không có TiO2, độ dày màng đạt được khoảng 4,88 àm và rất đều.

Tuy nhiờn độ dày màng tăng lờn đáng kể sau khi thêm khối lượng TiO2 được phân tán vào màng. Chứng tỏ rằng khi TiO2 đã được phân tán vào trong màng thì tỉ lệ % về khối lượng sẽ không ảnh hưởng quá nhiều đến kết quả của độ dày màng. Mặc dù vậy thì kết quả cho thấy vai trò của TiO2 là rất quan trọng trong việc tăng độ dày màng tổng hợp.

Xin lưu ý rằng, độ dày màng không chứa TiO2, độ dày tối đã khoảng 4 àm theo nghiờn cứu trước đõy [47]. Vỡ vậy, cú thế thấy rằng việc bổ sung TiO2 vào màng là phương pháp quan trọng trong việc cải thiện độ dày màng. Kết quả này hoàn toàn phù hợp với ảnh chụp SEM bề mặt như các hình từ Hình 3.5 và Hình 3.9.

Kumar cùng cộng sự đã tổng hợp các chất điện phân tổng hợp dựa trên PVdF-HFP được pha tạp với các thanh nano TiO2 và các tiểu micron TiO2 thương mại làm chất độn [48]. Nói một cách khác, sự bổ sung TiO2 vào màng polymer tạo thành composite sẽ cải thiện đáng kể độ dẫn của màng tổng hợp được. Để khẳng định hơn nữa sự tồn tại của TiO2 trong màng composite tổng hợp được, chúng tôi tiến hành đo SEM-EDS mapping.

Thông qua phép đo này, chúng tôi không những khẳng định sự tồn tại của TiO2 trong màng tổng hợp được. Nói một cách khác, màng composite đã được tổng hợp thành công trên cơ sở ionic liquid, Triton X-100 và TiO2 bằng công nghệ plasma. Kết quả này hoàn toàn phù hợp các các kết qua chụp hình SEM và chụp cắt lớp SEM phía trên.

Khảo sát tính phổ FTIR

Kết quả thu được của polymer tổng hợp từ ionic liquid và Triton X100, một số pic đặc trưng. Liên kết C−O−C được liên kết với sự hiện diện của các đơn vị etylen oxit trong cấu trúc Triton X-100 [52] trong khi đoạn B−F được gán cho các anion BF4−trong ionic liquid. Kết quả này hoàn toàn phù hợp với kết quả của nghiên cứu trước đây [47].

Các đỉnh pic của các mẫu có chứa TiO2 tương tự với các đỉnh pic của mẫu không chứa TiO2. Điều đó chứng tỏ với việc trộn TiO2 vào hỗn hợp ionic liquid và triton X-100 không ảnh hưởng đến cấu tạo màng polymer.

Phân tích nhiệt khối lượng (TGA)

Phân tích trọng trường (TGA) của các màng polymer và polymer /TiO2 được mô tả trên Hình 3.17. Với chất rắn TiO2 thì sau khi ra nhiệt cho đến khoảng 800 ºC thì khối lượng hầu như không có sự thay đổi. Nhưng với các màng composite thì chúng bắt đầu phân hủy ngay khi tăng nhiệt độ lên, nhưng sai lệch không đáng kể.

Đến khoảng nhiệt độ 305 ºC màng bắt đầu có sự phân hủy mạnh, kéo dài cho đến nhiệt độ khoảng 475 ºC. Sau giai đoạn này thì màng lại phân hủy chậm lại cho đến nhiệt độ khoảng 800 ºC thì khối lượng phân tử của màng polymer/TiO2 còn lại là khác nhau, dao động từ 2-3%. Có thể thấy rằng, dư lượng còn lại sau khi phân hủy tồn tại trong tất cả các mẫu.

Điều này được giải thích bởi sự tồn tại thành phần gốc flo trong chuỗi polymer có liên kết ngang [53,54]. Với mẫu chứa TiO2 thì % khối lượng cũng tăng theo chứng tỏ sự chênh lệch này có tác động của chất rắn TiO2. Kết quả này khẳng định lại sự phân tán thành công TiO2 vào trong màng composite.

Nói cách khác, màng composite đã được tổng hợp thành công bằng công nghệ plasma.

Khảo sát quang phổ tổng trở (EIS)

Kết quả phân tích, đánh giá độ dẫn ion liti của các màng chế tạo được được mô tả trên Bảng 3.2. Với  là độ dẫn, S là diện tích màng, L là chiều dầy và R là điện trở của màng. Kết quả cho thấy, việc phân tán chất độn TiO2 vào màng polymer không chỉ làm tăng độ dày màng mà còn làm tăng độ dẫn ion liti qua màng.

Tuy nhiên, kết quả EIS chỉ ra rằng, khả năng dẫn hiện tại của màng chưa phù hợp cho ứng dụng làm chất điện phân rắn trong ắc quy liti ion thể rắng mà sẽ phù hợp hợn trong việc ứng làm separator trong ắc quy liti ion thể lỏng.