2.3.2.1. Chế tạo đế điện cực
Đế điện cực có hình trụ (Hình 2.3), gồm 3 phần: thanh Cu để tiếp điện với vật liệu điện cực, teflon tạo khuôn định hình cho vật liệu điện cực bám dính trên mặt đếtiếp xúc điện (thanh Cu), keo epoxy tạo sự kín kít cho đế điện cực.
2.3.2.2. Chế tạo điện cực
Để khảo sát tính chất điện hóatích/thoát ion Li+ của vật liệu Li2SnO3chế tạo được,chúng tôi tiến hành chếtạo điện cực anôt với chất kết dínhCMCNgọt. Quy trình chế tạo điệncực đượcmô tả trong sơ đồ hình 2.2.
Ban đầuvật liệu hoạt động đượcnghiềntrộnvới chất kết dính là CMC ngọt theo tỉlệ khối lượng 90% và 10%trong cối mãnão để tạo thành bột đồngnhất và trộn vớidung môi nước cất tạothành hỗn hợp đặcquánh, sau đó hỗn hợp được trải phủ lên đế điện cực. Các điện cực phủ được để khô tự nhiên trong 12 h, sau đó sấy khô ở 120oC trong 1h với tốc độ gia nhiệt rất chậm (1o/phút ). Các điện cực sau đó được sử dụng để khảo sát các quá trìnhtích/thoát ion Li+ của điện cực.
Hình 2.2: Quy trình chế tạo điện cực
Nghiền trộn vật liệu Li2SnO3 với chất kết dính CMC ngọt
Phủ trải lên đế điện cực
Để khô tự nhiên trong 12h
Cấu trúc tinh th
đo phổ nhiễu xạ tia X (XRD).Tính ch cứu thông qua việc kh
ion liti được đánh giá thông qua phép đo phương pháp d điện cực trên cơ sở c
các điện cực làm từ trong dung dịch chất đi hiện trên hệ AutoLab PSG 3.1. Đặc điểm cấu trúc c
Hình 3.1 cho th tạo bằng phương pháp ph gian 6 h được đo tại nhi
Hình 3.1: Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu Li
Chương 3
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
u trúc tinh thể của các vật liệu chế tạo được khảo sát thông qua tia X (XRD).Tính chất điện hóa của các đi
c khảo sát phổ điện thế quét vòng (CV), kh c đánh giá thông qua phép đo phương pháp d
của một pin ion Li với cấu trúc gồm đi vật liệu chế tạo được, điện cực đối là
t điện phân 1 M (LiClO4 + PC). Các phép đo đư AutoLab PSG-30.
u trúc của vật liệu Li2SnO3
cho thấy giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) qua b ng phương pháp phản ứng pha rắn sau khi ủ nhiệt ở
i nhiệt độ phòng.
ản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu Li2SnO sơ bộ ở 800 oC trong 6 h
o sát thông qua phép a các điện cựcđược nghiên quét vòng (CV), khả năng tích/thoát c đánh giá thông qua phép đo phương pháp dòng không đổi hai m điện cực làm việc là điện cực chuẩn Pt, . Các phép đo được thực
tia X (XRD) qua bột của Li2SnO3chế ở 800 oC trong thời
Kết quả phân tích cho thấy các đỉnh nhiễu xạ xuất hiện tại các vị trí phù hợp với phổ nhiễu xạ của hợp thức Li2SnO3có trong thư viện dữ liệu. Điều đó chứng tỏ hợp thức Li2SnO3 đã được hình thành từ hỗn hợp SnO2+Li2CO3 được nghiền trộn theo tỉ lệ nguyên tử kim loại Sn:Li2 là 1:1 và ủ nhiệt ở 800
o
C trong 6 h.
So với phổ dữ liệu XRD của vật liệu chế tạo được (theo thư viện dữ liệu JCPDS, thẻ số 31−0761), một pha cấu trúc tinh thể đơn tà của Li2SnO3 thuộc nhóm không gian C2/c đã nhận được bằng phương pháp phản ứng pha rắn. Vậy bằng phương pháp phản ứng pha rắn, chúng tôi đã chế tạo thành công vật liệu Li2SnO3có dạng đơn pha, có cấu trúc tinh thể đơn tà, thuộc nhóm không gian C2/c.
3.2.Tính chất điện hóa
3.2.1. Phổ đặc trưng CV của điện cực Li2SnO3
Hình 3.2 cho thấy phổ điện thế quét vòng (CV) của hai mẫu đo với các điện cực làm việc (WE) được làm từ Li2SnO3 nhận được ở hai giai đoạn khác nhau của quá trình chế tạo: a) Sau ủ nhiệt ở 800 oC trong 6 h và b) Sau ủ nhiệt ở 800 oC vànghiền lần 2 trong 4h.
Từ phổ CV của mẫu đo Li2SnO3/Pt (Hình 3.2a), với điện cực WE làm từ Li2SnO3 nhận được sau ủ nhiệt ở 800 oC trong 6 h (sau đây gọi là mẫu M1), khi Li+ tiêm vào WE, trên đường cong nạp trong khoảng điện áp từ −2 V ÷ 1 V xuất hiện hai đỉnh giảm. Đỉnh đầu tiên xuất hiện tại −1,63 V liên quan đến phản ứng của Li2SnO3 với kim loại Li thành Li2O và kim loại Sn (không thuận nghịch) và phản ứng hợp kim của Sn với Li (thuận nghịch). Đỉnh giảm thứ hai tại -0,63 V, đỉnh này có thể là do sự hình thành của màng chuyển tiếp chất điện phân rắn (SEI) trên bề mặt của điện cực.
Trên đường cong phóng, hai đỉnh được tìm thấy ở −1,75 V và 0,19 V, ứng với quá trình khử hợp kim LixSn khi Li+ thoát ra từ anôt.
Trong phổ CV c từ Li2SnO3 nhận đượ M2) xuất hiện hai đỉ
được tiêm vào anôt (quá trình kh 0,44 V trong quá trình Li
hợp kim LixSn), tương t
Hình 3.2: Phổ CV của điện cực a) Sau ủ nhiệt ở 800
CV của mẫu đo Li2SnO3/Pt (Hình 3.2b), vớ
ợc sau nghiền trộn lần 2 trong 4 h (sau đây g
ỉnh giảm tại −1,63 V và -0,24 V trong quá trình ion Li t (quá trình khử tại anôt), hai đỉnh tăng t
0,44 V trong quá trình Li+ thoát ra từ anôt (quá trình oxy hóa t Sn), tương tự như với phổ CV của mẫu M1.
ổ CV của điện cực Li2SnO3 với tốc độ quét 5 mV/s: ủ nhiệt ở 8000C trong 6 h. b) Nghiền lần 2 trong 4 h.
ới điện cực WE làm n 2 trong 4 h (sau đây gọi là mẫu 0,24 V trong quá trình ion Li+
nh tăng tại −1,60 V và tại t (quá trình oxy hóa tại anôt – khử
ới tốc độ quét 5 mV/s: ền lần 2 trong 4 h.
Các đỉnh tiêm/thoát nhận được từ phổ CV tương ứng với các phản ứng điện hoá xảy ra trong quá trình nạp/phóng ion Liti vào điện cực WE. Quá trình nạp Li+ dẫn tới phản ứng của Li+ với Li2SnO3, hình thành kim loại Sn và Li2O, tiếp theo là quá trình hình thành hợp kim LixSn thứ cấp. Quá trình phóng (tách ion Li+ khỏi điện cực WE) là quá trình khử hợp kim LixSn. Trong quá trình nạp/phóng chỉ có phản ứng hợp kim hóa/khử hợp kim của Sn với Li là thuận nghịch và tạo ra dung lượng của điện cực. Các quá trình xảy ra trên điện cực WE trong khi tiêm/thoát Li+ có thể được biểu diễn bởi phương trình (3.1) và (3.2) [5]:
Li2SnO3 + 4Li+ + 4e− → 3Li2O + Sn (3.1) Sn + xLi+ + xe− ↔ LixSn (x ≤ 4,4) (3.2)
3.2.2. Khảo sát đặc trưng phóng nạp của điện cực Li2SnO3
Hình 3.3 và 3.4 biểu thị đường tích/thoát ion Li+ của của điện cực WE được làm từ Li2SnO3 với cường độ dòng tích 0,1 mA (ứng với mật độ dòng 0,35 mA/cm2) và cường độ dòng thoát 0,02 mA (ứng với mật độ dòng 0,07 mA/cm2). Hình 3.3 ứng với WE được làm từ Li2SnO3 sau khi ủ nhiệt ở 800 oC trong 6 h (mẫu M1). Hình 3.4 ứng với WE được làm từ Li2SnO3 sau khi nghiền trộn lần 2 trong 4 h (mẫu M2).
Quá trình nạp của mẫu điện cực M1 được biểu thị bởi đường a (Hình 3.3) và quá trình phóng được biểu thị bởi đường b (Hình 3.3). Trong quá trình nạp, điện thế giảm nhanh tới khoảng −2,2 V và dần dần đạt giá trị ổn định ở khoảng −2,4 V. Đối với mẫu điện cực M2, trong quá trình nạp, điện thế giảm nhanh tới khoảng – 3,5 V và đạt giá trị ổn định ở khoảng – 3,75 V.
Từ kết quả nhận được khi khảo sát quá trình tiêm/thoát ion Li+, chúng ta nhận thấy điện cực Li2SnO3 làm từ mẫu vật liệu M1 có độ chênh lệch điện áp tích/thoát nhỏ hơn điện cực Li2SnO3 làm từ mẫu vật liệu M2. Điều đó có thể là do điện cực làm từ mẫu vật liệu M1 có độ dẫn điện tốt hơn điện cực làm từ mẫu vật liệu M2.
Để xác định chính xác dung lư phép đo quá trình tiêm/thoát
Hình 3.3: Đường đặc tr
Hình 3.4: Đường đặc tr
nh chính xác dung lượng của các vật liệu ch ình tiêm/thoát ion Li+ cần được khảo sát đầ
ờng đặc trưng tích/thoát của điện cực Li2SnO 800 oC trong 6 h.
ờng đặc trưng tích/thoát của điện cực Li2SnO trộn lần 2 trong 4 h.
u chế tạo được các ầy đủ hơn với thời
SnO3 sau ủ nhiệt ở
gian tiêm/thoát đủ lớn và độ bền điện hóa cũng cần được nghiên cứu với các chu kì tiêm/thoát khác nhau.
Tóm lại, kết quả khảo sát đặc trưng điện hóa của các điện cực chế tạo từ các vật liệu điện cực Li2SnO3 cho thấy:
- Các vật liệu này đều có thể được sử dụng làm vật liệu điện cực anôt cho pin ion Liti.
- Trong các vật liệu chúng tôi đã khảo sát, Li2SnO3 nhận được sau khi nung sơ bộ ở 8000 C trong 6h là tốt nhất. Do vậy khi sử dụng làm điện cực anôt cho pin ion Liti nó sẽ cho thế điện động lớn nhất và dung lượng cao nhất.
KẾT LUẬN
Sau một thời gian tập trung nghiên cứu với mục tiêu đặt ra khi chọn đối tượng nghiên cứu là vật liệu dùng làm điện cực anôt cho pin ion Liti. Những kết quả nghiên cứu ban đầu đạt được bao gồm:
1- Đã chế tạo thành công vật liệu Li2SnO3 từ hỗn hợp oxit SnO2 và muối Li2CO3 bằng phương pháp phản ứng pha rắn. Các kết quả phân tích nhiễu xạ tia X cho thấy vật liệu Li2SnO3 là đơn pha và bảo đảm đúng thành phần hợp thức.
2- Các kết quả nghiên cứu điện hóa và khảo sát các quá trình phóng nạp cho thấy vật liệu Li2SnO3 nhận được sau nung sơ bộ ở 8000 C thích hợp cho việc sử dụng làm vật liệu điện cực anôt cho pin ion Liti.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] A. R. Kamali and D. J. Fray (2011), “Tin-based materials as advanced
anode materials for Lithium ion batteries”, Reviews on Advanced Materials Science 27, Pages 14-24.
[2] D. Deng, M. G. Kim, J. Y. Lee and J. Cho (2009), “Green energy storage meterials: Nanostructured TiO2 and Sn- based anodes for lithium- ion
batteries”, Energy & Environmental Science 2, Pages 818-837.
[3] Nguyen Nang Dinh, Pham Duy Long, Le Dinh Trong (2004), “Crystalline perovskite La0,67-xLi3xTiO3: preparation and ionic conducting
characterization”, Communications in Physics 14, N02, Pages 90-94.
[4] D. Linden, T. B. Reddy (2002), Handbook of batteries 3rd, Chapter 35,
The McGraw-Hill Companies, America.
[5] D. W. Zhang, S. Q. Zhang, Y. Jin, T. H. Yi, S. Xie, C. H. Chen (2006), “Li2SnO3 derived secondary Li–Sn alloy electrode for lithium-ion
batteries”, Journal of Alloys and Compounds 415, Pages 229-233.
[6] G. Du, C. Zhong, P. Zhang, Z. Guo, Z. Chen, H. Liu (2010), “Tin dioxide/carbon nanotube composites with high uniform SnO2 loading as
anode materials for lithium ion batteries”, Electrochimica Acta 55, Issue
7, Pages 2582-2586.
[7] H. B. Wu, J. S. Chen, X. W. (David) Lou, and H. H. Hng (2011), “Synthesis of SnO2 Hierarchical Structures Assembled from Nanosheets
and Their Lithium Storage Properties”, The Journal of Physical Chemistry C 115, Pages 24605-24610.
[8] L. P. Teo, M. H. Buraidah, A. F. M. Nor and S. R. Majid (2012), “Conductivity and dielectric studies of Li2SnO3”, IONICS 18, Number 7,
[9] L. Xue, Z. Wei , R. Li , J. Liu , T. Huang and A. Yu (2011), “Design and synthesis of Cu6Sn5-coated TiO2 nanotube arrays as anode material for
lithium ion batteries”, Journal of Materials Chemistry21, Pages 3216-
3220.
[10] Mark Solomon (1996), Lithium Batteries: Present Trends and Prospects,
Army Reasearch Laboratory, America.
[11] M. V. V. M. Satya Kishore, U. V. Varadaraju, B. Raveau (2004), “Electrochemical performance of LiMSnO4 (M = Fe, In) phases with
ramsdellite structure as anodes for lithium batteries”, Journal of Solid State Chemistry 177, Issue 11, Pages 3981-3986.
[12] N. Kuwata, J. Kawamura, K. Toribami, T. Hattori, N. Sata (2004), “Thin-film lithium-ion battery with amorphous solid electrolyte fabricated by pulsed laser deposition”, Electrochemistry Communications6, Pages 417-421.
[13] N. Kuwata, R. Kumar, K. Toribami, T. Suzuki, T. Hattori, J. Kawamura (2006), “Thin film lithium ion batteries prepared only by pulsed laser
deposition”, Solid State Ionics 177, Pages 2827-2832.
[14] N. V. Tarakina, T. A. Denisova, L. G. Maksimova, Y. V. Baklanova, A. P. Tyutyunnik, I. F. Berger, V. G. Zubkov, G. van Tendeloo (2009), “Investigation of stacking disorder in Li2SnO3”, Zeitschrift für Kristallographie 30, Pages 375-380.
[15] P. Meduri, C. Pendyala, V. Kumar, G. U. Sumanasekera and M. K. Sunkara (2009), “ Hybrid Tin Oxide Nanowires as Stable and High
Capacity Anodes for Li-Ion Batteries”, Nano Letter 9, Issue 2, Pages
612-616.
[16] Q. Wang, Y. Huang, J. Miao, Y. Wang, Y. Zhao (2012), “Hydrothermal derived Li2SnO3/C composite as negative electrode materials for lithium-
[17] Q. Wang, Y. Huang, J. Miao, Y. Wang, Y. Zhao (2012), “Synthesis and properties of Li2SnO3/polyaniline nanocomposites as negative electrode
material for lithium-ion batteries”, Applied Surface Science 258, Issue
24, Pages 9896-9901.
[18] Q. Wang, Y. Huang, J. Miao, Y. Wang, Y. Zhao (2012), “Synthesis and properties of carbon-doped Li2SnO3 nanocomposite as cathode material
for lithium-ion batteries”, Materials Letters 71, Pages 66-69.
[19] Le Dinh Trong, Pham Duy Long, Vu Van Hong, Nguyen Nang Dinh (2007), “Optical and electrical properties of perovskite La0.67-xLi3xTiO3
solid electrolyte thin films made by electron beam deposition”, A Journal of the Asean Commitee on Science & Technology 24, No.1&2, Pages
35-40.
[20] Le Dinh Trong, Pham Duy Long, Nguyen Nang Dinh (2008), “Fabrication of ion conductive materials La0.67-xLi3xTiO3 used as electrolyte for all solid Li+ ion batteries”, Reports of the Eleventh Vietnamese-German Seminar on Physics and Engieering (VGS 11), Nha
Trang City, from March, 31, to April, 5, 2008.
[21] X. Yin, L. Chen, C. Li, Q. Hao, S.Liu, Q.Li, E. Zhang, T. Wang (2011), “Synthesis of mesoporous SnO2 spheres via self-assembly and superior
lithium storage properties”, Electrochimica Acta 56, Issue 5, Pages
2358-2363.
[22] Z. Yang, G. Du, Q. Meng, Z. Guo, X. Yu, Z. Chen, T. Guo and R. Zeng (2011), “Dispersion of SnO2 nanocrystals on TiO2(B) nanowires as
anode material for lithium ion battery applications”, RSC Advances1,
Pages 1834-1840.
[23] Z. Ying, Q. Wan, H. Cao, Z. T. Song, S. L. Feng (2005), “Characterization of SnO2 nanowires as an anode material for Li-ion
[24] Z. Wang, G. Chen, D. Xia (2008), “Coating of multi-walled carbon nanotube with SnO2 films of controlled thickness and its application for