115
Hỡnh 4.2. Đồ thị dung lượng riờng theo điện thế của sỏu mẫu pin Li/EC:DMC 1:1, LiPF6 1M/LiNi0.5Mn1.5O4 chế tạo bằng cỏc phương phỏp khỏc nhau với chế độ đo
dũng khụng đổi ở tốc độ C/2, khoảng điện thế từ 3,5 - 5,0V.
Sỏu mẫu vật liệu đó chế tạo bằng cỏc phương phỏp khỏc nhau được kiểm tra tớnh chất điện húa trong cấu trỳc pin liti (Li/EC:DMC 1:1, LiPF6 1M/LiNi0.5Mn1.5O4). Hỡnh 4.2 là đồ thị dung lượng riờng theo điện thế của sỏu mẫu pin với chế độ đo dũng khụng đổi ở tốc độ C/2, khoảng điện thế từ 3,5 - 5,0V.
Tất cả cỏc mẫu đều cú vựng thế hoạt động ở khoảng 4,8 V tương ứng với trạng thỏi oxy húa từ Ni2+
thành Ni4+ đồng thời với việc lấy đi khỏi mạng tinh thể 2 ion Li+ [53]. Trong số đú, cỏc mẫu SS-800, WeC-800 và CS-800 cũn cú thờm một vựng thế hoạt động nhỏ hơn ở 4,1-4,2 V do phản ứng oxy húa từ Mn3+
thành Mn4+ [53]. Từ đồ thị trờn hỡnh 4.2 ta cú thể đỏnh giỏ được phần đúng gúp của sự oxy húa ion Mn3+ so với ion Ni2+ vào tổng dung lượng. Từ đú ta suy ra được số ụxy húa trung bỡnh của Mn trong mẫu spinel đó tổng hợp được (bảng 4.1). Kết quả này cũng phự hợp với cỏc tớnh toỏn rỳt ra từ phương phỏp phõn tớch phổ hấp thụ nguyờn tử (AA) và phộp phõn tớch khối phổ cộng hưởng plasma (ICP-MS).
116
Bảng 4.1. Cụng thức húa học của 6 mẫu chế tạo theo cỏc phương phỏp khỏc nhau tớnh toỏn từ ICP-MS và số ụxy húa trung bỡnh của Mn tớnh toỏn từ số liệu phộp đo dũng khụng đổi (GC) và phộp phõn tớch phổ hấp thụ nguyờn tử (AA).
Tờn mẫu Cụng thức húa học của spinel tớnh toỏn từ ICP-MS
Số ụxy húa trung bỡnh của Mn
GC AA SS-800 Li0.81Ni0.43Mn1.57O3.91 3.94 3.92 WC-800 Li0.84Ni0.46Mn1.54O3.92 3.96 3.92 CS-800 Li0.83Ni0.40Mn1.60O3.91 3.93 3.88 SG-AA-500 Li0.85Ni0.46Mn1.54O3.93 3.97 3.95 SG-AA-800 Li0.85Ni0.48Mn1.52O3.93 3.99 3.98 SG-RF-800 Li0.87Ni0.47Mn1.53O3.94 3.99 3.96
Riờng mẫu vật liệu SG-AA-500 cú diện tớch bề mặt riờng rất lớn so với cỏc mẫu cũn lại (37,95 m2
.g -1), do đú cú thể chất điện ly đó bị phõn hủy tại bề mặt điện cực sau những chu kỳ phúng - nạp đầu tiờn, nhất là khi ở thế điện húa cao [81]. Như vậy, cỏc kết quả nghiờn cứu cho thấy tớnh chất điện húa của vật liệu phụ thuộc rất mạnh vào cỏc phương phỏp tổng hợp khỏc nhau (tổng hợp pha rắn, tổng hợp đốt chỏy, tổng hợp húa ướt, tổng hợp sol-gel). Trong đú, thế phúng và thế nạp cũng như dung lượng riờng của 6 mẫu rất khỏc nhau, mẫu vật liệu cho kết quả tốt nhất là SS- 800 và WeC-800 đạt dung lượng riờng hơn 120 mAhg-1 ở chế độ phúng nạp C/2 (xem hỡnh 4.2).
4.3.1.2. Tớnh chất phúng nạp của pin
Tớnh chất phúng nạp của pin ở tốc độ 1C
Cỏc kết quả nghiờn cứu cho thấy tớnh chất điện húa của vật liệu phụ thuộc rất mạnh vào cỏc phương phỏp tổng hợp khỏc nhau (tổng hợp pha rắn, tổng hợp đốt chỏy, tổng hợp húa ướt, tổng hợp sol-gel). Trong số cỏc mẫu chế tạo theo cỏc phương phỏp tổng hợp khỏc nhau, cỏc mẫu SS-800, CS-800, WeC-800, SG-AA-500 đạt
117
dung lượng riờng khỏ cao ở 20 vũng phúng nạp đầu, cũn cỏc mẫu SG-AA-800, SG- RF-800 cũn lại thỡ dung lượng riờng rất thấp (xem hỡnh 4.3).
Hỡnh 4.3. Đồ thị dung lượng riờng theo số vũng (phúng-nạp) của sỏu mẫu pin Li/EC:DMC 1:1, LiPF6 1M/LiNi0.5Mn1.5O4 chế tạo bằng cỏc phương phỏp khỏc nhau với chế độ đo dũng khụng đổi ở tốc độ 1C, khoảng điện thế từ 3,5 - 5,0V, nhiệt
độ phũng, 20 vũng đầu.
Đặc biệt, mẫu chế tạo bằng phương phỏp tổng hợp húa ướt WeC-800 thể hiện cỏc tớnh chất điện húa tốt nhất đạt dung lượng riờng hơn 100 mAhg-1
trờn 400 vũng phúng - nạp ở tốc độ cao 1C(xem hỡnh 4.4). Tiếp đến là mẫu chế tạo bằng phương phỏp tổng hợp pha rắn SS-800. Cỏc mẫu cũn lại chỉ đạt dung lượng cao ở cỏc vũng phúng - nạp đầu cũn cỏc vũng phúng nạp sau đú bị tổn hao dung lượng rất nhanh. Tổn hao dung lượng trong cỏc pin spinel cú thể do nhiều nguyờn nhõn gõy ra [32]: 1- Tại điện cực dương spinel, Mn được lấy từ bề mặt điện cực spinel đi vào dung dịch theo phản ứng: 2Mnsolid 3+ → Mnsolid 4+ + Mnsolution 2+
2- Sự phõn huỷ chất điện ly bao gồm sự phản ứng của dung mụi ở bề mặt cỏc điện cực, tạo ra cỏc lớp thụ động (SEI), làm tăng điện trở điện cực, phõn cực pin và làm giảm dung lượng.
118
3- Biến dạng Jahn-Teller trong LiMn2O4 khi phúng do sự biến đổi từ nhúm khụng gian lập phương Fd3m sang nhúm tứ giỏc I41/amd.
Hỡnh 4.4. Đồ thị dung lượng riờng theo số vũng (phúng-nạp) của sỏu mẫu pin Li/EC:DMC 1:1, LiPF6 1M/LiNi0.5Mn1.5O4 chế tạo bằng cỏc phương phỏp khỏc nhau với chế độ đo dũng khụng đổi ở tốc độ 1C, khoảng điện thế từ 3,5 - 5,0V, nhiệt
độ phũng, 500 vũng.
Tớnh chất phúng nạp của pin ở cỏc tốc độ khỏc nhau
Cỏc kết quả nghiờn cứu (xem hỡnh 4.5) cho thấy tớnh chất phúng nạp của pin ở cỏc tốc độ khỏc nhau của vật liệu phụ thuộc rất mạnh vào cỏc phương phỏp tổng hợp khỏc nhau (tổng hợp pha rắn, tổng hợp đốt chỏy, tổng hợp húa ướt, tổng hợp sol-gel). Trong số cỏc mẫu chế tạo theo cỏc phương phỏp tổng hợp khỏc nhau, mẫu chế tạo bằng phương phỏp tổng hợp pha rắn SS-800 thể hiện tớnh chất phúng nạp của pin ở cỏc tốc độ khỏc nhau là tốt nhất, dung lượng riờng đạt trờn 125 ữ 146 mAhg-1 ở cỏc chế độ phúng nạp C/20; C/10; C/5; C/4; C/2; 1C. Khi phúng nạp ở tốc độ cao 2C, 5C, 7,5C và 10C dung lượng riờng của mẫu SS-800 dần suy giảm xuống cỏc mức tương ứng là 115 mAhg-1
, 80 mAhg-1, 53 mAhg-1 và 25 mAhg-1
. Tiếp đến là mẫu chế tạo bằng phương phỏp tổng hợp húa ướt WeC-800, dung lượng riờng đạt
119
trờn 115 ữ 135 mAhg-1
ở cỏc chế độ phúng nạp C/20; C/10; C/5; C/4; C/2; 1C. Nhưng khi phúng nạp ở tốc độ cao 2C, 5C, 7,5C dung lượng riờng của mẫu WeC- 800 suy giảm nhanh chúng xuống cỏc mức tương ứng là 30 mAhg-1, 8 mAhg-1, 5 mAhg-1 và pin bị mất dung lượng ở 10C. Cỏc mẫu cũn lại CS-800, SG-AA-500, SG-AA-800, SG-RF-800 chỉ đạt dung lượng riờng khỏ cao ở tốc độ nhỏ dưới 1C, cũn ở cỏc tốc độ lớn hơn 1C thỡ dung lượng riờng rất thấp.
Hỡnh 4.5. Đồ thị dung lượng riờng ở tốc độ khỏc nhau của sỏu mẫu pin Li/EC:DMC 1:1, LiPF6 1M/LiNi0.5Mn1.5O4, khoảng điện thế từ 3,5 - 5,0V, nhiệt độ phũng.