Đang tải... (xem toàn văn)
Trang 2 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN NGUYỄN ĐỨC NHÂNNGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ COMPOSITE CỦA Si TRÊN CÁC CHẤT NỀN CARBON, g-C3N4 ỨNG DỤNG LÀM VẬT LIỆU ANODE CHO PIN SẠC LITHIU
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN NGUYỄN ĐỨC NHÂN NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ COMPOSITE CỦA Si TRÊN CÁC CHẤT NỀN CARBON, g-C3N4 ỨNG DỤNG LÀM VẬT LIỆU ANODE CHO PIN SẠC LITHIUM ĐỀ ÁN THẠC SĨ HÓA HỌC Bình Định – Năm 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN NGUYỄN ĐỨC NHÂN NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ COMPOSITE CỦA Si TRÊN CÁC CHẤT NỀN CARBON, g-C3N4 ỨNG DỤNG LÀM VẬT LIỆU ANODE CHO PIN SẠC LITHIUM Ngành : Hóa lí thuyết và hóa lí Mã số : 8440119 Người hướng dẫn: GS TS VÕ VIỄN (người hướng dẫn 1) TS NGUYỄN THỊ LAN (người hướng dẫn 2) 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 Nguyễn Thị Lan Các số liệu, những kết luận nghiên cứu được trình bày trong đề án này là trung thực và khách quan Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình Quy nhơn, ngày 08 tháng 12 năm 2023 Tác giả đề án Nguyễn Đức Nhân LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành việc nghiên cứu bài luận án 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 Nguyễn Thị Lan và TS Phan Thị Thuỳ Trang đã định hướng, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi nhất cho em trong suốt thời gian hoàn thành đề án 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, 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 đề án Ngoài ra, em cũng gửi lời cảm ơn đến Quỹ Đổi mới sáng tạo VINGROUP (VINIF) đã tài trợ học bổng thạc sĩ giúp em có chi phí để hoàn thành đề án thạc sĩ của mình 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 góp ý của quý thầy cô để đề án được hoàn thiện hơn Quy Nhơn, ngày 08 tháng 12 năm 2023 Học viên thực hiện Nguyễn Đức Nhân 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 Lý do chọn đề tài 1 2 Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu 4 2.1 Mục đích nghiên cứu 4 2.2 Nhiệm vụ nghiên cứu 4 3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4 3.1 Đối tượng nghiên cứu 4 3.2 Phạm vi nghiên cứu 4 4 Phương pháp nghiên cứu 4 4.1 Phương pháp lý thuyết 4 4.2 Phương pháp thực nghiệm 5 4.3 Phương pháp phân tích và đánh giá 5 5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 5 5.1 Ý nghĩa khoa học 5 5.2 Ý nghĩa thực tiễn 5 6 Cấu trúc đề án 5 NỘI DUNG 7 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 7 1.1 Pin lithium ion 7 1.1.1 Lịch sử pin lithium ion 7 1.1.2 Cấu tạo pin lithium 8 1.1.3 Vật liệu cathode 11 1.1.4 Vật liệu anode 14 1.1.5 Dung dịch chất điện phân 20 1.1.6 Màng phân cách 22 1.2 Ứng dụng g-C3N4 làm vật liệu nền cho điện cực anode pin lithium 23 1.2.1 Cấu trúc 23 1.2.2 Ứng dụng 24 1.3 Ứng dụng vật liệu nền C làm điện cực anode cho pin lithium 27 1.3.1 Cấu trúc 27 1.3.2 Ứng dụng 28 1.3.3 Carbon điều chế từ vỏ chuối 31 1.4 Hợp chất TEOS 32 CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 34 2.1 Thiết bị, hóa chất, dụng cụ 34 2.1.1 Thiết bị 34 2.1.2 Hóa chất 34 2.1.3 Dụng cụ 34 2.2 Quy trình tổng hợp vật liệu 35 2.2.1 Tổng hợp vật liệu g-C3N4 35 2.2.2 Tổng hợp vật liệu Carbon 35 2.2.3 Tổng hợp vật liệu Si 35 2.2.4 Tổng hợp vật liệu composite Si/g-C3N4 , Si/C 36 2.3 Các phương pháp đặc trưng vật liệu 36 2.3.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (X-ray Diffraction, XRD) 36 2.3.2 Phổ hồng ngoại (FT-IR spectroscopy, IR) 37 2.3.3 Phương pháp hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy, SEM) 38 2.3.4 Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 40 2.3.5 Phổ tán xạ năng lượng tia X (Energy Dispersive X – ray Spectroscopy, EDX hay EDS) 40 2.3.6 Phổ Raman 42 2.4 Đặc trưng điện hóa 42 2.4.1 Quy trình tạo ra một điện cực của pin 42 2.4.2 Quét thế vòng tuần hoàn (Cyclic Voltammetry, CV) 44 2.4.3 Đo phóng sạc (Galvanostatic Cycling with Potential, GCP) 45 2.4.4 Phổ tổng trở điện hóa (Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS) 46 CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 48 3.1 Đặc trưng vật liệu silicon 48 3.2 Đặc trưng vật liệu composite dựa trên silicon 51 3.2.1 Vật liệu Si/C 51 3.2.2 Vật liệu Si/g – C3N4 54 3.3 Đặc trưng điện hoá 57 KẾT LUẬN 65 1 KẾT LUẬN 65 2 KIẾN NGHỊ 65 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 PHỤ LỤC 75 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt CE Coulombic efficiency Hiệu suất Coulombic CTAB hexadecyl trimethyl hexadecyl trimethyl amoniumum amoniumum bromide bromide CV ECs Cyclic Voltammetry Quét thế vòng tuần hoàn Electrochemical capacitors Tụ điện hóa EDX hay EDS (Energy Dispersive X – ray Phổ tán xạ năng lượng tia X Spectroscopy EIS Electrochemical Impedance Phổ tổng trở điện hóa Spectroscopy GCP Galvanostatic Cycling with Đo phóng sạc IR Potential LIBs Infrared Spectroscopy Phổ hồng ngoại SEI Li-ion batteries Pin lithium-ion SEM TEM Solid electrolyte interphase Lớp điện giải rắn TEOS Scanning Electron Microscopy Phương pháp hiển vi điện tử quét XRD Transmission electron Phương pháp hiển vi điện tử truyền microscopy qua Tetraethyl orthosilicate Tetraethyl orthosilicate X – Ray Diffraction Nhiễu xạ tia X DANH MỤC BẢNG Bảng 1 Nghiên cứu vật liệu anode hoạt động, ưu điểm, nhược điểm 18 Bảng 2 Một số hoá chất 34 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Cấu tạo của pin Li-ion .9 Hình 1.2 Hình dạng cấu hình các thành phần của các loại pin lithium khác nhau 10 Hình 1.3 Sơ đồ của pin Li-ion trong quá trình sạc-xả .10 Hình 1.4.Cấu trúc của LiMn2O4 điển hình 12 Hình 1.5 Cấu trúc điển hình của LiFePO4 13 Hình 1.6 Hình minh họa ba cơ chế sạc/xả của vật liệu anode 14 Hình 1.7 Cách lithium được lưu trữ trong than chì, cứ 6 nguyên tử carbon thì có 1 nguyên tử lithium được lưu trữ 15 Hình 1.8 Sơ đồ minh họa của pha điện phân rắn (SEI) hình thành ở anode của pin .16 Hình 1.9 Cấu trúc và sự đan cài của ion lithium trong LTO cùng với phản ứng của nó 17 Hình 1.10 Sơ đồ minh họa vật liệu làm cực dương hoạt động cho pin lithium-ion thế hệ tiếp theo 17 Hình 1 11 Một số vật liệu “melon” vô định hình do Liebig mô tả 23 Hình 1 12 Cấu trúc các lớp g – C3N4 .24 Hình 1 13 Cấu trúc của Tetraethyl orthosilicate (TEOS) .32 Hình 2 1 Dạng tiêu biểu của đường CV và cách xác định các giá trị thế đỉnh và dòng đỉnh……………………………………………………………………………………….44 Hình 3.1 Giản đồ nhiễu xạ của vật liệu Si…………………………………………… 48 Hình 3.2 Phổ hồng ngoại IR của vật liệu Si 49 Hình 3 3 Phổ Raman của vật liệu Si 50 Hình 3 4 Ảnh SEM của vật liệu Si .50 Hình 3 5 Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu Si và Si/C 51 Hình 3 6 Phổ hồng ngoại IR của vật liệu Si và Si/C 52 Hình 3 7 Phổ Raman của mẫu Si/C .53 Hình 3 8 Ảnh SEM (a) và ảnh TEM (b) của vật liệu Si/C .54 Hình 3 9 Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu Si và Si/g-C3N4 55 Hình 3 10 Phổ hồng ngoại IR của vật liệu Si và Si/g-C3N4 56 Hình 3 11 Ảnh SEM (a) và ảnh TEM (b) của vật liệu Si/g-C3N4 .56 Hình 3 12 Phổ EDS của vật liệu composite Si/g-C3N4 57 Hình 3 13 Đường quét thế vòng tuần hoàn của các điện cực làm từ (a) Si, 58 Hình 3 14 Đường cong sạc xả ứng với các chu kì khác nhau của điện cực (a)Si, (b)Si/C và (c) Si/g-C3N4 59 Hình 3 15 Sự thay đổi dung lượng riêng và hiệu suất Coulombic theo chu kì của các điện cực Si, Si/C và Si/g-C3N4 61 Hình 3 16 Dung lượng riêng theo số chu kì trong các vùng thế khác nhau của các điện cực (a) Si (b) Si/C, (c) Si/g – C3N4 62 Hình 3 17 Phổ tổng trở điện hoá của điện cực Si,Si/C và Sig-C3N4 63