Nghiên cứu điều chế vật liệu trên cơ sở thiếc (Sn) nano làm vật liệu anode cho pin sạc lithium

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

PHẠM THỊ LAN PHƯƠNG

NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ VẬT LIỆU

TRÊN CƠ SỞ THIẾC (Sn) NANO LÀM VẬT LIỆU ANODE

CHO PIN SẠC LITHIUM

Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và Hóa lý

Mã số: 8440119

Người hướng dẫn: GS.TS. Võ Viễn.

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.

Các số liệu, những kết luận nghiên cứu được trình bày trong luận văn

này là trung thực và chưa từng công bố dưới bất cứ hình thức nào.

Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.

Quy Nhơn, tháng 8 năm 2022

Tác giả luận văn

Phạm Thị Lan Phương

LỜI CẢM ƠN

Phía sau một thành công nào đó luôn là sự đồng hành và giúp đỡ của

những người thân bên cạnh chúng ta. Trong khoảng thời gian em thực hiện

luận văn này, em luôn nhận được sự ủng hộ, quan tâm và giúp đỡ tận tình từ

gia đình, Quý Thầy Cô 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 đến

GS.TS. Võ Viễn - người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện và chia

sẻ cho em những kiến thức, kinh nghiệm quý báu trong suốt thời gian hoàn

thành luận văn thạc sĩ. Không chỉ vậy, Thầy còn là người tạo điều kiện cho

chúng em có những trải nghiệm thực tế tại phòng thí nghiệm Hóa Lý Ứng

dụng của trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học quốc gia thành phố Hồ

Chí Minh. Qua đó, em cũng muốn dành lời cảm ơn chân thành nhất đến

PGS.TS. Trần Văn Mẫn - người đã tận tụy hướng dẫn chúng em tiếp cận với

các thiết bị của phòng thí nghiệm Hóa Lý Ứng dụng và chia sẻ cho chúng em

những kiến thức bổ ích trong quá trình hoàn thành luận văn thạc sĩ. Và em

cũng muốn cảm ơn đến các thành viên của phòng thí nghiệm Hóa Lý Ứng

dụng, đặc biệt là bạn Lê Minh Kha - người đã vô cùng tỉ mỉ, cẩn thận và nhiệt

huyết hướng dẫn chúng em làm việc với các thiết bị của phòng thí nghiệm.

Em cũng xin tỏ lòng biết ơn của mình đến Quý Thầy Cô 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 luận văn. Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến anh

Lê Quốc Đạt, Trần Hữu Hà đã tận tình giúp đỡ em trong quá trình làm thí

nghiệm, thảo luận và công bố kết quả.

Bên cạnh đó, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Nguyễn Hữu

Lân - người luôn đồng hành và ủng hộ em trên mỗi chặng đường theo đuổi tri

thức và chia sẻ cho em những kinh nghiệm quý báu trong suốt thời gian qua.

Cuối cùng, em xin dành tình cảm đặc biệt đến Ba Mẹ, người thân và

những người bạn trong phòng thí nghiệm Hóa học bền vững, đặc biệt là bạn

Minh, Nhung và anh Ngọc. Mọi người đã luôn cho em động lực, lời động

viên, cổ vũ tinh thần và tiếp sức cho em trong những tháng ngày vất vả và mệt

mỏi nhất để em có được ngày hôm nay.

Mặc dù đã rất cố gắng trong thời gian thực hiện luận văn, nhưng vì còn

hạn chế về kiến thức cũng như thời gian, kinh nghiệm nghiên cứu nên không

tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự thông cảm và những ý

kiến đóng góp quý báu từ Quý Thầy Cô để luận văn của em được hoàn thiện

hơn. Em xin chân thành cảm ơn!

Tác giả luận văn

Phạm Thị Lan Phương

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ........................................................................ 8

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .......................................................................... 9

MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1

1. Lý do chọn đề tài ........................................................................................ 1

2. Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................. 6

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................. 6

3.1. Đối tượng nghiên cứu .......................................................................... 6

3.2. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................. 6

4. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................... 7

4.1. Phương pháp lý thuyết ......................................................................... 7

4.2. Phương pháp thực nghiệm ................................................................... 7

4.3. Phương pháp phân tích và đánh giá ..................................................... 7

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ................................................................... 7

5.1. Ý nghĩa khoa học ................................................................................. 8

5.2. Ý nghĩa thực tiễn .................................................................................. 8

6. Cấu trúc luận văn ....................................................................................... 8

Chương 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT ..................................................... 10

1.1. Lịch sử pin lithium ................................................................................ 10

1.2. Pin lithium ............................................................................................. 12

1.2.1. Giới thiệu pin lithium...................................................................... 12

1.2.2. Cấu tạo pin lithium ......................................................................... 14

1.2.3. Vật liệu cathode .............................................................................. 17

1.2.4. Vật liệu anode ................................................................................. 19

1.2.5. Dung dịch chất điện phân ............................................................... 21

1.3. Ứng dụng vật liệu nền g-C3N4 làm anode cho pin lithium ................... 22

1.4. Ứng dụng vật liệu nền carbon (C) làm anode cho pin lithium ............. 27

1.5. Vật liệu thiếc (Sn) nano ........................................................................ 29

1.5.1. Tổng quan vật liệu thiếc (Sn) nano ................................................. 29

1.5.2. Ứng dụng vật liệu thiếc (Sn) nano .................................................. 31

1.6. Vấn đề của luận văn .............................................................................. 31

Chương 2. THỰC NGHIỆM ........................................................................ 33

2.1. Thiết bị, hóa chất, dụng cụ .................................................................... 33

2.1.1. Thiết bị ............................................................................................ 33

2.1.2. Hóa chất .......................................................................................... 33

2.1.3. Dụng cụ ........................................................................................... 33

2.2. Tổng hợp vật liệu .................................................................................. 34

2.2.1. Tổng hợp vật liệu thiếc ................................................................... 34

2.2.1.1. Tổng hợp vật liệu Sn bằng phương pháp thủy nhiệt .................... 34

2.2.1.2. Tổng hợp vật liệu bằng phương pháp oxy hóa trong dung dịch ở

nhiệt độ thấp .............................................................................................. 34

2.2.1.3. Tổng hợp vật liệu bằng phương pháp oxy hóa trong dung dịch ở

nhiệt độ cao ............................................................................................... 34

2.2.2. Tổng hợp vật liệu g-C3N4 ............................................................... 34

2.2.3. Tổng hợp vật liệu carbon (C) .......................................................... 35

2.2.4. Tổng hợp vật liệu composite Sn/g-C3N4 ......................................... 35

2.2.5. Tổng hợp vật liệu composite Sn/C ................................................. 35

2.3. Các phương pháp đặc trưng vật liệu ..................................................... 36

2.3.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (X-ray Diffraction) ............................ 36

2.3.2. Phương pháp phổ hồng ngoại (IR) ................................................. 37

2.3.3. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) ....................................... 37

2.3.4. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) ............................. 38

2.3.5. Phương pháp phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS) .......................... 39

2.4. Đặc trưng điện hóa ................................................................................ 40

Chương 3. THẢO LUẬN VÀ KẾT QUẢ ................................................... 46

3.1. Đặc trưng vật liệu ..................................................................................... 46

3.1.1. Đặc trưng vật liệu thiếc (Sn) ........................................................... 46

3.1.2. Đặc trưng vật liệu composite Sn/g-C3N4 ........................................ 47

3.1.3 Đặc trưng vật liệu composite Sn/C .................................................. 53

3.2. Đặc trưng điện hóa ................................................................................ 56

3.2.1. Đặc trưng điện hóa vật liệu Sn và composite Sn/g-C3N4 ............... 56

3.2.2. Đặc trưng điện hóa vật liệu composite Sn/C .................................. 60

3.2.3. Đặc trưng điện hóa mẫu Sn-C......................................................... 68

KẾT LUẬN .................................................................................................... 72

KIẾN NGHỊ ................................................................................................... 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 74

QUYẾT ĐỊNH GIAO TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO)

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

IR: Infrared Spectroscopy (Phổ hồng ngoại)

IoT: Internet of Things

LIB: Lithium-ion battery (Pin liti)

SEM: Scanning Electron Microscopy (Kính hiển vi điện tử quét)

SEI Solid electrolyte interphase (Lớp điện phân rắn)

TEM: Transmission Electron Microscopy (Kính hiển vi điện tử truyền

qua)

XRD: X-Ray Diffraction (Nhiễu xạ tia X)

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1. So sánh các công nghệ sạc khác nhau về mật độ năng lượng và mật

độ năng lượng riêng. .................................................................................... 3

Hình 1.2. Hình dạng cấu hình các thành phần của các loại pin lithium khác

nhau.. ........................................................................................................... 15

Hình 1.3. Sơ đồ của pin lithium thông thường. ......................................................... 16

Hình 1.4. Cấu trúc tinh thể và dung lượng xả đại diện các cấu trúc của vật liệu

đan cài: cấu trúc lớp (LiCoO2) (a), cấu trúc spinel (LiMn2O4) (b),

cấu trúc olivin (LiFePO4) (c), cấu trúc tavorit (LiFeSO4F) (d) và

dung lượng xả của các vật liệu catốt đan cài (e). .................................... 17

Hình 1.5. Hình minh họa ba cơ chế sạc/xả của vật liệu anode. ............................... 19

Hình 1.6. Cấu trúc tinh thể của melon như các polymer g-C3N4 (a) và s￾triazine (b) và tri-s-triazine (c) của g-C3N4. ............................................. 23

Hình 1.7. Năng lực sạc/xả ở mật độ dòng 1C (1000 mA/g) của các vật liệu (a),

năng lực sạc/xả ở các mật độ dòng khác nhau của MS/CN (b), phân

tích dữ liệu quét thế catốt (c), đóng góp của giả tụ

(pseudocapacitive) và đan cài (intercalation) vào dung lượng chung

của điên cực MS/CN (d), và ảnh TEM của MS/CN, trong đó

MS/CN được ký hiệu cho các mẫu composite của MoS2 (MS) và g￾C3N4 (CN) (e) ............................................................................................. 24

Hình 1.8. Năng lực sạc/xả ở mật độ dòng 1C (1000 mA/g) của các vật liệu (a),

năng lực sạc/xả ở các mật độ dòng khác nhau của các vật liệu (b),

định lượng đóng góp giả tụ (c), đóng góp của giả tụ và đan cài vào

dung lượng chung của điện cực WS/CN-5 (d), và ảnh SEM của

WS/CN-5(e) ................................................................................................ 25

Hình 1.9. Sơ đồ tóm tắt từ quy trình tổng hợp đến các phản ứng điện hóa xảy

ra trong vật liệu composite SnS2@g-C3N4. ........................................... 26

Hình 1.10. Năng lực sạc/xả ở mật độ dòng 500 mA/g của các vật liệu (a), năng

lực sạc/xả ở các mật độ dòng khác nhau của các vật liệu (b), định

lượng đóng góp giả tụ (c), đóng góp của giả tụ và đan cài vào dung