Nghiên cứu chế tạo pin li ion rắn sử dụng la(23) x li3xtio3 làm chất điện li

Bộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC sư PHẠM HÀ NỘI 2
PHẠM TUẤN LONG
NGHIÊN CỨU CHÉ TẠO PIN Li - ION RẮN sử DỤNG La^.sLiasTiOa LÀM CHẤT ĐIỆN LI
Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 60 44 0104
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT
• • • •
Người hướng dẫn khoa học: TS. LÊ ĐÌNH TRỌNG
HÀ NỘI, 2014
Trước tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sẳc nhất của mình tới TS. Lê Đình Trọng, người thầy
đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận vãn này.
Tôi xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ, động viên quỷ báu từ các thầy cô trong khoa Vật lý,
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2, đặc biệt là các thầy cô trong Bộ môn Vật lỷ Chất ran đã truyền đạt
cho tôi những kiến thức khoa học vô cùng quỷ báu giúp tôi hoàn thành luận văn này.
Xin chân thành cám ơn các thành viên của Trung tâm hỗ trợ NCKH và CGCN trường Đại học
Sư phạm Hà Nội 2; PGS.TS Phạm Duy Long (Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm và Khoa học Việt
Nam); PGS.TS Nguyễn Huy Dân (Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm và Khoa học Việt Nam); đã
tận tình giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để tôi có thể hoàn thành tốt luận vãn của mình.
Cuối cùng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới bố mẹ, anh chị em và bạn bè đã gần gũi, động viền
và chia sẻ, giúp tôi khắc phục khó khăn trong quá trình học tập, nghiên cửu và hoàn thiện luận văn.
Xin trân trọng cảm ơn!
Hà Nội, thảng 7 năm 2014 Tác giả
Phạm Tuấn Long
Tôi xin cam đoan luận văn được hoàn thảnh do sự cố gắng nỗ lực tìm hiểu của bản thân cùng sự
hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS. LÊ ĐÌNH TRỌNG cũng như các thày cô trong khoa Vật lý trường
ĐHSP Hà Nội 2. Đây là đề tài độc lập của riêng tôi, không trùng với đề tài nghiên cứu của tác giả khác.
Neu có điều gì không chính xác, tôi xin chịu mọi trách nhiệm.
Tác giả
LỜI CẢM
Phạm Tuấn Long
LỜI CAM ĐOAN
MUC LUC

• •
Trang
MỞĐẰU 01
NỘI DUNG 01
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ PIN Li-ION VÀ VẬT LIỆU DẪN ION
PEROVSKITE La
(
2
/
3
).
X
LÌ
3
X
TÌ
03
05
1.1. Các khái niệm cơ bản về pin Lỉtỉ ion 05
1.1.1. NGUYÊN TẲC CẨU TẠO VÀ TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA PIN LITI
ION
05
1.1.1.1. NGUYÊN TẮC CẨU TẠO 05
1.1.1.2. NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG 08
1.1.2. VẬT LIỆU ĐIỆN CỰC CHO PIN LỪI 09
1.1.2.1. VẬT LIỆU ĐIỆN CỰC DƯƠNG 09
1.1.2.2. VẬT LIỆU ĐIỆN CỰC ÂM 10
1.1.3. CHẤT ĐIỆN LI LA(2/3).
X
LI

3X
TI0
3
12
1.1.3.1. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ VẬT LIỆU DẪN ỈON 12
1.1.3.2. ĐẶC TRƯNG CẨU TRÚC PEROVSKỈTE LA(2/3).
X
LI
3X
TI0
3
13
1.1.3.3. CƠ CHẾ DẪN ION LI
+
CỦA PEROVSKITE LA(
2
/
3
).
X
LI
3
X
TI
03
16
Chương 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN cứu VÀ THựC NGHIỆM
CHẾ TẠO
20
2.1. Các phương pháp chế tạo vật liệu và pin Li-ion 20

2.1.1. CHÊ TẠO VẬT LIỆU BĂNG PHƯƠNG PHÁP GÔM 20
2.1.2. PHƯƠNG PHÁP BỐC BAY CHÂN KHÔNG BẰNG THUYỀN ĐIỆN
TRỞ
21
2.1.3. PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO PIN LI-ỈON 22
2.2. Phương pháp nghiên cứu 22
2.2.1. NGHIÊN CỨU CẨU TRÚC TINH THỂ 22
2.2.1.1. PHÂN TÍCH CẤU TRÚC TINH THỂ BẰNG PHỔ NHIỄU XẠ TỈA
X
22
2.2.1.2 PHƯƠNG PHÁP HIỂN VI ĐIỆN TỬ QUÉT (SEM) 23
2.2.2. PHÉP ĐO PHỔ TỐNG TRỞ 23
2.2.3. PHỔ ĐIỆN THẾ QUÉT VỒNG (CYCỈIC VOLTAMMETRY - CV) 29
2.2.4. PHÉP ĐO DÒNG KHÔNG ĐỔI (AMPEROMETRY) 30
DANH MUC CÁC TỪ VIẾT TẮT
CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT ĐIỆN HÓA CỦA BỘT LiMn
2
0
4
LÀM VẬT LIỆU ĐIỆN
cực CATÓT CHO PIN Li-ION
Phạm Tuấn Long“, Lê Đình Trọng
b
, Nguyễn Văn Hiếu
c
a
Học viên cao học, Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội 2
b
Khoa Vật lí, Trường Đại học Sư

Phạm Hà Nội 2 Email: trongldsp2@ gmail.com ; Mobile: 0912115001
c
Phòng Giáo dục
Trung học, Sở Giáo dục Thái Bình Xuân Hoà, 9/5/2014.
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
2.3. Thực nghiệm chế tạo mẫu 31
2.3.1. CHẾ TẠO VẬT DẪN ION LA
(
2/3).
X
LI
3X
TI0
3
31
2.3.2. CHẾ TẠO VẬT LIỆU ĐIỆN CỰC CATÔT LIMN
2
04
32
2.3.3. CHẾ TẠO PIN LI-ION RẮN 34
Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 35
3.1. Đặc trưng cấu trúc của La(
2
/
3
).
x
LỈ
3

x
TỈ
03
35
3.2. Tính chất dẫn điện của La(
2
/
3
).
X
LỈ
3
X
TỈ
03
37
3.3. Đặc trưng cấu trúc của LỈMn
2
0
4
41
3.4. Đặc trưng phóng/nạp của pin Li-ion sử dụng chất điện li
La(2/3).
x
Li
3x
Ti0
3
42
KẾT LUẬN 44

TÀI LIỆU THAM KHẢO 46
1 La(
2
/
3
).
x
LỈ
3
X
Ti
03
(LLTO)
2 Phân tích nhiệt vi sai (DTA)
3 Hiển vi điện tử quét (SEM)
4 Phổ điện thế quét vòng (Cyclic Voltammetry) (CV)
5 Phép đo dòng không đồi (Amperometry)
Việc cải thiện, nâng cao chất lượng môi trường sống, cũng như sử dụng có hiệu
quả các nguồn năng lượng đã và đang là những vấn đề được quan tâm đặc biệt. Hiện nay,
các nguồn năng lượng hóa thạch (dầu mỏ, than, khí đốt ), năng lượng hạt nhân đang
chiếm ưu thế và xu hướng này vẫn sẽ tiếp tục trong tương lai gần. Tuy nhiên, các nguồn
năng lượng này đều có những hạn chế nhất định: trữ lượng các nhiên liệu hóa thạch là có
hạn và rác thải hạt nhân gây ra những tác hại lớn cho con người. Thêm nữa, khí cacbon
điôxit (C0
2
) thải ra khi đốt các nguyên liệu hóa thạch sẽ gây ra hiệu ứng nhà kính làm
tăng nhiệt độ trái đất. Các yêu cầu đặt ra hiện nay là cần phải tạo ra các nguồn năng lượng
mới, sạch không gây tác hại môi trường để thay thế các nguồn năng lượng trên. Có nhiều
biện pháp được đưa ra như sử dụng các nguồn năng lượng gió, năng lượng mặt trời Bên
cạnh đó việc nâng cao hiệu quả sử dụng các nguồn năng lượng đóng vai trò không kém

phần quan trọng. Một trong các biện pháp đó là tích trữ năng lượng dưới dạng điện năng
nhờ các loại pin hoặc ắcquy.
Trong vài thập kỷ qua, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ hiện đại,
đặc biệt là công nghệ điện tử dẫn đến sự ra đời hàng loạt các thiết bị không dây (máy tính
xách tay, điện thoại di động, các thiết bị vũ trụ, hàng không ). Đe đảm bảo các thiết bị
hoạt động được tốt càn phải có những nguồn năng lượng phù hợp, có dung lượng lớn,
hiệu suất cao, có thể dùng lại nhiều lần và đặc biệt là gọn nhẹ và an toàn. Điều đó đã thúc
đẩy sự tìm kiếm các hệ điện hoá năng lượng cao, tân tiến chúng có thể thay thế các pin
truyền thống do hiệu suất cao hơn và ít gây ô nhiễm môi trường. Hơn nữa, việc tích trữ
năng lượng ngoài giờ cao điểm, các hệ tích trữ cho các nguồn năng lượng không liên tục,
chẳng hạn mặt trời và gió là không thể thiếu.
Trong các loại pin đã được nghiên cứu và thương phẩm hóa thì pin liti ion có nhiều
đặc tính tốt hơn các loại pin cùng chủng loại như pin NiCd, NiMH, Pb-Acid.
Điện thế của pin liti ion có thể đạt trong khoảng 2,5 V đến 4,2 V, gần gấp ba làn so với
pin NiCd hay pin NiMH. Các ưu điểm chính của pin liti ion là tuổi thọ chu trình cao, tốc
độ nạp nhanh hơn, mật độ tích trữ năng lượng lớn so với pin NiCd và NiMH (30 % - 50
%), dung lượng phóng cao hơn, không có hiệu ứng “nhớ” như pin NiCd, tốc độ tự phóng
khi không sử dụng nhỏ chỉ khoảng 5 % trong một tháng so với 20 - 30 % của pin NiCd.
Tuy vậy, pin Li-ion vẫn còn một số các hạn chế như đòi hỏi công nghệ chế tạo cao, giá
thảnh đắt [14]. Do đó việc nghiên cứu các loại vật liệu để thay thế các vật liệu truyền
thống hiện đang được sử dụng cũng như công nghệ chế tạo pin Li-ion đang thu hút nhiều
tập thể khoa học trong nước cũng như trên thế giới [2], [4], [13], [17], [20].
Trong hai thập kỉ qua, vật dẫn ion rắn (chất điện ly rắn)
đã và đang được tập trung nghiên cứu cả về lý thuyết cơ
bản lẫn thực nghiệm bởi khả năng ứng dụng to lớn của
chúng trong nhiều lĩnh vực khoa học và cuộc sống. Với dộ
dẫn ion cao vào khoảng 10"
6
s.cm"
1

đến 10"
3
S.cm"
1
, các vật
liệu này rất có triển vọng trong việc làm chất điện ly
rắn trong công nghệ chế tạo pin ion rắn, linh kiện hiển
thị điện sắc, các loại sensor hóa học Ưu điểm của chất
điện ly rắn là không bị rò rỉ, không độc hại, đặc biệt,
sử dụng chất điện ly rắn tạo ra khả năng đơn giản hoá
việc chế tạo các linh kiện điện quang, pin ion rắn dạng
màng mỏng, pin ion có dung lượng cao có thể làm việc ở
khoảng nhiệt độ lớn mà các chất điện ly lỏng không thể
đáp ứng. Trong các vật liệu dẫn ion rắn được biết đến, họ
vật liệu La(2/3)_xLÌ3
X
Ti0
3
cấu trúc perovskite đang nhận
được sự quan tâm nhiều hơn cả. về lý thuyết độ dẫn ion Li
+

của vật liệu này tại nhiệt độ phòng có thể đạt rất cao cỡ
10
"
3
-Г 10
"
1
s.cm"

1
. Tuy nhiên trong hầu hết các nghiên cứu
hiện nay cho thấy rằng giá trị lớn nhất của độ dẫn ion
liti ở nhiệt độ phòng mới chỉ đạt cỡ 1