Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano composite fe2o3 c ứng dụng làm điện cực âm cho pin fe khí

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
----------------------

Phùng Thị Sơn

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO COMPOSITE Fe2O3/C
ỨNG DỤNG LÀM ĐIỆN CỰC ÂM CHO PIN Fe/KHÍ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – 2015
1


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
------------------

Phùng Thị Sơn

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO COMPOSITE Fe2O3/C
ỨNG DỤNG LÀM ĐIỆN CỰC ÂM CHO PIN Fe/KHÍ
Chuyên ngành: Vật Lí nhiệt
Mã số (Chương trình đào tạo thí điểm)

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
HDC: TS. BÙI THỊ HẰNG
HDP: GS. TS. LƯU TUẤN TÀI

Hà Nội – 2015

2


LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến cô giáo Bùi Thị Hằng, viện
ITIMS, Đại học Bách Khoa Hà Nội và thầy giáo Lưu Tuấn Tài, Đại học Khoa học
Tự nhiên, người đã tận tình hướng dẫn đề tài luận văn, người đã động viên, tạo mọi
điều kiện và giúp đỡ để em hoàn thiện luận văn tốt nghiệp này. Thầy cô đã hướng
dẫn em nghiên cứu về đề tài luận văn rất thiết thực và có nhiều ứng dụng trong cuộc
sống cũng như trong khoa học.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn Vật Lí Nhiệt độ
thấp, các thầy cô giáo trong khoa Vật Lí – trường Đại học Khoa học Tự nhiên cũng
như các thầy cô giáo trong viện ITIMS, Đại học Bách khoa Hà Nội đã giảng dạy và
giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn.
Em xin gửi lời cảm ơn đến Quỹ Phát triển Khoa học và Công nghệ Quốc gia
(NAFOSTED). Nghiên cứu trong luận văn này được tài trợ bởi Quỹ trong đề tài mã
số 103.02-2014.20,
Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè, những người đã
luôn bên em, cổ vũ và động viên tinh thần em những lúc khó khăn để em có thể
vượt qua và hoàn thành tốt luận văn này.
Hà Nội, ngày 24 tháng 11 năm 2015
Học viên:

Phùng Thị Sơn

MỞ ĐẦU

3


Năng lượng điện đóng vai trò quan trọng trong đời sống của chúng ta. Tuy
nhiên năng lượng điện hầu như không được tích trữ. Trong pin các hợp chất hóa học
hoạt động như một phương tiện lưu trữ năng lượng. Các thiết bị di động ngày càng
phát triển nhanh, mạnh cả về số lượng, tính năng và cấu hình đang đòi hỏi không
ngừng việc cải tiến, nâng cao chất lượng các loại pin sạc hiện có. Trong khi đó,
công nghệ pin vẫn còn nhiều hạn chế, thách thức so với các yêu cầu của các thiết bị
mới này. Các nhà khoa học đã mất rất nhiều năm để nghiên cứu và cố gắng tạo ra
loại pin có khả năng lưu trữ năng lượng cao, thời gian sạc ngắn và đã đạt được
những kết quả nhất định.
Nhu cầu về pin hiệu suất cao, an toàn, mật độ năng lượng và năng lượng
riêng cao, chi phí thấp, thân thiện với môi trường cho các thiết bị điện tử, xe điện và
các ứng dụng lưu trữ năng lượng ngày càng cao. Những năm gần đây, các nhà khoa
học trên thế giới đã phát triển một thế hệ pin mới là pin kim loại - khí với hoạt tính
xúc tác cao hơn, bền hơn, chi phí thấp hơn các loại pin được sử dụng rộng rãi hiện
nay. Loại pin này được xem là có tiềm năng ứng dụng trong các loại xe điện, xe
hybrid điện… do chúng có mật độ năng lượng cao và oxy trong không khí được sử
dụng như là vật liệu điện cực dương của pin [4, 34, 43]. Theo Giáo sư Hongjie Dai Đại học Stanford – Mỹ trích dẫn tài liệu tham khảo: ―Hầu hết sự chú ý của thế giới
hiện nay tập trung vào pin lithium-ion mặc dù mật độ năng lượng (lưu trữ năng
lượng cho mỗi đơn vị thể tích) của nó hạn chế, chi phí cao và mức độ an toàn thấp.
Đối với pin kim loại - khí thì mật độ năng lượng lý thuyết cao hơn so với pin
lithium - ion hay pin Ni - MH, nguồn cung cấp nguyên liệu phong phú, chi phí thấp
và an toàn hơn do bản chất không cháy của các chất điện phân‖.
Bảng 1.1 thể hiện số liệu so sánh công nghệ một số pin sạc lại, trong đó pin
kim loại - khí cho thấy năng lượng lý thuyết cũng như năng lượng riêng và mật độ
năng lượng lớn nhất [28].
Bảng 1.1. Số liệu so sánh công nghệ một số pin sạc lại

4


Công nghệ

Thế

Dung

Năng

Thời

Tự phóng

mạch

lượng

lượng

gian

(%/tháng)

hở (V)

riêng lý

riêng lý

sạc

ở 200C

thuyếta

thuyếta

(h)

(Ah/kg)

(Wh/kg)

Lead – acid

2.1

120

252

8 – 24

3

Nickel – cadmium

1.35

181

244

1 – 16

10

Nickel – iron

1.4

224

314

5

25

Nickel – hydrogen

1.5

289

434

1 - 24

60

Nickel – metal hydride

1.35

178

240

1–2

30

Nickel – zinc

1.73

215

327

8

15

Zinc/silver oxide

1.85

283

524

8 – 18

5

Zinc/bromine

1.83

238

429

-

12 – 15

Polysulfide/bromine

1.5

27

41

8 – 12

5 – 10

Vanadium – redox

1.4

21

29

6 –10

5 – 10

Zinc/air

1.6

825b

1320

-

-

Aluminum/air

2.73

2980b

8135

-

-

Iron/air

1.3

960b

1250

-

15

Sodium/sulfur

2.08

375

755

5–6

-

Sodium/nickel chloride

2.58

305

787

3–6

-

Li – Al/FeS

1.33

345

459

5–8

-

Li – Al/FeS2

1.73

285

490

5–8

-

Li – C/LiCoO2

3–4

100

360

-

-

Li – C/LiNi1-xCoxO2

3–4

-

-

2.5

< 3.5

Li – C/LiMn2O4 –

3–4

105

400

3

< 2.5

polymer elect.
a

Tính toán trên cơ sở các phản ứng điện hóa và khối lượng vật liệu hoạt

động điện cực. b Tính toán trên cơ sở vật liệu điện cực âm.
KẾT LUẬN

5


Sau một thời gian nghiên cứu, luận văn đã đạt được một số kết quả như sau:
1. Chế tạo thành công mẫu composit nm-Fe2O3, µm-Fe2O3, nm-Fe2O3/AB và
µm-Fe2O3/AB bằng phương pháp nghiền cơ học ứng dụng làm điện cực âm trong
pin Fe - khí.

2. Đo đạc và khảo sát tính chất vật lý và điện hóa của các hệ mẫu AB, nmFe2O3; µm-Fe2O3 và nm-Fe2O3/AB; µm-Fe2O3/AB.
3. Khảo sát ảnh hưởng của chất phụ gia AB lên tính chất điện hóa của điện
cực nm-Fe2O3 và µm-Fe2O3. Kết quả chỉ ra rằng việc đưa AB vào làm chất phụ gia
trong điện cực giúp làm tăng khả năng chu trình hóa của điện cực.
4. Khảo sát ảnh hưởng của chất phụ gia K2S trong dung dịch điện ly đến tính
chất điện hóa của điện cực nm-Fe2O3 và µm-Fe2O3. Đối với điện cực nm-Fe2O3, sự
có mặt của K2S trong dung dịch điện ly làm tăng tốc độ phản ứng của cặp oxy hóa
khử Fe/Fe(II) nhưng với mẫu µm-Fe2O3 nó không tạo được ảnh hưởng tích cực về
mặt hoạt động điện hóa của điện cực µm-Fe2O3.
5. Khảo sát ảnh hưởng của chất phụ gia K2S trong dung dịch điện ly đến tính
chất điện hóa của điện cực nm-Fe2O3/AB và µm-Fe2O3/AB. Kết quả cho thấy chất
phụ gia K2S trong dung dịch điện ly làm tăng khả năng chu trình hóa của điện cực
nm-Fe2O3/AB và giảm lượng hydro sinh ra nhưng không tạo được ảnh hưởng tích
cực về khả năng chu trình hóa của điện cực µm-Fe2O3/AB.
6. Đo đạc và khảo sát phổ tổng trở của các hệ mẫu nm-Fe2O3; µm-Fe2O3 và
nm-Fe2O3/AB; µm-Fe2O3/AB. Các mẫu đều có điện trở tăng lên sau quá trình phóng
nạp. Mẫu µm-Fe2O3 và µm-Fe2O3/AB có điện trở lớn hơn mẫu nm-Fe2O3 và nmFe2O3/AB tương ứng cả trước và sau phóng nạp.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

6


Tiếng Việt:
1.

Trương Ngọc Liên (2000), Điện hóa lý thuyết, NXB Khoa học và kỹ thuật.

Tiếng Anh:
2.

Appleby J. S., Jacquier M. (1976/77), ―Circulating Zinc/Air Battery‖, J. Power
Sources, 1, tr. 17-34.

3.

Binder L., Odar W. (1984), “Experimental survey of rechargeable alkaline
zinc electrodes‖, J. Power Sources, 13, tr. 9-21.

4.

Blurtin K. F., Sammells A. F. (1979), ―Metal/air batteries: Their status and
potential - a review‖, J. Power Sources, 4, tr. 263-279.

5.

Cerny J., Micka K. (1989), ―Voltammetric study of an iron electrode in
alkaline electrolytes‖, J. Power Sources, 25, tr. 111-122.

6.

Chakkaravarthy C., Periasamy P., Jegannathan S., Vasu K. I. (1991), ―The
nickel/iron battery‖, J. Power Sources, 35, tr. 21-35.

7.

Chakkaravarthy C., Udupa H. V. K. (1983), ―On the suppression of self
discharge of the zinc electrodes of zinc-air cells and other related battery
systems‖, J. Power Sources, 10, tr. 197 – 200.

8.

Chakkaravarthy C., Waheed A. K. A., Udupa H. V. K. (1981), ―Zinc-air
alkaline batteries - A review‖, J. Power Sources, 6, tr. 203-228.

9.

Chu D., Savinel R. (1991), ―Experimental data on aluminum dissolution in
KOH electrolytes‖, Electrochim. Acta, 36, tr. 1631-1638.

10.

Deiss E., Holzer F., Haas O. (2002), “Modeling of an electrically
rechargeable alkaline Zn-air battery‖, Electrochimica Acta, 47, tr. 39954010.

11.

Dewi E. L., Oyaizu K., Nishide H., E. Tsuchida E. (2003), ―Cationic
polysulfonium membrane as separator in zinc-air cell‖, J. Power Sources,
115, tr. 149-152.

12.

Doche M. L., Cattin F. N., Durand R., Rameau J. J. (1997), ―Characterization
of different grades of aluminum anodes for aluminum/air batteries‖, J. Power
Sources, 65, tr. 197-205.

7

13.

Goldstein J., Brown I., Koretz B. (1999), ―New developments in the Electric
Fuel Ltd zinc air system‖, J. Power Sources, 80, tr. 171-179.

14.

Hampson N. A., Latham R. J., Marshall A., Giles R. D. (1974), ―Some
aspects of the electrochemical behaviour of the iron electrode in alkaline
solutions‖, Electrochim. Acta, 19, tr. 397-401.

15.

Bui Thi Hang, Doan Ha Thang, Eiji Kobayashi (2013), ―Fe/carbon nanofiber
composite materials for Fe–air battery anodes‖, J. Electroanalytical
Chemistry, 704, tr. 145–152.

16.

Bui Thi Hang, Doan Ha Thang, Nguyen Tuyet Nga, Phan Thi Le Minh, Eiji
Kobayashi (2013), ―Nanoparticle Fe2O3-Loaded Carbon Nanofibers as IronAir Battery Anodes‖, J. Electrochemical Society, 160 (9), tr. A1442-A1445.

17.

Bui Thi Hang, Phan Thi Le Minh, Nguyen Tuyet Nga, Doan Ha Thang
(2014), “Effect of iron particle size on the electrochemical properties of Fe/C
electrodes in alkaline solution‖, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, 52 (3C), tr.
670-675.

18.

Jayalakshimi N., Muralidharan S., (1990), ― Developmental studies on porous
iron electrodes for the nickel-iron cell‖, J. Power Sources, 32, tr. 341-351.

19.

Jayalakshmi M., Begumi B. N., Chidambaram V. R., Sabapathi R.,
Muralidharan V. S. (1992), “Role of activation on the performance of the
iron negative electrode in nickel/iron cells‖, J. Power Sources, 39, tr. 113119.

20.

Kalaignan G. P., Muralidharan V. S., Vasu K. I. (1987), ―Triangular potential
sweep voltammetric study of porous iron electrodes in alkali solutions‖ ,J.
Appl. Electrochem., 17, tr. 1083-1092.

21.

Kannan A. R. S., Muralidharan S., Sarangapani K. B., Balaramachandran V.,
Kapali V. (1995), J. Power Sources, 57, tr. 93-98.

22.

Kapali V., Iyer S. V., Balaramachandran V., Sarangapani K. B., Ganesan M.,
Kulandainathan M. A., Mideen A. S. (1992), J. Power Sources, 39, tr. 263269.

8


23.

Lars Ojefors (1974), ―Self-discharge of the alkaline iron electrode‖,
Electrochim. Acta, 21, tr. 263-266.

24.

Lars Ojefors (1976), ―Slow Potentiodynamic Studies of Porous Alkaline Iron
Electrodes‖, J. Electrochem. Soc., 123, tr. 824-828.

25.

Lars Ojefors (1976), ―Temperature Dependence of Iron and Cadmium
Alkaline Electrodes‖, J. Electrochem. Soc., 123, tr. 1139-1144.

26.

Lars Ojefors (1976), ―SEM Studies of Discharge Products from Alkaline Iron
Electrodes‖, J. Electrochem. Soc., 123, tr. 1691-1696.

27.

Li Q., Bjerrum N. J. (2002), ―Aluminum as anode for energy storage and
conversion: a review‖, J. Power Sources, 110, tr. 1–10.

28.

Linden D., Reddy T. B. (2002), ―Iron electrode batteries‖, Handbook of
batteries, 3rd ed., McGraw-Hill, New York, tr. 251-253.

29.

Macdonald D. D., Owen D. (1973), ―The Electrochemistry of Iron in lM
Lithium Hydroxide Solution at 22° and 200°C‖, J. Electrochem. Soc., 120, tr.
317-324.

30.

Marshall A., Hampson N. A., Drury J. S. (1975), ―The discharge behaviour of
the zinc/air slurry cell‖, J. Electroanal. Chem., 59,tr. 33-40.

31.

Micka K., Zabransky Z. (1987), ―Study of iron oxide electrodes in an alkaline
electrolyte‖, ―Study of iron oxide electrodes in an alkaline electrolyte‖, J. Power
Sources, 19, tr. 315-323.

32.

Mukherjee A., Basumallick I. N. (1993), ―Metallized graphite as an improved
cathode material for aluminium/air batteries‖, J. Power Sources, 45, tr. 243246.

33.

Muller S., Holzer F., Haas O. (1998), ―Optimized zinc electrode for the
rechargeable zinc–air battery‖, J. Appl. Electrochem., 28, tr. 895-898.

34.

Ojefors L.; Carlsson L. (1977/1978), ―An iron - air vehicle battery‖, J. Power
Sources, 2, tr. 287-296.

35.

Patnaik R.S.M., Ganesh S., Ashok G., Ganesan M., Kapali V. (1994), ―Heat
management in aluminium/air batteries: sources of heat‖, J. Power Sources,

9


50, tr. 331-342.
36.

Rand D. A. J. (1979), ―Battery systems for electric vehicles — a state-of-theart review‖, J. Power Sources, 4, tr. 101-143.

37.

Rudd E.J., Gibbons D.W. (1994), ―High Energy Density aluminum/oxygen
cell‖, J. Power Sources, 47, tr. 329-340.

38.

Schrebler-Guzman R. S., Viche J. R., Arvia A. J. (1979), Electrochim. Acta,
24, tr. 395-403.

39.

Shukla A. K., Ravikumar M. K., Baasubramanian T. S. (1994), ―Nickel iron
batteries‖, J. Power Sources, 51, tr. 29-36.

40.

Souza C. A. C., Carlos I. A., Lopes M. C., Finazzi G. A., M. R. H. de
Almeida. (2004), ―Self-discharge of Fe-Ni alkaline batteries‖, J. Power
Sources, 132, tr.288-290.

41.

Striebel K. A., McLamon F. R., Cairns E. J. (1994), ―Laboratory-scale
evaluation of secondary alkaline zinc batteries for electric vehicles‖, J. Power
Sources, 47, tr. 1-11.

42.

Tang Y., Lu L., Roesky H. W., Wang L., Huanga B. (2004), ―The effect of
zinc on the aluminum-air battery‖,J. Power Sources, 138, tr. 313-318.

43.

Vijayamohanan K., Balasubramanian T. S., Shukla A. K. (1991),
“Rechargeable alkaline iron electrodes‖, J. Power Sources, 34, tr. 269-285.

44.

Yang C. C., Lin S. J. (2002), ―Alkaline composite PEO–PVA–glass-fibre-mat
polymer electrolyte for Zn–air battery‖, J. Power Sources, 112, tr. 497-503.

45.

Yang S., Knickle H. (2002), ―Design and analysis of aluminum/air battery
system for electric vehicles‖, J. Power Sources, 112, tr. 162-173.

10


11