Vật liệu spinel LiNixMn2-xO4 với (x = 0; 0.1; 0.2) tổng hợp bằng phương pháp phả phương pháp phản ứng rắn sử dụng làm điện cực catot cho pin liti – ion với Anot SnO2

Vật liệu điện cực LiNixMn2-xO4 với (x = 0; 0.1; 0.2) được tổng hợp ở 900 °C bằng phương pháp phản ứng pha rắn từ Li2CO3, MnO2 và NiO. Phổ XRD đã xác nhận các mẫu thu được có cấu trúc spinel của LiNixMn2-xO4 mà không có bất kỳ tạp chất nào.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Vật liệu spinel LiNixMn2-xO4 với (x = 0; 0.1; 0.2) tổng hợp bằng phương pháp phả phương pháp phản ứng rắn sử dụng làm điện cực catot cho pin liti – ion với Anot SnO2 TẠP CHÍ KHOA HỌC − SỐ 18/2017 5 VẬT LIỆ LIỆU SPINEL LiNixMn2-xO4 (x = 0; 0.1; 0.2) TỔ TỔNG HỢ HỢP BẰ BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẢPHẢN ỨNG PHA RẮ RẮN SỬSỬ DỤNG L-M ĐIỆĐIỆN CỰ CỰC CATOT CHO PIN LITI – ION V VỚỚI ANOT SnO2 Đặng Trần Chiến1, Tạ Anh Tấn2, Lê Huy Sơn2, Phạm Duy Long3 1 Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội 2 Khoa Khoa học Tự nhiên, trường Đại học Thủ ñô Hà Nội 3 Viện Khoa học Vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học Việt Nam Tóm tắ tắt: Vật liệu ñiện cực LiNixMn2-xO4 với (x = 0; 0.1; 0.2) ñược tổng hợp ở 900 °C bằng phương pháp phản ứng pha rắn từ Li2CO3, MnO2 và NiO. Phổ XRD ñã xác nhận các mẫu thu ñược có cấu trúc spinel của LiNixMn2-xO4 mà không có bất kỳ tạp chất nào. Khi hàm lượng Ni tăng lên, kích thước hạt của các mẫu LiNixMn2-xO4 giảm ñi ñồng thời biên hạt chuyển từ dạng tròn cạnh tại x = 0 sang dạng các hình khối sắc cạnh ở x = 0.1 và 0.2 cho thấy hiệu quả rõ rệt của việc pha tạp niken ñến sự ổn ñịnh trật tự của tinh thể. Các ñường cong C-V cho thấy mẫu pha tạp niken có sự tiêm/thoát ion Li+ và tính thuận nghịch tốt hơn hẳn mẫu không pha tạp. Phép ño phóng nạp với dòng 0.5 C trong khoảng ñiện thế từ 2.0 V ÷ 4.0 V với ñiện cực anot SnO2 cho thấy dung lượng của mẫu LiNixMn2- xO4 với x = 0.1 cho giá trị cao nhất ñạt 50.8 mAh/g cải thiện ñáng kể so với mẫu không pha tạp chỉ ñạt 44.9 mAh/g. Từ khóa: khóa Vật liệu catot, LiNixMn2-xO4, pin liti-ion, LiBs. Nhận bài ngày 10.8.2017; gửi phản biện, chỉnh sửa và duyệt ñăng ngày 10.9.2017 Liên hệ tác giả: Đặng Trần Chiến; Email: dtchien@hunre.edu.vn 1. MỞ ĐẦU Pin Lithium ion (LIBs) ñã trở thành một trong những công nghệ lưu trữ năng lượng quan trọng nhất hiện nay. Chúng ñược phát minh ra vào ñầu những năm 1990 và bây giờ ñược sử dụng rộng rãi như là nguồn năng lượng cho các thiết bị ñiện tử như máy tính xách tay, ñiện thoại di ñộng, dụng cụ ñiện, vv. Spinel LiMn2O4 và các dẫn xuất của nó ñã ñược sử dụng làm vật liệu catot cho pin lithium ion vì giá thành thấp, trữ lượng caotrong tự nhiên và dễ dàng trong các phương pháp tổng hợp. Tính chất ñiện hóa của LiMn2O4 trong các dung dịch ñiện ly hữu cơ ñã ñược nghiên cứu rộng rãi trong hơn hai thập kỷ qua. Mặc dù pin lithium ion ñược coi là thiết bị ñiện hóa thành công nhất với mật ñộ năng lượng cao, 6 TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ ĐÔ H NỘI chúng vẫn có nguy cơ mất an toàn do tính dễ cháy của chất ñiện ly hữu cơ và việc sử dụng không ñúng cách như sạc quá dòng hoặc ngắn mạch. Hơn nữa, spinel LiMn2O4 trong các dung dịch ñiện ly hữu cơ có chu kỳ hoạt ñộng không tốt như LiFePO4 do sự không ổn ñịnh của cấu trúc mạng tinh thể. Vấn ñề chủ yếu của LiMn2O4 là sự giảm dần dung lượng rất nhanh ở cả nhiệt ñộ phòng lẫn nhiệt ñộ cao. Sự giảm cấp dung lượng trong quá trình lưu trữ hay trong các chu kỳ phóng nạp vẫn chưa ñược xác ñịnh rõ và nhiều nguyên nhân có thể ñược ñề nghị như tính không bền cấu trúc [1-3], hiệu ứng Jahn-Teller [4], Mn hòa tan vào dung dịch ñiện ly [5-7]… Việc thay thế các ion kim loại vào vị trí Mn trong LiMn2O4, như Li, Co, Ni, Al, Mg, Cr, Fe, có thể cải thiện ñộ bền phóng nạp của pin [8-10]. Hơn nữa, F [11] và S [12] pha tạp vào vị trí oxi cũng là một phương pháp hiệu quả ñể cải thiện thời gian lưu trữ và tính ổn ñịnh phóng nạp. Trong số những vật liệu này, LiNixMn2-xO4 cho thấy sự ổn ñịnh trong quá trình nạp/xả là tốt nhất [13-17]. Sự cải thiện này có thể xuất phát từ mối liên kết hóa học mạnh mẽ của Mn-O-Ni ñể ổn ñịnh vị trí spinel bát diện, ngăn ngừa sự giải phóng ion Mn3+ vào trong chất ñiện ly và hạn chế sự méo mó của hiệu ứng Jahn-Teller. Vì một số lượng Ni lớn pha tạp có thể làm giảm ñáng kể công suất ở 4 V cho nên hầu hết các nghiên cứu về LiNixMn2-xO4 ñã giới hạn trong khoảng x ≤ 0.2 cho cấu trúc tinh thể ổn ñịnh và hiệu suất ñiện hóa tốt. Các spinel LiMn2O4 có rất nhiều phương pháp tổng hợp như: phương pháp phản ứng pha rắn [18, 19]; phương pháp sol-gel [20, 21]; polime spray [22]; thủy nhiệt [23-25]; vv. Tuy nhiên, hầu hết các phương pháp này ñều có quá trình xử lý phức tạp, sử dụng vật liệu ñắt tiền hoặc tốn nhiều thời gian và giá thành cao cho các ứng dụng thương mại. Trong nghiên cứu này, các spinel LiNixMn2-xO4 với (x = 0, 0.1 và 0.2) ñược tổng hợp ở 900 °C từ Li2CO3, ...