Tài liệu Nghiên cứu biến tính carbon black để chế tạo hợp chất nano composite lifepo4

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Ô Ĉ2¬17+ӎ.,0%Ð1* NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH CARBON BLACK ĐỂ CHẾ TẠO HỢP CHẤT NANO COMPOSITE LiFePO4 Chuyên ngành: Kỹ Thuật Hóa Học Mã số: 60520301 /8Ұ19Ă17+Ҥ&6Ƭ TP. HỒ CHÍ MINH, năm 201 Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Nhị Trự Đồng hướng dẫn: TS. Hoàng Xuân Tùng Cán bộ chấm nhận xét 1 :........................................................................ Cán bộ chấm nhận xét 2 :........................................................................ Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP. HCM Ngày 02 tháng 02 năm 2018 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1. PGS.TS. NGUYỄN QUANG LONG 2. PGS.TS. NGUYỄN ĐÌNH THÀNH 3. TS. LÊ MINH VIỄN 4. TS. NGUYỄN TRƯỜNG SƠN 5. TS. NGUYỄN TUẤN ANH Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có). CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Đoàn Thị Kim Bông MSHV: 1670661 Ngày, tháng, năm sinh: 23/07/1985 Nơi sinh: Tiền Giang Mã số : 60520301 Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học I. TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu biến tính carbon black để chế tạo hợp chất nano composite LiFePO4. II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nghiên cứu quá trình biến tính carbon Ketjenblack EC600-JD với các tác nhân oxy hóa khác nhau như : H2O2, HNO3 và hỗn hợp H2SO4 : HNO3 (1 : 3). Phân tích, đánh giá các tính chất của carbon Ketjenblack EC600-JD trước và sau khi biến tính bằng các phương pháp phân tích hóa lý và điện hóa. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 10/7/2017 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 03/12/2017 V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS.TS. NGUYỄN NHỊ TRỰ TS. HOÀNG XUÂN TÙNG Tp. HCM, ngày 27 tháng 12 năm 2017. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TRƯỞNG KHOA LỜI CẢM ƠN Lời cảm ơn đầu tiên tôi xin dành gửi đến gia đình – những người luôn ở bên động viên, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện về thời gian cho tôi có điều kiện tiếp tục được học tập và nghiên cứu của mình. Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô tại Bộ môn Vật Liệu năng lượng và ứng dụng – khoa Công Nghệ Vật Liệu Đại Học Bách Khoa TP.HCM đã tạo mọi điều kiện tốt nhất trong suốt quá trình làm thí nghiệm để tôi hoàn thành luận văn này. Cho tôi gửi cảm ơn sâu sắc đến Thầy PGS.TS. Nguyễn Nhị Trự và TS. Hoàng Xuân Tùng- người trực tiếp hướng dẫn vì đã luôn tận tình chỉ bảo, hỗ trợ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt quá trình làm luận văn tại trường. Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các Thầy, Cô thuộc khoa Kỹ thuật hóa học đã cung cấp cho tôi những nền tảng kiến thức tốt, phương pháp học – nghiên cứu hiệu quả, qua đó tôi phát huy được khả năng của mình. Ngoài ra, xin gửi lời cảm ơn đến các cơ quan như: Viện Công nghệ Hóa Học, Viện Khoa học Công nghệ và ứng dụng, Phòng thí nghiệm Công nghệ Nano Đại học quốc gia Tp. Hồ Chí Minh, Phòng thí nghiệm Hóa lý – Trường Đại học Khoa học tự nhiên Tp. Hồ Chí Minh đã giúp đỡ tôi trong các phương pháp đánh giá và phân tích kết quả vật liệu. Sau cùng, trong quá trình làm luận văn, tôi đã nhận được sự quan tâm, chia sẻ, giúp đỡ của các bạn trong nhóm nghiên cứu tại phòng thí nghiệm.Vì vậy, Xin chân thành cảm ơn tất cả mọi người. Tp.HCM, Ngày 27 tháng 12 năm 2017 Đoàn Thị Kim Bông TÓM TẮT Carbon Ketjenblack EC600-JD với những ưu điểm: diện tích bề mặt lớn, độ dẫn cao, giá thành thấp được sử dụng biến tính với các chất oxy hóa khác nhau: H2O2, HNO3, hỗn hợp H2SO4 : HNO3 (1:3). Bằng các phương pháp phân tích hóa lý FTIR, Raman cho thấy quá trình biến tính thành công với sự có mặt của các nhóm chức khác nhau trên bề mặt vật liệu. Khảo sát ảnh hưởng thời gian biến tính và nồng độ chất oxy hóa đến quá trình biến tính thu được điều kiện thích hợp sau: với H2O2 nồng độ 30% sau 60 phút; với HNO3 nồng độ đậm đặc sau 2h; với hỗn hợp H2SO4 : HNO3 (1:3) là sau 30 phút. Ngoài ra, kết quả thu được từ phép phân tích hấp phụ, giải hấp cho thấy diện tích bề mặt cũng như cấu trúc lỗ xốp của carbon Ketjenblack sau khi biến tính giảm xuống 3 lần so với ban đầu. Mặt khác, bằng phương pháp phân tích điện hóa đối với composite LiFePO4/KB biến tính ( tỉ lệ % khối lượng 95:5 ) tạo nên cathode có dung lượng ổn định sau 15 chu kỳ xả - sạc. ` SUMMARY Carbon Ketjenblack EC600-JD with advantages: large surface area, high conductivity, low cost are used with different oxidation modification: H 2O2, HNO3, H2SO4: HNO3 (1: 3). By FTIR, Raman physiological methods of analysis show that the denaturation process is successful in the presence of different functional groups on the surface of the material. The effect of oxidation time and oxidation concentration on the modified condition was as follows: with 30% concentration of H 2O2 after 60 minutes; HNO3 concentration after 2h; with a mixture of H 2SO4: HNO3 (1: 3) after 30 minutes. In addition, the results obtained from the adsorption- desorption analysis showed that the surface area as well as the porous structure of Ketjenblack EC600JD after the denaturation decreased 3 times compared to the original. On the other hand, electrochemical analysis of the modified LiFePO 4 / KB composite (mass ratio 95: 5) constitutes a stable cathode after 15 charge - discharge cycles. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi. Các tài liệu và số liệu sử dụng phân tích trong luận án có nguồn gốc rõ ràng, đã công bố theo đúng quy định. Các kết quả nghiên cứu trong luận văn do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực, khách quan và phù hợp với thực tiễn của Việt Nam. Học viên Đoàn Thị Kim Bông DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bàng 2.1. So sánh mô hình các hạt carbon black. Bảng 2.2. Một số loại carbon Ketjenblack trên thị trường và ứng dụng của nó. Bảng 2.3. So sánh tính chất và thành phần của Ketjenblack EC-300J và Ketjenblack EC-600JD. Bảng 2.4. Tính chất cơ bản của carbon Ketjenblack EC-600 JD. Bảng 2.5. Giá thành tham khảo của một số loại carbon black. Bảng 2.6. Tính chất vật lý của Ketjenblack EC-300J và Ketjenblack EC-600JD. Bảng 2.7. Ưu và nhược điểm của pin lithium – ion. Bảng 2.8. Đặc trưng dung lượng của vật liệu điện cực dương. Bảng 2.9. So sánh các loại vật liệu cathode phổ biến trong pin lithium – ion. Bảng 3.1. Hóa chất và nguyên liệu sử dụng trong đề tài. Bảng 4.1. Ký hiệu mẫu carbon Ketjenblack biến tính với H2O2 30% theo thời gian. Bảng 4.2. Các peak phổ FTIR của carbon Ketjenblack sau biến tính với H 2O230% theo thời gian. Bảng 4.3. Thống kê peak phổ Raman của carbon Ketjenblack sau biến tính với H2O2 theo thời gian. Bảng 4.4. Ký hiệu mẫu carbon Ketjenblack biến tính với H2O2 trong 60 phút ở các nồng độ khác nhau. Bảng 4.5. Các peak phổ FTIR của carbon Ketjenblack sau biến tính với H 2O2 với các nồng độ khác nhau trong 60 phút. Bảng 4.6. Thống kê peak phổ Raman các mẫu biến tính với H 2O2 theo nồng độ trong thời gian 60 phút. Bảng 4.7. Ký hiệu mẫu carbon Ketjenblack biến tính với HNO 3 6M theo thời gian. Bảng 4.8. Các peak phổ FTIR của carbon Ketjenblack sau biến tính với dung dịch HNO 3 6M theo thời gian. Bảng 4.9. Kết quả từ phổ Raman các mẫu biến tính với HNO 3 6M theo thời gian. Bảng 4.10. Ký hiệu mẫu trong quá trình biến tính với HNO 3 theo nồng độ trong thời gian 2h. . Bảng 4.11. Các peak phổ FTIR của carbon Ketjenblack sau biến tính với dung dịch HNO 3 các nồng độ khác nhau theo thời gian 2h. Bảng 4.12. Kết quả phổ Raman mẫu biến tính HNO 3 theo nồng độ với 2h. Bảng 4.13. Ký hiệu mẫu carbon Ketjenblack biến tính với hỗn hợp axit H 2 SO 4 : HNO 3 (1:3) theo thời gian. Bảng 4.14. Các peak phổ FTIR của carbon Ketjenblack sau biến tính với hỗn hợp axit H 2 SO 4 : HNO 3 (1:3) theo thời gian. Bảng 4.15. Biến thiên độ dẫn mẫu carbon Ketjenblack theo thời gian biến tính trong HNO 3 6M. Bảng 4.16. Biến thiên độ dẫn mẫu carbon Ketjenblack biến tính theo nồng độ tại thời gian biến tính 2h. DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 2.1. Ảnh TEM của tập hợp hạt Ketjenblack EC-600 JD trong ethanol. Hình 2.2. Nhu cầu sử dụng và giá trung bình của pin lithium – ion. Hình 3.1. Quy trình tổng hợp LiFePO4. Hình 3.2. Sơ đồ xử lý carbon Ketjenblack trước khi biến tính. Hình 3.3. Quy trình biến tính carbon Ketjenblack với dung dịch H2O2. Hình 3.4. Quy trình biến tính carbon Ketjenblack với dung dịch HNO3. Hình 3.5. Quy trình biến tính carbon Ketjenblack với hỗn hợp H2SO4:HNO3 (1:3). Hình 3.6. Quy trình phối trộn LiFePO4/KB (5%KB). Hình 3.7. Giản đồ quét thế tuần vòng. Hình 4.1. So sánh phổ XRD mẫu thực nghiệm và mẫu chuẩn LiFePO4 Hình 4.2. Ảnh SEM của mẫu LiFePO4 tổng hợp. Hình 4.3. Kết quả phân tích hấp phụ, giải hấp của carbon Ketjenblack chưa biến tính. Hình 4.4. Phổ FTIR của Ketjenblack trước khi biến tính. Hình 4.5. Phổ Raman của mẫu carbon Ketjenblack trước khi biến tính. Hình 4.6. Phổ FTIR của mẫu carbon Ketjenblack KB60. Hình 4.7. Phổ Raman của các mẫu KB biến tính với H2O2 theo thời gian Hình 4.8. Phổ FTIR của mẫu KB10% trong 60 phút. Hình 4.9. Phổ FTIR của mẫu KB20% trong 60 phút. Hình 4.10. Phổ FTIR mẫu KB02. Hình 4.11. Phổ Raman của KB biến tính với HNO3 6M theo thời gian. Hình 4.12. Phổ FTIR mẫu KBđđ sau 2h. Hình 4.13. Phổ Raman của mẫu KBđđ. Hình 4.14. Phổ FTIR của carbon Ketjenblack sau biến tính với hỗn hợp H2SO4:HNO3 (1:3) sau 30 phút. Hình 4.15. Biến thiên độ dẫn carbon Ketjenblack biến tính với dung dịch HNO 3. Hình 4.16. Kết quả phân tích hấp phụ, giải hấp của mẫu carbon Ketjenblack sau biến tính với dung dịch HNO3đđ trong 2h. Hình 4.17. Ảnh SEM của composite LiFePO4/KB. Hình 4.18 Biến thiên điện thế theo dung lượng qua từng chu kì xả/sạc. Hình 4.19. Biển thiên điện thế theo điện dung qua từng chu kì xả/sạc. MỤC LỤC Trang Nhiệm vụ của luận văn .............................................................................................. Lời cám ơn ................................................................................................................ Tóm tắt luận văn........................................................................................................ Lời cam đoan............................................................................................................. Chương 1. Mở đầu ................................................................................................. 1 1.1. Sự cần thiết của đề tài ....................................................................................... 1 1.2. Điểm mới của đề tài .......................................................................................... 2 1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ..................................................................... 3 1.3.1. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................ 3 1.3.2. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................... 3 1.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn........................................................................... 3 1.4.1. Ý nghĩa khoa học .................................................................................. 3 1.4.2. Ý nghĩa thực tiễn ................................................................................... 3 Chương 2. Tổng quan ............................................................................................ 4 2.1. Carbon Ketjenblack và khả năng biến tính ........................................................ 4 2.1.1. Khái quát về carbon Ketjenblack ........................................................... 4 2.1.2. Biến tính carbon Ketjnblack .................................................................. 8 2.2. Pin lithium – ion và vật liệu cathode LiFePO4................................................. 10 2.2.1. Khái quát về pin lithium – ion ............................................................. 10 2.2.2. Vật liệu cathode trong pin lithium – ion............................................... 13 2.2.3. Cải thiện tính năng LiFePO4 bằng carbon Ketjenblack ........................ 16 Chương 3. Thực nghiệm ...................................................................................... 19 3.1. Hóa chất và thiết bị ......................................................................................... 19 3.1.1. Hóa chất .............................................................................................. 19 3.1.2. Thiết bị và dụng cụ .............................................................................. 19 3.2. Quy trình chế tạo và biến tính vật liệu............................................................. 20 3.2.1. Chế tạo vật liệu LiFePO4 ..................................................................... 20 3.2.2. Quy trình xử lý mẫu carbon Ketjenblack trước khi biến tính ............... 22 3.2.3. Biến tính carbon Ketjenblack bằng Hydrogen peroxide H2O2 .............. 23 3.2.4. Biến tính carbon Ketjenblack bằng dung dịch HNO3 ........................... 24 3.2.5. Biến tính carbon Ketjenblack bằng hỗn hợp H2SO4:HNO3 (1:3) .......... 25 3.2.6. Chế tạo composite LiFePO4/KB sau biến tính ..................................... 27 3.3. Các phương pháp khảo sát và đánh giá vật liệu ............................................... 27 3.3.1. Phổ tán xạ Raman................................................................................ 27 3.3.2. Xác định diện tích bề mặt và kích thước lỗ xốp thông qua kết quả hấp phụ, giải hấp……………………………………………………………………….27 3.3.3. Quang phổ hồng ngoại FTIR ............................................................... 28 3.3.4. Xác định độ dẫn điện ........................................................................... 28 3.3.5. Kiểm tra SEM ..................................................................................... 28 3.3.6. Phương pháp điện hóa ......................................................................... 28 Chương 4. Kết quả và thảo luận ......................................................................... 31 4.1. Chế tạo vật liệu LiFePO4 ................................................................................ 31 4.2. Tính chất và cấu trúc của carbon Ketjenblack EC-600 JD ............................... 33 4.3. Quá trình biến tính carbon Ketjenblack EC-600 JD ........................................ 36 4.3.1. Biến tính carbon Ketjenblack với dung dịch H2O2 ............................... 36 4.3.1.1. Ảnh hưởng của thời gian biến tính đế sự biến tính ............................ 36 4.3.1.2. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch H2O2 đến sự biến tính ................ 40 4.3.2. Biến tính carbon Ketjenblack với dung dịch HNO3 ............................. 43 4.3.2.1. Ảnh hưởng của thời gian biến tính đế sự biến tính ............................ 43 4.3.2.2. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch HNO3 đến sự biến tính ............... 46 4.3.3. Biến tính carbon Ketjenblack với hỗn hợp H2SO4:HNO3 (1:3) ............ 48 4.4. Tính năng vật liệu composite LiFePO4/KB biến tính....................................... 50 4.4.1. Độ dẫn điện của KB trước và sau biến tính với dung dịch HNO 3 ......... 50 4.4.2. Khảo sát diện tích bề mặt và lỗ xốp của carbon Ketjenblack sau biến tính ........................................................................................................................ 52 4.5. Hình thái và sự phân bố của vật liệu composite LiFePO4/KB.......................... 53 4.6. Tính năng điện hóa hệ LiFePO4/KB biến tính ................................................. 54 Chương 5. Kết luận và kiến nghị ........................................................................ 56 Tài liệu tham khảo ................................................................................................. 57 Phụ lục .................................................................................................................. 61 1 CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU 1.1 . Sự cần thiết của đề tài Cùng với nhịp độ phát triển nhanh chóng của nền kinh tế toàn cầu, việc từng bước thay thế các thiết bị, động cơ sử dụng nhiên liệu hóa thạch bằng các thiết bị sử dụng nguồn năng lượng tái tạo nhằm ứng phó với hiện trạng cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên và nguy cơ ô nhiễm môi trường đã và đang là mối quan tâm hàng đầu của các nhà khoa học công nghệ trong giai đoạn hiện nay. Trong dòng chảy này, sự ra đời những thiết bị như điện thoại, máy tính, v.v… đã thay đổi toàn diện cuộc sống con người. Phù hợp với xu hướng đó, nhu cầu về các thiết bị lưu trữ điện như pin sạc (acquy) ngày càng tăng; những đòi hỏi về tính phù hợp và khả năng đáp ứng thực tế ngày càng cao. Những trang bị này cần có dung lượng lớn, hoạt động ổn định trong thời gian dài, thân thiện môi trường, giá cả hợp lý và kích thước gọn nhẹ, nhất là đối với các thiết bị cầm tay. Những năm gần đây, pin lithium-ion trở thành đối tượng nghiên cứu và ứng dụng hàng đầu trong lĩnh vực nguồn điện mới, với rất nhiều chủng loại khác nhau được đề xuất và thương mại hóa. Trong số đó, pin lithium-ion với vật liệu cathode LiFePO4 ngày càng được sử dụng rộng rãi nhờ có những ưu điểm như: dung lượng riêng lí thuyết lớn (170 mAh/g); chu kì làm việc dài, ổn định, hiệu suất cao; không độc hại và an toàn với người sử dụng. Vật liệu này lại chứa sắt từ nguồn nguyên liệu thân thiện môi trường và dồi dào trong tự nhiên, giá thành tương đối rẻ, đáp ứng được hầu hết các yêu cầu cơ bản của pin lithium-ion hiện đại. Tuy nhiên, chế tạo được vật liệu cathode trên cơ sở LiFePO 4 có dung lượng đạt mức xấp xỉ lý thuyết trong thực tế là rất khó khăn do hợp chất này có độ dẫn điện thấp (ở mức ~10-9 S/cm). Do vậy, để đảm bảo dung lượng cao của pin cần cải thiện độ dẫn điện của LiFePO4 thông qua ba giải pháp phổ biến đã và đang được các nhà khoa học tập trung nghiên cứu, đó là: (i) pha tạp ion (doping) trong mạng tinh thể LiFePO4; (ii) nano hóa (làm nhỏ) kích thước vật liệu cathode; (iii) phủ (coating) các hạt LiFePO4 bằng các chất gốc carbon, nhằm tăng độ dẫn điện tổng thể của vật liệu cathode. Thông thường, có thể thực hiện riêng rẽ hoặc kết hợp các giải pháp nêu trên trong quá trình chế tạo vật liệu, chẳng hạn đồng thời giảm kích 2 thước hạt và phủ lớp carbon tạo thành LiFePO4/C nanocomposite. Đây cũng là phương thức đang được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm. Hiện tại, rất nhiều vật liệu gốc carbon như muội than đen (carbon black), ống than nano (CNT), graphene đã và đang được sử dụng trong nghiên cứu chế tạo vật liệu cathode nền LiFePO4, trong số đó carbon Ketjenblack có vai trò đặc biệt nhờ độ dẫn điện cao và giá thành rẻ, hứa hẹn khả năng thương mại hấp dẫn. Do vậy, bên cạnh các vật liệu mới như CNT và graphene, carbon Ketjenblack - một vật liệu phổ biến được sử dụng trong lĩnh vực cao-su, xúc tác - đang là đối tượng đáng quan tâm của ngành vật liệu năng lượng. Tuy có nhiều ưu điểm, nhưng về mặt kỹ thuật các loại vật liệu carbon như CNT, graphene hay carbon black lại có độ trơ bề mặt cao, do đó hạn chế khả năng tiếp xúc điện với bề mặt LiFePO4, dẫn đến cản trở mức gia tăng độ dẫn điện tổng thể của vật liệu cathode và cuối cùng gây khó khăn cho việc cải thiện dung lượng điện hoá của pin. Để khắc phục hạn chế này, việc biến tính bề mặt vật liệu gốc carbon, đưa các nhóm chức vào, thường được thực hiện trước khi tiến hành phối trộn chế tạo composite LiFePO4/C. Với mục đích trên, đề tài “Nghiên cứu biến tính carbon black để chế tạo hợp chất nano composite LiFePO4” được đặt ra trước mắt nhằm khảo sát sự thay đổi cấu trúc, các tính năng hoá-lý, hướng tới cải thiện khả năng liên kết của carbon black với LiFePO4 và về lâu dài tạo được vật liệu cathode có dung lượng cao. 1.2 . Điểm mới của đề tài Nhóm nghiên cứu đã tổng hợp vật liệu LiFePO4 nhưng độ dẫn thấp, dẫn đến dung lượng không cao khi sử dụng làm cathode. Đã có nghiên cứu sơ khởi phối trộn vật liệu LiFePO4 với carbon Ketjenblack để cải thiện dung lượng pin nhưng kết quả chưa đạt như mong đợi. Do đó, thông qua biến tính bề mặt carbon Ketjenblack bằng các hóa chất oxy hóa khác nhau để tạo thành sản phẩm có khả năng kết hợp tốt hơn với vật liệu LiFePO4 và về lâu dài hướng tới cải thiện tính năng điện hóa của pin. 3 1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1.3.1. Đối tượng nghiên cứu  Carbon Ketjenblack EC-600JD và các tính chất hóa lý.  LiFePO4 và các tính chất hóa lý.  Khả năng phối trộn của carbon Ketjenblack EC-600JD sau khi biến tính với LiFePO4. 1.3.2. Phạm vi nghiên cứu  Oxy hóa carbon Ketjenblack EC-600 JD với các hóa chất khác nhau: H2O2, HNO3 và hỗn hợp H2SO4: HNO3 (1:3).  Đánh giá kết quả biến tính, các tính năng cơ bản của sản phẩm biến tính.  Phối trộn LiFePO4 với carbon Ketjenblack EC-600JD đã biến tính. Kiểm tra khả năng dẫn điện và các tính năng điện hóa. 1.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 1.4.1. Ý nghĩa khoa học Hoàn thiện quy trình biến tính carbon Ketjenblack EC-600JD dùng để phối trộn LiFePO4 nhằm cải thiện tính năng điện hóa. 1.4.2. Ý nghĩa thực tiễn Khảo sát và tìm được điều kiện thích hợp của quy trình biến tính và phối trộn tạo composite LiFePO4/KB. Kết quả của đề tài góp phần vào việc hoàn thiện quy trình chế tạo vật liệu cathode trên cơ sở LiFePO 4, với mục đích cuối cùng là chế tạo pin lithium-ion hiệu năng cao, thân thiện môi trường. 4 CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN 2.1. Carbon Ketjenblack và khả năng biến tính Carbon black (tiếng Latinh carbo có nghĩa là "than đá") được phát hiện từ thời tiền sử và người cổ đại đã biết đến thông qua sản xuất than bằng cách đốt các chất hữu cơ trong điều kiện thiếu ôxy (làm than). Từ lâu, ba dạng thù hình được biết nhiều nhất của carbon là carbon vô định hình, graphite và kim cương. Sau này, một số dạng thù hình khác thường khác cũng được phát hiện tiếp hay tạo thành, chẳng hạn các fulleren, ống nanocarbon, lonsdaleite, chaoite hay ceraphite. Đối với các dạng thù hình của carbon, đặc trưng về độ dẫn điện và diện tích bề mặt là hai tính chất nổi trội nhất, nhờ đó mà các vật liệu này được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, nông nghiệp, y tế… để phục vụ nhu cầu sản xuất và đời sống con người. Một trong số các vật liệu carbon black với đặc trưng độ dẫn điện cao và diện tích bề mặt lớn, trong khi giá thành tương đối rẻ hơn các loại carbon còn lại, là carbon Ketjenblack (KB). Nó cũng là đối tượng được quan tâm nghiên cứu ứng dụng trong nhiều lĩnh vực trong thời gian dài và đặc biệt được chú ý trong lĩnh vực vật liệu năng lượng trong thời gian gần đây. 2.1.1. Khái quát về carbon Ketjenblack Carbon Ketjenblack là vật liệu dẫn điện thuộc nhóm carbon black, có dạng hình cầu bên trong rỗng (Bảng 2.1) [1, 2], rất tinh khiết và thích hợp khi sử dụng trong các ứng dụng dẫn điện. Với hình thái đặc biệt và diện tích bề mặt lớn 1270 m2/g cho nên chỉ cần sử dụng 1/6 lượng carbon Ketjenblack là đủ đạt được độ dẫn so với sử dụng điện cực carbon thông thường. Trong kỹ nghệ cao su-chất dẻo, nhờ tải lượng cực thấp của carbon Ketjenblack cho phép xử lý dễ dàng hơn cho những hợp chất nhạy cảm với phụ gia bổ sung, do đó giảm thiểu tổn thất về tính chất cơ học và lưu biến khi pha trộn với cao su. Cùng với đó, carbon Ketjenblack phân tán hoàn toàn với polymer làm tăng đáng kể độ dẫn điện của hợp chất thu được. 5 Bảng 2.1. So sánh mô hình các hạt carbon black Loại Ketjenblack Ketjenblack carbon EC300JD EC600 JD Acetylene black black Dạng hạt Độ rỗng (%) 60 80 - Carbon Ketjenblack được đưa ra thị trường với nhiều quy cách khác nhau (Bảng 2.2) [3] và được sử dụng cho tất cả các loại polymer như là một chất có tính đàn hồi. Do đặc trưng về cấu trúc hình thái và tải lượng sử dụng rất thấp của carbon Ketjenblack nên có thể tổng hợp được các loại vật liệu có tính dẫn điện cao. Bảng 2.2. Một số loại carbon Ketjenblack trên thị trường và ứng dụng của nó Hình dạng Quy cách ngoài (kg/bao) Ketjenblack EC-300J Hạt 10 Carbon ECP Bột 4 Tên sản phẩm Ứng dụng Đa số sử dụng như là chất điện dẫn trong sản xuất hợp chất Ketjenblack EC-600JD Hạt 8 Carbon ECP-600JD 4 Bột nhựa, pin- acquy, hợp chất màu, sơn và mực in. Carbon Ketjenblack chứa hàm lượng tro thấp, cùng với tải lượng thấp làm cho nó trở nên là một sản phẩm tốt được chọn lựa để ứng dụng trong ngành cáp che chắn. Hàm lượng hạt rất thấp tạo nên bề mặt vật liệu rất mịn, carbon Ketjenblack có thể được sử dụng để sản xuất lớp phủ dẫn điện và sơn lót. Ngoài ra, nó còn dùng 6 làm chất dẫn điện trong các ngành nhựa hỗn hợp, các vật liệu dẫn điện trong pinacquy, trong ngành công nghiệp sơn, chất màu. Hình ảnh TEM (Hình 2.1) của tập hợp các hạt Ketjenblack EC-600JD phân tán trong ethanol cho ta thấy được kích thước hạt bé và sự kết khối lại với nhau của vật liệu. (a) (b) Hình 2.1. Ảnh TEM của tập hợp hạt Ketjenblack EC-600 JD trong ethanol (a): Tập hợp các hạt carbon Ketjenblack; (b): Ảnh phóng đại tập hợp các hạt. Một số thông số tiêu biểu của hai loại carbon Ketjenblack được tóm tắt trong Bảng 2.3 và đặc điểm chi tiết hơn của carbon Ketjenblack được mô tả trong Bảng 2.4 [1,2]. Bảng 2.3. So sánh tính chất và thành phần của Ketjenblack EC-300J và EC600JD Chỉ tiêu Ketjenblack EC-300J KetjenblackEC-600JD Sự hấp thụ DBP (cm3/100g) 360 495 Diện tích bề mặt (m2/g) 800 1270 Kích thước hạt (nm) 30 – 40 35 – 40 Độ bay hơi (%) 0,5 0,7 pH 9,0 9,0 Hàm lượng tro (%) 0,05 0,10 Bán kính hạt (nm) 39,5 34,0