intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE
 » 
 » 

Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu chế tạo và đặc trưng điện hóa của vật liệu composite Fe3o4-C định hướng ứng dụng trong pin Fe/khí

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:60

Thêm vào BST
Báo xấu
24
lượt xem 4
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong luận văn này, vật liệu nano và micro Fe3O4 được nghiền trộn với nano các bon bằng phương pháp nghiền cơ học để chế tạo vật liệu nanocomposit Fe3O4/C sử dụng làm điện cực âm cho pin Fe/khí. Bên cạnh đó vật liệu Fe3O4 kích thước nano mét cũng được tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa để so sánh với sản phẩm Fe3O4 thương mại.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu chế tạo và đặc trưng điện hóa của vật liệu composite Fe3o4-C định hướng ứng dụng trong pin Fe/khí

  1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Nguyễn Thị Tiên NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ ĐẶC TRƢNG ĐIỆN HÓA CỦA VẬT LIỆU COMPOSITE Fe3O4/C ĐỊNH HƢỚNG ỨNG DỤNG TRONG PIN Fe/KHÍ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2017
  2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Nguyễn Thị Tiên NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ ĐẶC TRƢNG ĐIỆN HÓA CỦA VẬT LIỆU COMPOSITE Fe3O4/C ĐỊNH HƢỚNG ỨNG DỤNG TRONG PIN Fe/KHÍ Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 60440104 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: HDC: GS.TS. LƢU TUẤN TÀI HDP: TS. BÙI THỊ HẰNG Hà Nội - 2017
  3. LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin bày tỏ sự kính trọng và biết ơn sâu sắc nhất tới thầy giáo Lƣu Tuấn Tài - Đại học Khoa học Tự nhiên và cô giáo Bùi Thị Hằng - viện ITIMS, Đại học Bách khoa Hà Nội. Thầy cô là ngƣời đã tận tình giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt thời gian hoàn thành luận văn. Thầy cô đã hƣớng dẫn em nghiên cứu về đề tài luận văn rất thiết thực và có nhiều ứng dụng trong cuộc sống cũng nhƣ trong khoa học. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Vật Lí đặc biệt là thầy giáo Lƣu Mạnh Quỳnh – trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên. Cũng nhƣ các thầy cô, các thành viên trong viện ITIMS, Đại học Bách khoa Hà Nội đã 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 đƣợc tài trợ bởi Quỹ trong đề tài mã số 103.02-2014.20 Em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè, những ngƣời đã luôn bên em, cổ vũ và động viên tinh thần em những lúc khó khăn để em có thể vƣợt qua và hoàn thành tốt luận văn này. Do thời gian có hạn nên luận văn này không tránh khỏi những sai sót, vì vậy mong sự góp ý của thầy cô và các bạn để luận văn đƣợc hoàn thiện. Hà Nội, ngày 29 tháng 11 năm 2017 Học viên: Nguyễn Thị Tiên
  4. MỤC LỤC MỞ ĐẦU ...............................................................................................................1 CHƢƠNG I – TỔNG QUAN VỀ PIN Fe/KHÍ .....................................................6 1.1. Các khái niệm cơ bản về pin ............................................................................6 1.2. Tổng quan về pin Fe/khí ..................................................................................8 1.3. Điện cực sắt ...................................................................................................10 1.4. Điện cực khí ...................................................................................................13 CHƢƠNG II – THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.14 2.1. THỰC NGHIỆM ...........................................................................................14 2.1.1. Hoá chất và nguyên vật liệu .......................................................... 14 2.1.2. Tạo mẫu ......................................................................................... 14 2.1.2.1. Tạo điện cực AB, Fe3O4 và Fe3O4/AB thƣơng mại....................14 2.1.2.2. Tạo điện cực Fe3O4 bằng phƣơng pháp hóa học. .......................15 2.1.3. Dung dịch điện ly .......................................................................... 15 2.1.4. Các phép đo điện hoá..................................................................... 16 2.2. CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........................................................17 2.2.1. Phổ nhiễu xạ tia X (XRD: X-ray diffraction) ................................ 17 2.2.3. Phƣơng pháp đo TEM ................................................................... 20 2.2.4. Phƣơng pháp quét thế vòng tuần hoàn (Cyclic Voltametry-CV) .. 24 CHƢƠNG III – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ..................................................27 3.1. Hình thái học và đặc trƣng của AB, Fe3O4 và Fe3O4/AB ..............................27 3.1.1. Hình thái học và đặc trƣng của Acetylene black các bon (AB) .... 27 3.1.2. Hình thái học và đặc trƣng của Fe3O4 và Fe3O4/AB ...................... 27 3.2. Đặc trƣng CV của điện cực AB .....................................................................30 3.3. Đặc trƣng CV của điện cực nm-Fe3O4 và µm-Fe3O4.....................................30 3.3.1. Kết quả đo đặc trƣng CV của điện cực nm-Fe3O4 ......................... 30 3.3.2. Kết quả đo đặc trƣng CV của điện cực µm-Fe3O4 ........................ 31 3.4. Đặc trƣng CV của điện cực nm Fe3O4/AB và µm Fe3O4/AB ........................33
  5. 3.4.1. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng Fe3O4 và AB đến đặc trƣng CV của điện cực nm-Fe3O4/AB và µm-Fe3O4/AB ............................................... 33 3.4.2. Ảnh hƣởng của chất kết dính PTFE đến đặc trƣng CV của điện cực nm-Fe3O4/AB và µm-Fe3O4/AB .............................................................. 37 3.4.3. Ảnh hƣởng của chất phụ gia K2S đến đặc trƣng CV của điện cực µm-Fe3O4/AB. ......................................................................................... 38 3.5. Tổng hợp vật liệu Fe3O4 bằng phƣơng pháp đồng kết tủa và đặc trƣng điện hóa của nó. ............................................................................................................40 KẾT LUẬN ..........................................................................................................44 KIẾN NGHỊ.........................................................................................................46 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................47 BÀI BÁO ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN ............................51
  6. DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Số liệu so sánh công nghệ một số pin sạc lại....................... 2 Bảng 1.2: Đặc trƣng của pin Fe/khí...………………………………... 9 Bảng 2.1: Bảng hoá chất và nguyên vật liệu........................................ 14
  7. DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của pin kim loại/khí …..…………… 3 Hình 1.2: Nguyên lý hoạt động của pin sắt/khí……………………………. 9 Hình 1.3: Phản ứng điện hóa của pin sắt/khí trong dung dịch kiềm ……… 10 Hình 1.4: Đƣờng cong phóng - nạp của điện cực sắt ……………………… 11 Hình 2.1: Cell ba điện cực............................................................................. 16 Hình 2.2: Hệ AutoLab đặt tại Trung tâm Khoa học vật liệu, Khoa Vật lý, 16 Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội ................................................ Hình 2.3: Nguyên lý nhiễu xạ tia X ……………………………………….. 18 Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ SEM ………………………. 19 Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý của kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)…. 21 Hình 2.6: Đồ thị quét thế vòng tuần hoàn Cyclicvoltametry …………… 25 Hình 2.7: Quan hệ giữa điện thế và dòng điện trong quét thế vòng tuần 25 hoàn………………………………………………………………………. Hình 3.1: Ảnh SEM của AB……………………………………………….. 27 Hình 3.2: Ảnh TEM của mẫu nm-Fe3O4....................................................... 28 Hình 3.3: Ảnh SEM của mẫu µm-Fe3O4....................................................... 28 Hình 3.4: Ảnh SEM của mẫu nm-Fe3O4/AB (a) và µm-Fe3O4/AB (b)........ 29 Hình 3.5: Đặc trƣng CV của điện cực AB (AB:PTFE= 90: 10%) trong 30 dung dịch KOH 8M…………………………………………………. Hình 3.6: Đặc trƣng CV của điện cực composit nm-Fe3O4 (a) và µm-Fe3O4 (b) (Fe3O4: PTFE = 90:10%) trong dung dịch KOH 8M ……………… 32 Hình 3.7: Đặc trƣng CV của điện cực nm-Fe3O4 /AB (a) và µm-Fe3O4 /AB (b) (Fe3O4: AB: PTFE = 70:20:10%) trong dung dịch KOH 8M............ 34 Hình 3.8: Đặc trƣng CV của điện cực nm-Fe3O4 /AB (a) và µm-Fe3O4 /AB (b) (Fe3O4: AB: PTFE = 45:45:10%) trong dung dịch KOH 8M ........... 36 Hình 3.9: Đặc trƣng CV của điện cực composit nm-Fe3O4/AB (Fe3O4:AB:PTFE = 45:35:20%) trong dung dịch KOH 8M.................... 37
  8. Hình 3.10: Đặc trƣng CV của điện cực composit µm-Fe3O4/AB (Fe3O4:AB:PTFE = 45:45:10%) trong dung dịch KOH 7,99M+K2S 0,01M 39 Hình 3.11: Phổ nhiễu xạ tia X của mẫu Fe3O4 chế tạo bằng phƣơng pháp đồng kết tủa………………………………………………………………... 40 Hình 3.12: Ảnh SEM của mẫu Fe3O4 chế tạo bằng phƣơng pháp đồng kết tủa………………………………………………………………………….. 41 Hình 3.13: Đặc trƣng CV của điện cực composit nm-Fe3O4/AB (Fe3O4:AB:PTFE =45:45:10%) chế tạo bằng phƣơng pháp đồng kết tủa trong dung dịch KOH (a) và trong dung dịch KOH 7,99M+ K2S (b) 42 0,01M.............................................................................................................
  9. BẢNG KÍ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Tên Kí hiệu 1 Acetylen black cacbon (các bon Acetylen black) AB 2 Cyclic Voltammetry (Quét thế vòng tuần hoàn) CV 3 Open Circuit Potential (Thế mạch hở) OCP 4 Open Circuit Voltage (Điện áp mạch mở) OCV 5 Polytetrafluoroethylene PTFE 6 X-ray diffraction ( Phổ nhiễu xạ tia X) XRD 7 Scanning Electron Microscopy (Hiển vi điện tử quét) SEM 8 Transmission Electron Microscopy (Hiển vi điện tử truyền TEM qua)
  10. Nguyễn Thị Tiên MỞ ĐẦU Hiện nay cùng với sự phát triển của xã hội thì các phƣơng tiện tham gia giao thông cũng ngày càng gia tăng. Trong quá trình hoạt động đó các phƣơng tiện giao thông đã thải ra môi trƣờng bên ngoài rất nhiều loại khí độc hại nhƣ CO, CO 2 , NO2 ,...Những loại khí này gây ô nhiễm môi trƣờng không khí một cách nghiêm trọng, là một phần nguyên nhân gây nên hiệu ứng nhà kính đồng thời ảnh hƣởng lớn đến sức khỏe con ngƣời. Giải pháp tƣơng đối hiệu quả để giải quyết vấn này là sử dụng các loại xe điện, xe hybrid điện, xe tiết kiệm nhiên liệu, sử dụng nhiên liệu sạch...Với sự phát triển nhanh của công nghệ thì các loại pin/ắc qui dùng cho xe điện cũng sẽ đƣợc cải tiến và phát triển không ngừng. Chính vì thế mà trong thập kỷ tới, mật độ năng lƣợng của pin/ắc qui sạc lại điện có thể tăng lên đến mức mà các loại xe điện có khả năng cạnh tranh về chi phí với xe chạy bằng động cơ đốt trong. Điều này đồng nghĩa với việc tiêu chuẩn cho pin/ắc qui dùng trong xe điện đang trở nên ngày càng khắt khe hơn để đáp ứng đƣợc nhu cầu của xã hội. Pin là nguồn cung cấp năng lƣợng hoạt động cho hầu nhƣ tất cả các thiết bị công nghệ hiện nay cũng nhƣ các phƣơng tiện giao thông vì những ƣu điểm nhƣ nhỏ, nhẹ, cung cấp điện áp ổn định. Với mục tiêu nâng cao phạm vi hoạt động, bảo vệ môi trƣờng và tiết kiệm năng lƣợng của xe điện, những năm gần đây, các nhà khoa học trên thế giới đã phát triển thế hệ pin kim loại/khí sạc lại điện có độ an toàn cao, bền hơn, chi phí thấp hơn các loại pin đang đƣợc sử dụng rộng rãi hiện nay [2, 31, 38]. Những loại pin này có thể tăng mức lƣu trữ điện năng lên gấp nhiều lần so với các loại pin thông thƣờng có cùng kích thƣớc. Hòa chung với xu hƣớng nghiên cứu mang tính ứng dụng cao của thế giới, đề tài tập trung nghiên cứu về pin kim loại/khí sẽ góp phần thúc đẩy sự phát triển của các phƣơng tiện chạy điện ở Việt Nam, giúp giảm Luân văn thạc sỹ Vật lí 1
  11. Nguyễn Thị Tiên bớt sự ô nhiễm không khí ngày càng trầm trọng tại Việt Nam hiện nay, đặc biệt là các thành phố lớn nhƣ Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh. Pin kim loại/khí sạc lại điện có nhiều ƣu điểm 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 lƣợng riêng lý thuyết lớn nhất [25]. Bảng 1. 1: Số liệu so sánh công nghệ một số pin sạc lại [41, 42] Công nghệ Thế mạch hở (V) Năng lƣợng riêng lý thuyết (Wh/kg) Liti lƣu huỳnh 2,0 400 Vanadi Redox 1,15 – 1,55 25 - 35 Muối nóng chảy 2,58 70 - 290 Bạc/kẽm 1,86 130 Nhôm/khí 1,2 8140 Sắt/khí 1,3 2044 Liti/khí 2,91 11140 Kẽm/khí 1,65 1350 Canxi/khí 3,12 4180 Natri/lƣu huỳnh - 150 Kẽm bromua - 78 - 85 Đối với pin kim loại/khí, điện cực âm đóng vai trò quan trọng, quyết định dung lƣợng, năng lƣợng, thời gian sống và hiệu suất của pin. Điện cực âm có thể tạo ra từ nhiều loại kim loại khác nhau, mỗi loại sẽ tƣơng tác với oxy trong không khí để tạo ra dòng điện. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của pin kim loại/khí đƣợc mô tả trên Hình 1.1 Quá trình của phản ứng trong pin nhƣ sau: Phản ứng ở cực âm (anode) tạo ra các điện tử (electron) và phản ứng ở cực dƣơng (cathode) sẽ tiêu thụ những electron đó. Luân văn thạc sỹ Vật lí 2
  12. Nguyễn Thị Tiên Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của pin kim loại/khí [6] Có rất nhiều kim loại có thể sử dụng làm bản điện cực âm nhƣ nhôm, sắt, lithium, magiê, vanadium và kẽm… Kẽm là kim loại hoạt động tƣơng đối ổn định và không bị ăn mòn và đƣợc ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực nhƣ dự trữ năng lƣợng, các thiết bị tiêu dùng điện tử, vận tải [34]. Tuy nhiên, vấn đề lớn nhất với pin sạc lại Zn/khí là sự hình thành dendrite (dạng nhánh cây) trong quá trình phóng- nạp thông qua cơ chế kết tủa- hòa tan gây ra hiện tƣợng đoản mạch, làm giảm thời gian sống của pin [18, 19, 33]. Hạn chế này đã làm chậm quá trình thƣơng mại hóa của pin Zn/khí. Nhôm từ lâu cũng đã thu hút đƣợc sự chú ý của các nhà khoa học vì nó có nhiều trên trái đất, chi phí thấp và năng lƣợng riêng cao. Nhƣng các phản ứng của pin nhôm/khí lại xảy ra không thuận nghịch. Thêm vào đó, do tốc độ ăn mòn của nhôm cao, thế phóng quá cao trong hệ dung dịch nƣớc (nƣớc sẽ bị điện phân) nên Al chủ yếu đƣợc ứng dụng trong pin sạc lại cơ học [7, 31]. Lithium là kim loại nhẹ nhất, có năng lƣợng riêng lý thuyết và khả năng điện hóa cao nhất. Pin lithium/khí là một sản phẩm tiềm năng mang đến một bƣớc tiến quan trọng trong ngành công nghiệp chế tạo pin. Tuy nhiên, pin Lithium/khí có một số thách thức nhƣ: hình thành các dendrite (dạng Luân văn thạc sỹ Vật lí 3
  13. Nguyễn Thị Tiên nhánh cây), phản ứng với các chất điện ly [14]. Bên cạnh đó nó còn có nhƣợc điểm là pin hết rất nhanh. Điều này khiến pin lithium/khí không phải là lựa chọn lí tƣởng cho một chiếc xe sẽ đi cùng bạn trong nhiều năm. Pin kim loại/khí đặc biệt là pin Fe/khí là nguồn điện đầy tiềm năng cho thiết bị di động đặc biệt là xe điện vì chúng có mật độ năng lƣơng riêng cao, thời gian sống dài, thân thiện môi trƣờng, chi phí sản xuất thấp. Ở Việt Nam hiện nay, nghiên cứu về vật liệu điện cực cho pin Fe/khí đang thu hút đƣợc nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học trong đó nhóm nghiên cứu về vật liệu tích trữ chuyển đổi năng lƣợng – Viện ITIMS – ĐHBKHN đã có nhiều đề tài nghiên cứu tập trung vào lĩnh vực này. Nhóm đã có nhiều công trình xuất bản ở các tạp chí trong nƣớc và quốc tế có uy tín [10- 13, 15- 17]. Tuy nhiên loại pin này vẫn có một số nhƣợc điểm cần phải khắc phục nhƣ quá thế lớn dẫn đến lƣợng tản nhiệt nhiều, sự thụ động của điện cực gây ra bởi hidroxit sắt hình thành trong quá trình phóng làm giảm dung lƣợng pin. Ngoài ra khí H2 sinh ra đồng thời với phản ứng khử sắt làm giảm hiệu suất phóng-nạp của pin [4, 32]. Để cải thiện những hạn chế của pin Fe/khí thì thành phần, cấu trúc của điện cực đã đƣợc cải tiến. Ngoài ra một số chất phụ gia đƣợc đƣa vào điện cực hoặc dung dịch điện ly hoặc cả hai đƣợc sử dụng nhằm làm tăng tốc độ phản ứng oxy hóa-khử, giảm tốc độ sinh khí hydro, dẫn đến cải thiện dung lƣợng, hiệu suất của pin [12, 13, 15, 16, 27, 28]. Kế thừa và phát triển các kết quả đã đạt đƣợc của nhóm nghiên cứu viện ITIMS, trong luận văn này, vật liệu nano và micro Fe 3O4 đƣợc nghiền trộn với nano các bon bằng phƣơng pháp nghiền cơ học để chế tạo vật liệu nanocomposit Fe 3 O4/C sử dụng làm điện cực âm cho pin Fe/khí. Bên cạnh đó vật liệu Fe3 O4 kích thƣớc nano mét cũng đƣợc tổng hợp bằng phƣơng pháp đồng kết tủa để so sánh với sản phẩm Fe3 O4 thƣơng mại. Luân văn thạc sỹ Vật lí 4
  14. Nguyễn Thị Tiên Với mong muốn thúc đẩy các nghiên cứu định hƣớng ứng dụng trong nƣớc, tác giả đã lựa chọn đề tài luận văn là: “Nghiên cứu chế tạo và đặc trƣng điện hóa của vật liệu composite Fe3O4/C định hƣớng ứng dụng trong pin Fe/khí”. Luận văn bao gồm ba chƣơng:  Chƣơng 1: Tổng quan về pin Fe/khí.  Chƣơng 2: Thực nghiệm và các phƣơng pháp nghiên cứu.  Chƣơng 3: Kết quả và thảo luận. Luân văn thạc sỹ Vật lí 5
  15. Nguyễn Thị Tiên CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ PIN Fe/KHÍ 1.1. Các khái niệm cơ bản về pin Pin là một thiết bị chuyển hóa trực tiếp năng lƣợng hóa học chứa trong các vật liệu hoạt động của nó thành năng lƣợng điện bằng phản ứng oxy hóa – khử điện hóa. Pin bao gồm hai điện cực, vật liệu phân cách hai điện cực, dung dịch điện ly, vỏ và các điện cực đầu ra. Ba bộ phận chính của pin gồm: A nốt (Anode), ca tốt (cathode), chất điện ly. Anode hoặc điện cực âm hay còn gọi là điện cực khử hoặc điện cực nhiên liệu là điện cực cung cấp điện tử (electron) cho mạch ngoài và bị oxy hóa trong quá trình phản ứng điện hóa. Cathode hoặc điện cực dƣơng- hay còn gọi là điện cực oxy hóa- là điện cực nhận điện tử (electron) từ mạch ngoài và bị khử trong quá trình phản ứng điện hóa. Chất điện ly hay chất dẫn ion: cung cấp môi trƣờng truyền điện tích (nhƣ là ion) bên trong tế bào điện hóa giữa hai điện cực anode và cathode. Chất điện ly thƣờng là chất lỏng nhƣ nƣớc hoặc các dung môi khác có hòa tan các muối, axit, hoặc kiềm để dẫn ion. Một số pin sử dụng chất điện ly ở thể rắn, chúng dẫn ion ở nhiệt độ hoạt động của pin. Năm 1799, Nhà vật lý ngƣời Ý Alessandro Volta là ngƣời đầu tiên tạo ra một bộ pin đơn giản từ các tấm kim loại và bìa giấy ngâm trong dung dịch muối. Kể từ đó các nhà khoa học đã cải tiến rất nhiều từ thiết kế sơ khai của Volta để tạo ra những viên pin đa dạng về kích thƣớc, hình dáng, chủng loại… Trong một viên pin thực tế, anode đƣợc lựa chọn với các tính chất sau đây: là một chất khử hiệu quả, đạt hiệu suất cao (Ah/g), tính dẫn điện tốt, ổn định, dễ chế tạo và chi phí thấp. Trong thực tế, kim loại thƣờng đƣợc sử dụng làm vật liệu anode, ví dụ: kẽm, lithium… Luân văn thạc sỹ Vật lí 6
  16. Nguyễn Thị Tiên Cathode phải là một chất oxy hóa hiệu quả, ổn định khi tiếp xúc với chất điện ly và có điện áp làm việc hữu ích. Các vật liệu cathode thông thƣờng là oxit kim loại, ngoài ra còn có oxy, các halogen, lƣu huỳnh… đƣợc sử dụng cho các loại pin đặc biệt. Chất điện ly phải có độ dẫn ion tốt nhƣng không dẫn điện, vì điều này có thể gây ra sự đoản mạch bên trong. Các đặc tính quan trọng khác của chất điện ly là không phản ứng với các vật liệu điện cực, ít thay đổi tính chất khi thay đổi nhiệt độ, an toàn trong sử dụng, và chi phí thấp. Hầu hết các chất điện ly là dung dịch nƣớc, nhƣng có những trƣờng hợp chất điện ly không chứa nƣớc. Ví dụ pin có anode là Lithium thì chất điện ly không chứa nƣớc đƣợc sử dụng để tránh phản ứng của Lithium với chất điện ly. Pin là một thiết bị lƣu trữ năng lƣợng dƣới dạng hóa năng. Pin có thể gồm một hoặc nhiều tế bào điện hóa đƣợc nối với nhau theo một sự sắp xếp nhất định để tạo ra thế và dòng hoạt động nhất định. Pin đƣợc phân ra thành hai loại: pin sơ cấp và pin thứ cấp. Pin sơ cấp là loại pin không sạc lại đƣợc, đƣợc thiết kế để dùng 1 lần. Pin thứ cấp là loại pin sạc lại đƣợc và đƣợc thiết kế để sạc đƣợc nhiều lần. Cả hai loại pin này đều sản xuất theo cùng một cách giống nhau: thông qua một phản ứng điện hóa có sự tham gia của cực dƣơng, cực âm và chất điện phân. Trong loại pin có thể sạc đƣợc, phản ứng đó có thể đảo ngƣợc. Khi pin đƣợc cấp năng lƣợng điện từ một nguồn bên ngoài, dòng electron bị đảo ngƣợc, các electron chạy từ cực dƣơng sang cực âm, pin đƣợc nạp. Mỗi loại pin đều có những ƣu điểm riêng và nhiều khi không thể sử dụng thay thế cho nhau. Việc lựa chọn pin phụ thuộc rất nhiều vào ứng dụng của thiết bị điện tử. Đối với các thiết bị nhƣ điện thoại di động, máy tính xách tay, xe đạp điện, dụng cụ chạy điện và máy quay video thì vai trò của pin thứ cấp là không thể thay thế. Nhƣng đối với những loại thiết bị khác thì hai loại pin trên thƣờng cạnh tranh với nhau. Công nghệ chế tạo pin đã đạt đƣợc nhiều thành tựu kể từ những ngày đầu tiên xuất hiện pin Volta. Những phát triển Luân văn thạc sỹ Vật lí 7
  17. Nguyễn Thị Tiên này phản ánh rõ rệt nhất sự nhảy vọt của thế giới đồ điện xách tay, xe máy, ô tô, máy bay, tàu thuyền,…. 1.2. Tổng quan về pin Fe/khí Vào những năm 1970, tổng công ty phát triển quốc gia Thụy Điển (Akersberga, Sweden) đã tích cực tham gia vào việc phát triển pin Fe/khí cho phƣơng tiện chạy điện. Năm 1974, họ đã thử nghiệm chiếc pin đầu tiên có năng lƣợng 15 Kwh và đến năm 1977 chiếc pin có năng lƣơng 30 Kwh đã đƣợc chế tạo. Ƣu điểm chính của pin Fe/khí là vật liệu không hình thành nhánh cây (dendrite) trong suốt quá trình sạc. Tuy nhiên, pin Fe/khí vẫn tồn tại những nhƣợc điểm nhƣ đỉnh sinh khí hidro xuất hiện và cạnh tranh với quá trình nạp của điện cực sắt dẫn đến làm giảm hiệu suất của pin. Mặc dù pin Fe/khí còn tồn tại những nhƣợc điểm nhất định, nhƣng sự quan tâm của các nhà khoa học về pin này vẫn rất lớn. Điều ấy đƣợc thể hiện rõ nét qua những dự án lớn của trƣờng đại học Nam Califonia về pin Fe/khí sạc lại vào năm 2010 và dự án đầu tƣ FP7 châu Âu –NECOBAUT năm 2013. Pin sạc lại Fe/khí sử dụng công nghệ hấp dẫn cùng với tiềm năng lƣu trữ năng lƣợng lớn. Giáo sƣ Sri Narayan ở trƣờng USC Dornsife (Mỹ) cho biết “Sắt là nguyên liệu có chi phí thấp và không khí là nguồn nguyên liệu vô tận trong tự nhiên. Đây chính là công nghệ của tƣơng lai’’. Nguyên liệu thô chính của công nghệ này là oxit sắt, rất dồi dào, không độc hại và thân thiện với môi trƣờng. Pin Fe/khí có thế mạch hở thấp (1,28 V) thấp hơn so với pin Fe/khí (1,41V) nhƣng việc thay thế điện cực niken bằng không khí làm tăng mật độ năng lƣợng lên tới 100%. Pin Fe/khí còn có năng lƣợng riêng và dung lƣợng riêng lý thuyết cao, thời gian sống dài, độ ổn định điện hoá cao. Đặc trƣng của pin Fe/khí đƣợc thể hiện trên Bảng 1.2. Luân văn thạc sỹ Vật lí 8
  18. Nguyễn Thị Tiên Bảng 1.2: Đặc trƣng của pin Fe/khí [39] Thế thông thƣờng Năng lƣợng Công suất Thời gian Hiệu (V) riêng (Wh/kg) riêng(W/kg) sống, suất (%) Thế Thế 100% DOD mạch hở phóng 80 60 1000 1,2V 0,75V 98 - 195 181- 309 1000 68% [39] [39] [39] [39] Nguyên lý hoạt động của pin Fe/khí đƣợc thể hiện trên Hình 1.2. Ca tốt A nốt Hình 1. 2: Nguyên lý hoạt động của pin Fe/khí Pin Fe/khí sẽ hoạt động theo nguyên tắc oxy hóa sắt. Pin có lỗ hở để không khí mang theo hơi nƣớc và khí oxy vào phản ứng với cực âm làm từ sắt đƣợc nhúng trong hợp chất điện phân có gốc bazơ (base). Khi phản ứng oxy hóa xảy ra, pin Fe/khí sẽ tạo ra nguồn điện dồi dào, giúp tăng công suất hoạt động của thiết bị. Phản ứng điện hóa của pin Fe/khí đƣợc thể hiện qua phƣơng trình sau : phóng Fe + O2 + H2O Fe(OH)2 (1) nạp Luân văn thạc sỹ Vật lí 9
  19. Nguyễn Thị Tiên Fe O2 Fe O2 a) Nạp pin b) Phóng pin Hình 1.3: Phản ứng điện hóa của Pin Fe/khí trong dung dịch kiềm [29] a: Quá trình sạc pin b: Quá trình phóng pin Pin Fe/khí có mật độ năng lƣợng cao tuy nhiên trong thực tế giá trị này vẫn chƣa đạt đƣợc. Đó là do hiệu suất phóng nạp đạt đƣợc của điện cực sắt còn thấp [21, 38]. Một vấn đề khác của pin Fe/khí là hiệu suất nạp lại của điện cực khí không đạt đƣợc [1, 35]. 1.3. Điện cực sắt Sắt là một kim loại có nhiều trong tự nhiên, chi phí thấp, không độc hại. Điện cực sắt có lợi thế về môi trƣờng hơn so với các vật liệu điện cực khác nhƣ cadmium, chì, kẽm. Hơn nữa điện cực sắt có thể chịu đƣợc sốc cơ học, rung lắc cũng nhƣ quá nạp và phóng sâu [39]. Đƣờng cong phóng nạp điển hình của điện cực sắt đƣợc mô tả trên Hình 1.4 [39]. Luân văn thạc sỹ Vật lí 10
  20. Nguyễn Thị Tiên Hình 1.4: Đƣờng cong phóng - nạp của điện cực sắt [39] Hai đoạn bằng phẳng tƣơng ứng với sự tạo thành của sản phẩm phản ứng Fe2+ và Fe3+. Phản ứng của điện cực sắt nhƣ sau [5, 37, 39]: phóng Fe + 2OH− Fe(OH)2 + 2e (Đoạn bằng phẳng thứ nhất) (2) nạp E0 = -0,975 V so với Hg/HgO [5] phóng − Fe(OH)2 + OH FeOOH + H2O + e (Đoạn bằng phẳng thứ 2) (3) nạp E0 = -0,658 V so với Hg/HgO [5] Và/hoặc phóng − 3Fe(OH)2 + 2OH Fe3O4.4H2O + 2e (Đoạn bằng phẳng thứ 2) (4) nạp E0 = -0,758 V so với Hg/HgO [4, 30] Các phản ứng xảy ra ở điện cực sắt cho thấy sự thay đổi số oxi hóa từ Fe0 lên Fe2+, Fe3+. Trong quá trình phóng, các phản ứng điện cực tại điện cực âm liên quan đến quá trình oxi hóa sắt để tạo thành Fe(OH)2. Một vài tác giả cho rằng Luân văn thạc sỹ Vật lí 11
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.15: Bộ Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí
65 tài liệu
2431 lượt tải
THÔNG TIN
TRỢ GIÚP
HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG
Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2