NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANO SILIC ĐỂ CHẾ TẠO ANODE ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG CHO ẮC QUY Li-ION
Hóa Lý thuyết và Hóa Lý
Mã số: 9 44 01 19
Luận án "NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANO SILIC ĐỂ CHẾ TẠO ANODE ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG CHO ẮC QUY Li-ION" được thực hiện nhằm giải quyết nhu cầu cấp thiết về các giải pháp lưu trữ năng lượng tiên tiến trong bối cảnh nóng lên toàn cầu và ô nhiễm môi trường. Ắc quy Li-ion (LIB) là công nghệ ưu việt với mật độ năng lượng cao và kích thước nhỏ gọn, song vẫn cần cải thiện dung lượng và độ bền. Vật liệu graphite truyền thống có dung lượng thấp (130-270 mAh/g), trong khi silic (Si) là vật liệu tiềm năng với dung lượng lý thuyết rất cao (4200 mAh/g), nhưng gặp thách thức về sự giãn nở thể tích lớn (khoảng 400%) gây nứt gãy vật liệu.
Đề tài tập trung vào việc tổng hợp nano silic từ trấu, một nguồn nguyên liệu dồi dào, chưa được khai thác hiệu quả và chứa hàm lượng SiO2 cao (>20%). Mục tiêu chính là xác định các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp nano silic từ trấu, nghiên cứu cấu trúc và tính chất điện hóa của điện cực anode được chế tạo từ nano silic, rGO và nano silic/graphene, đồng thời chế tạo và khảo sát đặc trưng của LIB sử dụng các vật liệu này.
Kết quả nghiên cứu đã xác định được các điều kiện tối ưu cho quá trình tổng hợp nano silica từ trấu (nồng độ axit HCl 10%, nhiệt độ xử lý axit 90°C, thời gian 2 giờ, tỉ lệ trấu/axit 3 g/40 ml, nung ở 650°C trong 3 giờ với tốc độ gia nhiệt 3°C/phút), thu được hạt nano silica kích thước 50-70 nm, cấu trúc vô định hình, độ tinh khiết >99%. Các thông số nhiệt động học và động học của quá trình này cũng được xác định. Đối với quá trình tổng hợp nano silic từ nano silica bằng Mg, điều kiện tối ưu được xác định là tỉ lệ mol Mg:SiO2 là 2,1:1, nung ở 800°C trong 2 giờ với tốc độ gia nhiệt 5°C/phút, thu được nano silic kích thước hạt 30-50 nm, cấu trúc tinh thể, độ tinh khiết >99%.
Luận án cũng tổng hợp thành công rGO và vật liệu nano composite Si@rGO, khảo sát cấu trúc và hình thái học của chúng. Các LIB được chế tạo với anode trên cơ sở rGO, nano Si và nano Si@rGO đã cho thấy những đặc trưng điện hóa đáng chú ý: anode rGO đạt dung lượng lớn nhất 372 mAh/g, 100 chu kỳ nạp xả, hiệu suất Coulomb 75%; anode nano Si đạt dung lượng lớn nhất 2250 mAh/g, 35 chu kỳ nạp xả, hiệu suất Coulomb 93%; và đặc biệt, anode nano Si@rGO đạt dung lượng lớn nhất 1800 mAh/g, với khả năng nạp xả lên đến 500 chu kỳ và hiệu suất Coulomb 98%. Những đóng góp này mở ra hướng nghiên cứu tiềm năng cho việc cải thiện nguồn vật liệu anode và nâng cao chất lượng pin Li-ion.