ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Học bổng Vallet 2015
Ứng viên: Nguyễn Thị Minh Nguyệt

TÓM TẮT ĐỀ TÀI
VÀ KẾ HOẠCH NGHIÊN CỨU
Ngành đào tạo: Kỹ thuật vật liệu
Tên đề tài dự kiến:

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANO CẤU TRÚC
LỚP MOLYBDENUM DISULFIDE (MoS2) VÀ
MOLYBDENUM DISULFIDE/CARBON NANOTUBES
(MoS2/CNTs) ỨNG DỤNG LÀM ĐIỆN CỰC ANODE
TRONG PIN LITHIUM

TP. Hồ Chí Minh tháng 06/2015

0


Tóm tắt đề tài và kế hoạch nghiên cứu

Nguyễn Thị Minh Nguyệt

1. Tên đề tài
Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano cấu trúc lớp Molybdenum disulfide (MoS2) và
Molybdenum disulfide/carbon nanotubes (MoS2/CNTs) ứng dụng làm điện cực anode trong pin
Lithium.
2. Lý do lựa chọn đề tài


Nguyễn Thị Minh Nguyệt

như ăcquy chì-axit, pin Ni-Cd…thì pin lithium có tính năng cao nhất do có mật độ năng lượng cao,
thời gian sống dài, tốc độ tự xả thấp, không có hiệu ứng “nhớ” (memory effect),…[4, 5]. Tuy nhiên,
chúng vẫn chưa đáp ứng được đòi hỏi công suất cao trong các động cơ điện (EVs) và động cơ lai
xăng – điện (HEVs). Các nghiên cứu chuyên sâu vì thế vẫn đang tiếp diễn trên tất cả các khía cạnh
của pin Lithium bao gồm: vật liệu cực âm, vật liệu cực dương, màng ngăn, chất điện giải và kỹ
thuật sản xuất pin. Vật liệu làm điện cực được nhận thấy là yếu tố tối quan trọng, có tầm ảnh hưởng
lớn nhất đến hiệu năng của pin Lithium. Hiện nay, điện cực anode của pin Lithium thương mại
thường là graphite có dung lượng thấp (372 mAh/g) [6, 7]. Mặt khác, các điện cực được tạo thành
từ vật liệu có cấu trúc khối nên tuổi thọ, khả năng tích điện, khả năng nạp/xả và mật độ dòng điện
tạo ra thấp. Để khắc phục những nhược điểm trên, việc tìm ra loại vật liệu mới để thay thế trở nên
quan trọng và là đề tài nóng bỏng của nhiều nhà khoa học trên thế giới. Vật liệu điện cực sử dụng
thay thế vật liệu hiện hành phải đáp ứng được các yêu cầu sau:
- Quá trình xen cài và giải phóng Li+ không gây phá hủy cấu trúc vật liệu điện cực
- Làm gia tăng sự dẫn electron
- Làm gia tăng tốc độ đan cài và giải phóng Li+ (tức gia tăng tốc độ sạc) bằng cách rút ngắn
quãng đường di chuyển của Li+.
- Tăng diện tích tiếp xúc giữa bề mặt điện cực với chất điện giải, hạn chế sự thay đổi thể tích
của điện cực do quá trình đan cài Li+.
Vật liệu cấu trúc nano nói chung và vật liệu nano MoS2, nano MoS2 kết hợp với ống nano
carbon (MoS2/CNTs) nói riêng là một trong những giải pháp hữu hiệu nhất có khả năng giải quyết
được các vấn đề nêu trên [6].
MoS2 là một loại vật liệu có cấu trúc lớp tương tự graphene (Hình 2), thuộc họ
dichalcogenides kim loại chuyển tiếp MX2 (M = Mo, W ; X = S, Se, Te), có dung lượng lý thuyết
tương đối cao (669 mAh/g) [8], có sự thay đổi thể tích rất nhỏ trong quá trình đan cài và giải phóng
ion Li+. Cấu trúc lớp của MoS2 giúp các ion Li+ đan xen dễ dàng hơn vì chúng có diện tích bề mặt
lớn. Hơn nữa, liên kết giữa các lớp MoS2 là liên kết Vander Waal yếu, giúp linh động trong việc
thay đổi thể tích mà không gây phá hủy cấu trúc vật liệu điện cực. Khuyết điểm chính của vật liệu

Có 3 loại cấu trúc chính của MoS2 đó là: 1T-MoS2, 2H-MoS2 (loại phổ biến nhất) và 3RMoS2 (Hình 2)

Trang 3


Tóm tắt đề tài và kế hoạch nghiên cứu

Nguyễn Thị Minh Nguyệt

Hình 2. Cấu trúc của MoS2
Bảng 1. Tóm lược tính chất điện hóa của một số loại vật liệu làm anode trong LIBs.
Vật liệu điện

Dung

cực

lượng lý

thế

thuyết

vs.

(mAh/g)

Điện

Li/Li


lại sau (w)

sau (x)

tiên

đầu tiên

chu kỳ

chu kỳ

(mAh/g)

(mAh/g)

nạp/xả

nạp/xả

(mAh/g)

(%)

khảo

MoS2

669-1675


[9]

Trang 4


Tóm tắt đề tài và kế hoạch nghiên cứu

Nguyễn Thị Minh Nguyệt

MoS2/CNT

-

-

1305

1715

1300 (50)

76.1 (50)

200mA/g

[13]

MoS2/MWNT



[15]

MoS2/Graphen

-

-

899

614

385 (30)

150mA/g

[16]

MoO2/MWNT

840

1.6

2270

1243

1144 (200) 99 (200)


1108

1004 (50)

98 (50)

50 mA/g

[19]

Sn – C

994

0.6

490*

350*

510*(200)

99*(200)

0.8 C

[20]

SnO2 – GNS

3347

3105

1300 (100) 98.8
(100)

NiO - GNS

718

0.5

1600*

1056

1031 (40)

98 (40)

0.1 C

[24, 25]

Graphene

372 –

0.5

[27]

Li

3600

0.0

-

-

-

-

-

[28]

GNS: Graphene nanosheets
CNF: Carbon nanofibers
3. Mục tiêu nghiên cứu

Trang 5


Tóm tắt đề tài và kế hoạch nghiên cứu

Nguyễn Thị Minh Nguyệt

Vật liệu nano cấu trúc lớp MoS2, vật liệu tổ hợp MoS2/CNTs là những loại vật liệu hoàn
toàn mới mẻ ở Việt Nam.

-

Hầu hết các phương pháp tổng hợp MoS2 hiện nay là phương pháp thủy nhiệt (hydrothermal
hoặc solvothermal) [8] cần điều kiện nhiệt độ cao, áp suất cao. Đề tài hướng đến phương
pháp tổng hợp mới và đơn giản hơn với điều kiện mềm hơn, phù hợp với điều kiện thực tế
của cơ sở.

-

Ở Việt Nam, các nhà khoa học chủ yếu nghiên cứu vật liệu cho cathode, đề tài này hướng
đến việc tổng hợp vật liệu mới nhằm cải tiến anode cho pin Lithium.

-

Việc tổng hợp thành công vật liệu điện cực có cấu trúc nano nhằm cải thiện hiệu năng của
pin sạc ion Lithium góp phần giải quyết nhu cầu năng lượng ngày càng cao của thế giới.

5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Vật liệu cấu trúc nano Molybdenum disulfide (MoS2) nói riêng,
MoSx (2 ≤ x ≤ 3) nói chung, ống nano carbon (CNTs) và sự kết hợp của hai loại vật liệu này
trong việc cải tiến điện cực anode cho pin Lithium.
Phạm vi nghiên cứu:

Trang 6


Tóm tắt đề tài và kế hoạch nghiên cứu

khả kiến (UV-Vis).
6.5 Tổng hợp vật liệu nano MoS2/CNTs, đánh giá tính chất sản phẩm bằng các phương pháp
phân tích hiện đại như SEM, TEM/HRTEM, Raman, XRD, XPS.
6.6 Chế tạo thử nghiệm điện cực anode cho pin LIBs: khảo sát các điều kiện chế tạo vật liệu
điện cực trên nền MoS2, MoS2/CNTs.
6.7 Nghiên cứu cấu trúc pha tinh thể, hình thái học bề mặt và kích thước hạt của điện cực chế
tạo bằng các phương pháp phổ nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử quét (SEM), kính
hiển vi nguyên tử lực (AFM)
6.8 Khảo sát tính chất điện hóa của hệ điện cực như điện dung riêng (specific capacity), tính ổn
định của hệ điện cực bằng phương pháp quét thế vòng tuần hoàn (cyclic voltammetry), tổng
trở điện hóa (electrochemical impedance spectroscopy – EIS), đo đường cong phóng nạp
(Galvanostatic measurement)
Trang 7


Tóm tắt đề tài và kế hoạch nghiên cứu

Nguyễn Thị Minh Nguyệt

7. Phương pháp nghiên cứu và đánh giá
7.1 Tổng quan phương pháp
Quy trình nghiên cứu tổng quan về tổng hợp vật liệu cấu trúc nano cho điện cực pin Lithium
được thể hiện ở hình 7.1. Đề tài nghiên cứu gồm 4 bước chính: (1) tổng hợp vật liệu có cấu trúc
nano; (2) đánh giá cấu trúc, tính chất của vật liệu tổng hợp được; (3) chế tạo thử nghiệm điện cực;
(4) kiểm tra hình thái cấu trúc và tính chất điện hóa của vật liệu điện cực.
Phản ứng oxy hóa khử trong
dung dịch

Tổng hợp vật liệu cấu
trúc nano ( ⃰ )

AFM

Đánh giá tính
chất điện hóa

Đo chu kỳ nạp/xả
(Galvanostatic
measurement)

Tổng trở điện hóa
(Electrochemical
Impedance Spectroscopy)

SEM,TEM

Hình 7.1 Quy trình nghiên cứu tổng quan
( )

⃰ Vật liệu nano MoS2 (Molybdenum disulfide) và các sản phẩm MoSx khác.
Vật liệu nano MoS2/CNTs (tổng hợp bằng phương pháp hóa học)
Trang 8


Tóm tắt đề tài và kế hoạch nghiên cứu

Nguyễn Thị Minh Nguyệt

Vật liệu nano MoS2/CNTs (tổng hợp bằng phương pháp cơ học)
7.2 Làm sạch và biến tính bề mặt ống nanocarbon
CNTs được làm sạch và biến tính dựa trên quy trình đã được công bố trước đây bởi nhóm


dd H2SO4/HNO3
hoặc C6H7NSO3

m – CNTs (**)
Hình 7.2 Sơ đồ quy trình làm sạch và biến tính CNTs

Trang 9


Tóm tắt đề tài và kế hoạch nghiên cứu
(*)
(**)

Nguyễn Thị Minh Nguyệt

ống nanocarbon đã được làm sạch
ống nanocarbon đã được biến tính

7.3 Tổng hợp vật liệu nano Molybdenum disulfide (MoS2)
Quy trình tổng hợp dự kiến được thể hiện ở hình 7.3
Phương pháp đánh giá
-

SEM: quan sát hình thái học bề mặt của vật liệu nano MoS2

-

TEM/HR-TEM, TEM-EDS: đánh giá cấu trúc vật liệu nano MoS2, cơ chế phát triển của
chúng.

nước cất và ly tâm để
loại NaCl

Rửa bằng ethanol và
ly tâm

Rửa bằng acetone

Sấy khô, đem nung ở
7000C trong 2h, môi
trường N2

Nano MoS2
Trang 10

Hình 7.3 Quy trình tổng hợp vật liệu nano MoS2


Tóm tắt đề tài và kế hoạch nghiên cứu

Nguyễn Thị Minh Nguyệt

7.4 Tổng hợp vật liệu nano MoS2 gắn trên bề mặt CNTs (MoS2/CNTs)
Vật liệu lai hợp MoS2/CNTs được tổng hợp bằng hai phương pháp hóa học và cơ học. Trong
phương pháp hóa học, vật liệu nano MoS2 được tổng hợp trực tiếp trên bề mặt ống nano carbon, quy
trình tổng hợp dự kiến được thể hiện ở hình 7.4. Đối với phương pháp cơ học, vật liệu MoS2 được
trộn khô với vật liệu CNTs sử dụng hệ cối & chày (hand mill). Phương pháp này được lựa chọn vì
thiết bị sử dụng đơn giản đồng thời kiểm soát được tỉ lệ vật liệu trộn hợp [14]
Phương pháp đánh giá
-


dd B

Lọc, rửa, sấy khô, đem
nung ở 7000C trong 2h,
môi trường N2

Nano MoS2/CNTs
Hình 7.4 Quy trình tổng hợp nano MoS2/CNTs bằng phương pháp hóa học

Trang 11


Tóm tắt đề tài và kế hoạch nghiên cứu

Nguyễn Thị Minh Nguyệt

7.5 Chế tạo thử nghiệm điện cực pin Lithium từ vật liệu nano MoS2 và nano MoS2/CNTs
Thành phần màng điện cực bao gồm:
-

Chất hoạt điện: MoSx hoặc MoS2/CNTs

-

Chất dẫn: carbon black hoặc CNTs (khảo sát)

-

Chất kết dính: khảo sát khi sử dụng chất kết dính và không sử dụng chất kết dính (chất

Sấy 80 – 1000C

Hình 7.5 Sơ đồ quy trình tạo màng điện cực

Trang 12


Tóm tắt đề tài và kế hoạch nghiên cứu

Nguyễn Thị Minh Nguyệt

7.6 Khảo sát tính chất điện hóa của hệ điện cực
Tạo hệ đo điện hóa: hệ gồm:
-

Điện cực làm việc: màng điện cực chế tạo từ vật liệu MoS2, MoS2/CNTs theo quy trình
7.5

-

Điện cực đối và điện cực so sánh: nghiên cứu, khảo sát để chọn điện cực đối và điện cực
so sánh phù hợp với vật liệu điện cực tổng hợp được.

-

Màng ngăn: vật liệu xốp

-

Chất điện giải (electrolyte): 1M LiPF6 trong dung môi vô cơ hoặc hữu cơ


4

1

6.1

X

2

6.2

X

3

6.3

X

4

6.4

X

5

6.5

9

Báo cáo tiến độ

10

Viết Luận án

11

Bảo vệ Luận án

X
Hàng tháng
X

Tài liệu tham khảo
1.
2.

3.
4.
5.
6.

7.
8.
9.

10.

individual carbon nanotubes. Nature, 1996. 381: p. 678 - 680.
Lu, C., et al., A binder-free CNT network-MoS2 composite as a high performance anode
material in lithium ion batteries. Chem Commun (Camb), 2014. 50(25): p. 3338-3340.
Trang 14


Tóm tắt đề tài và kế hoạch nghiên cứu
14.
15.

16.
17.
18.

19.

20.

21.
22.

23.

24.

25.
26.
27.

28.

X. H. Huang, J.B.W., Y. Lin, R. Q. Guo, NiO Hollow Spheres with Stable Capacity
Retention and Enhanced Rate Capability for Lithium Ion Batteries. Int. J. Electrochem. Sci.,
2013. 8: p. 1691 - 1700.
Wang, Y.Z.a.Y., NiO nanosheets grown on graphene nanosheets as superior anode materials
for Li-ion batteries Nanoscale, 2013. 3.
James G. Radich, P.J.M., and Prashant V. Kamat, Graphene-based Composites for
Electrochemical Energy Storage. Interface, 2011: p. 63 - 66.
Yoo E, K.J., Hosono E, Zhou HS, Kudo T, Honma I., Large reversible Li storage of
graphene nanosheet families for use in rechargeable lithium ion batteries. Nano Lett., 2008.
8(8): p. 2277–2282.
J. C. Arrebola, A.C., L. Hernán, and J. Morales, Improving the Performance of Lithium-Ion
Batteries by Using Spinel Nanoparticles. Journal of Nanomaterials, 2008. 2008(2008): p. 10
pages.
Nguyen Thi Minh Nguyet, Le Van Thang, Nguyen Van Dong, Nguyen Thi Hang, Luu Tuan
Anh, Cao Duy Vinh, A Facile and Effective Purification Method for Multi-Walled Carbon
Nanotubes (MWNTs). Journal of Science and Technology 2011. 49(6C): p. 279-286.
Nguyễn Văn Đồng, Vũ Huệ Tông, Nguyễn Thị Minh Nguyệt, Nguyễn Hoàng Nam, Lê Văn
Thăng Biến tính bề mặt ống nano cacbon đa thành bằng phản ứng diazo hóa nhằm cải thiện
khả năng mang hạt nano MoS2. Tạp chí khoa học và công nghệ, 2013. 51(5C): p. 215 – 222.

Trang 15


Tóm tắt đề tài và kế hoạch nghiên cứu

Nguyễn Thị Minh Nguyệt

Tp.HCM ngày 28 tháng 05 năm 2015

CBHDKH