ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
----------------------

Phùng Thị Sơn

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO COMPOSITE Fe2O3/C
ỨNG DỤNG LÀM ĐIỆN CỰC ÂM CHO PIN Fe/KHÍ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – 2015
1


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
------------------

Phùng Thị Sơn

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO COMPOSITE Fe2O3/C
ỨNG DỤNG LÀM ĐIỆN CỰC ÂM CHO PIN Fe/KHÍ
Chuyên ngành: Vật Lí nhiệt
Mã số (Chương trình đào tạo thí điểm)

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
HDC: TS. BÙI THỊ HẰNG
HDP: GS. TS. LƯU TUẤN TÀI

3


Năng lượng điện đóng vai trò quan trọng trong đời sống của chúng ta. Tuy
nhiên năng lượng điện hầu như không được tích trữ. Trong pin các hợp chất hóa học
hoạt động như một phương tiện lưu trữ năng lượng. Các thiết bị di động ngày càng
phát triển nhanh, mạnh cả về số lượng, tính năng và cấu hình đang đòi hỏi không
ngừng việc cải tiến, nâng cao chất lượng các loại pin sạc hiện có. Trong khi đó,
công nghệ pin vẫn còn nhiều hạn chế, thách thức so với các yêu cầu của các thiết bị
mới này. Các nhà khoa học đã mất rất nhiều năm để nghiên cứu và cố gắng tạo ra
loại pin có khả năng lưu trữ năng lượng cao, thời gian sạc ngắn và đã đạt được
những kết quả nhất định.
Nhu cầu về pin hiệu suất cao, an toàn, mật độ năng lượng và năng lượng
riêng cao, chi phí thấp, thân thiện với môi trường cho các thiết bị điện tử, xe điện và
các ứng dụng lưu trữ năng lượng ngày càng cao. Những năm gần đây, các nhà khoa
học trên thế giới đã phát triển một thế hệ pin mới là pin kim loại - khí với hoạt tính
xúc tác cao hơn, bền hơn, chi phí thấp hơn các loại pin được sử dụng rộng rãi hiện
nay. Loại pin này được xem là có tiềm năng ứng dụng trong các loại xe điện, xe
hybrid điện… do chúng có mật độ năng lượng cao và oxy trong không khí được sử
dụng như là vật liệu điện cực dương của pin [4, 34, 43]. Theo Giáo sư Hongjie Dai Đại học Stanford – Mỹ trích dẫn tài liệu tham khảo: ―Hầu hết sự chú ý của thế giới
hiện nay tập trung vào pin lithium-ion mặc dù mật độ năng lượng (lưu trữ năng
lượng cho mỗi đơn vị thể tích) của nó hạn chế, chi phí cao và mức độ an toàn thấp.
Đối với pin kim loại - khí thì mật độ năng lượng lý thuyết cao hơn so với pin
lithium - ion hay pin Ni - MH, nguồn cung cấp nguyên liệu phong phú, chi phí thấp
và an toàn hơn do bản chất không cháy của các chất điện phân‖.
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 lượng lý thuyết cũng như năng lượng riêng và mật độ
năng lượng lớn nhất [28].
Bảng 1.1. Số liệu so sánh công nghệ một số pin sạc lại



sạc

ở 200C

thuyếta

thuyếta

(h)

(Ah/kg)

(Wh/kg)

Lead – acid

2.1

120

252

8 – 24

3

Nickel – cadmium

1.35


60

Nickel – metal hydride

1.35

178

240

1–2

30

Nickel – zinc

1.73

215

327

8

15

Zinc/silver oxide

1.85


5 – 10

Vanadium – redox

1.4

21

29

6 –10

5 – 10

Zinc/air

1.6

825b

1320

-

-

Aluminum/air

2.73


-

Sodium/nickel chloride

2.58

305

787

3–6

-

Li – Al/FeS

1.33

345

459

5–8

-

Li – Al/FeS2

1.73


< 3.5

Li – C/LiMn2O4 –

3–4

105

400

3

< 2.5

polymer elect.
a

Tính toán trên cơ sở các phản ứng điện hóa và khối lượng vật liệu hoạt

động điện cực. b Tính toán trên cơ sở vật liệu điện cực âm.
KẾT LUẬN

5


Sau một thời gian nghiên cứu, luận văn đã đạt được một số kết quả như sau:
1. Chế tạo thành công mẫu composit nm-Fe2O3, µm-Fe2O3, nm-Fe2O3/AB và
µm-Fe2O3/AB bằng phương pháp nghiền cơ học ứng dụng làm điện cực âm trong
pin Fe - khí.


Appleby J. S., Jacquier M. (1976/77), ―Circulating Zinc/Air Battery‖, J. Power
Sources, 1, tr. 17-34.

3.

Binder L., Odar W. (1984), “Experimental survey of rechargeable alkaline
zinc electrodes‖, J. Power Sources, 13, tr. 9-21.

4.

Blurtin K. F., Sammells A. F. (1979), ―Metal/air batteries: Their status and
potential - a review‖, J. Power Sources, 4, tr. 263-279.

5.

Cerny J., Micka K. (1989), ―Voltammetric study of an iron electrode in
alkaline electrolytes‖, J. Power Sources, 25, tr. 111-122.

6.

Chakkaravarthy C., Periasamy P., Jegannathan S., Vasu K. I. (1991), ―The
nickel/iron battery‖, J. Power Sources, 35, tr. 21-35.

7.

Chakkaravarthy C., Udupa H. V. K. (1983), ―On the suppression of self
discharge of the zinc electrodes of zinc-air cells and other related battery
systems‖, J. Power Sources, 10, tr. 197 – 200.


13.

Goldstein J., Brown I., Koretz B. (1999), ―New developments in the Electric
Fuel Ltd zinc air system‖, J. Power Sources, 80, tr. 171-179.

14.

Hampson N. A., Latham R. J., Marshall A., Giles R. D. (1974), ―Some
aspects of the electrochemical behaviour of the iron electrode in alkaline
solutions‖, Electrochim. Acta, 19, tr. 397-401.

15.

Bui Thi Hang, Doan Ha Thang, Eiji Kobayashi (2013), ―Fe/carbon nanofiber
composite materials for Fe–air battery anodes‖, J. Electroanalytical
Chemistry, 704, tr. 145–152.

16.

Bui Thi Hang, Doan Ha Thang, Nguyen Tuyet Nga, Phan Thi Le Minh, Eiji
Kobayashi (2013), ―Nanoparticle Fe2O3-Loaded Carbon Nanofibers as IronAir Battery Anodes‖, J. Electrochemical Society, 160 (9), tr. A1442-A1445.

17.

Bui Thi Hang, Phan Thi Le Minh, Nguyen Tuyet Nga, Doan Ha Thang
(2014), “Effect of iron particle size on the electrochemical properties of Fe/C
electrodes in alkaline solution‖, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, 52 (3C), tr.
670-675.

18.


Lars Ojefors (1974), ―Self-discharge of the alkaline iron electrode‖,
Electrochim. Acta, 21, tr. 263-266.

24.

Lars Ojefors (1976), ―Slow Potentiodynamic Studies of Porous Alkaline Iron
Electrodes‖, J. Electrochem. Soc., 123, tr. 824-828.

25.

Lars Ojefors (1976), ―Temperature Dependence of Iron and Cadmium
Alkaline Electrodes‖, J. Electrochem. Soc., 123, tr. 1139-1144.

26.

Lars Ojefors (1976), ―SEM Studies of Discharge Products from Alkaline Iron
Electrodes‖, J. Electrochem. Soc., 123, tr. 1691-1696.

27.

Li Q., Bjerrum N. J. (2002), ―Aluminum as anode for energy storage and
conversion: a review‖, J. Power Sources, 110, tr. 1–10.

28.

Linden D., Reddy T. B. (2002), ―Iron electrode batteries‖, Handbook of
batteries, 3rd ed., McGraw-Hill, New York, tr. 251-253.

29.


35.

Patnaik R.S.M., Ganesh S., Ashok G., Ganesan M., Kapali V. (1994), ―Heat
management in aluminium/air batteries: sources of heat‖, J. Power Sources,

9


50, tr. 331-342.
36.

Rand D. A. J. (1979), ―Battery systems for electric vehicles — a state-of-theart review‖, J. Power Sources, 4, tr. 101-143.

37.

Rudd E.J., Gibbons D.W. (1994), ―High Energy Density aluminum/oxygen
cell‖, J. Power Sources, 47, tr. 329-340.

38.

Schrebler-Guzman R. S., Viche J. R., Arvia A. J. (1979), Electrochim. Acta,
24, tr. 395-403.

39.

Shukla A. K., Ravikumar M. K., Baasubramanian T. S. (1994), ―Nickel iron
batteries‖, J. Power Sources, 51, tr. 29-36.

40.


10


11