Ứng dụng Graphit vảy mỏ Graphit Bảo Hà, Lào Cai làm nguyên liệu chế tạo điện cực cho siêu tụ điện

ThS. Trần Thị Hiến¹, TS. Phan Ngọc Hồng^2
1.Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ - Luyện kim
     ². Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam

Đề tài độc lập cấp quốc gia “Nghiên cứu công nghệ tuyển và chế biến sâu quặng graphit mỏ Bảo Hà tỉnh Lào Cai” mã số ĐTĐL.CN.44/15, Chủ nhiệm đề tài ThS. Trần Thị Hiến đã được Bộ Trưởng Bộ Khoa học và Công nghệ ký quyết định công nhận kết quả thực hiện tại quyết định số 2004/QĐ-BKHCN ngày 17 tháng 07 năm 2018.
Sản phẩm graphit vảy hàm lượng cacbon cao của đề tài, đáp ứng nguồn nguyên liệu cho nhiều ngành công nghiệp kỹ thuật cao khác nhau trong nước sử dụng, graphit vảy có các tính chất đặc biệt như độ dẫn nhiệt, dẫn điện cao, trơ về mặt hóa học v.v… Trong quá trình triển khai đề tài, nhóm thực hiện đã kết hợp với Phòng Vật liệu cacbon nano - Viện Khoa học Vật liệu; Phòng Điện và Điện tử - Viện Kỹ thuật Nhiệt đới thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam sử dụng sản phẩm graphit vảy hàm lượng C≥ 99% của đề tài để thử nghiệm chế tạo graphene, khảo sát đặc trưng điện hóa làm điện cực cho siêu tụ điện.
Mẫu graphit vảy có thành phần hóa: Hàm lượng C ≥ 99,45%; chất bốc: 0,18%; độ tro: 0,27%. Mẫu nghiên cứu được chế tạo thành graphene bằng phương pháp Hummer, sau đó tiếp tục tạo Aerogel graphene rồi tạo thành Aerogel graphene xốp, sơ đồ thử nghiệm như sơ đồ Hình 1.

Hình 1: Sơ đồ nguyên tắc chế tạo điện cực màng aerogel graphene xốp
 

Nhằm đánh giá diện tích bề mặt, đặc trưng điện hóa của mẫu graphene nhóm nghiên cứu đã thực hiện trên 02 mẫu: 01 mẫu được chế tạo từ mẫu graphit thương mại được nhập về từ Nhật Bản, hàm lượng C≥99% và 01 mẫu được chế tạo từ mẫu graphit vảy (≥99% C) mỏ graphit Bảo Hà, Lào Cai, từ đề tài ĐTĐL.CN.44/15. Kết quả khảo sát diện tích bề mặt (BET) được thể hiện ở Hình 2.

Hình 2: Diện tích bề mặt riêng của mẫu graphen tổng hợp từ graphit thương mai theo mô hình Langmuir và từ graphit vảy ≥99 % là sản phẩm của đề tài theo mô hình Langmuir
 

Kết quả khảo sát chỉ ra rằng diện tích bề mặt riêng của mẫu graphene chế tạo từ nguyên liệu graphit của đề tài ĐTĐL.CN.44/15 cao hơn mẫu graphene chế tạo từ nguyên liệu graphit thương mại. Sử dụng mô hình Langmuir chúng tôi tính toán được diện tích bề mặt riêng của mẫu graphit thương mại là 126.6 m²/gram và mẫu graphit của đề tài ĐTĐL.CN.44/15 là 217.5 m²/gram
Kết quả khảo sát đặc trưng điện hóa
Kết quả khảo sát được thể hiện ở hình 3, 4, cho thấy với việc có sử dụng và không sử dụng graphene nhận thấy rằng: Khi không sử dụng graphene màng điện cực hầu như không có khả năng tích trữ năng lượng, khi sử dụng graphene chế tạo từ graphit vảy sản phẩm đề tài mã số ĐTĐL.CN.44/15 màng điện cực có khả năng tích trữ năng lượng tốt. Điều này có được là do diện tích bề mặt riêng lớn của vật liệu graphene (217.5 m²/gram) đã giúp làm tăng khả năng tích điện của cả hệ, nhờ có độ xốp cao nên khả năng tương tác ion dễ dàng hơn. Kết quả khảo sát sau 12 chu kỳ quét cho thấy rằng, màng điện cực có độ tổn hao ít. Tính toán giá trị điện dung cho thấy, màng điện cực này giá trị điện dung gần bằng 5 F/gram. Bên cạnh đó, khi sử dụng graphene chế tạo từ graphit thương mại, màng điện cực có khả năng tích trữ năng lượng kém hơn, kết quả đo điện hóa CV cho thấy các điện cực siêu tụ graphene chế tạo từ graphit thương mại có giá trị điện dung khoảng 3.2 F/gram và giá trị này suy giảm đáng kể sau 4 chu trình quét.

Hình 3: Màng điện cực không sử dụng vật liệu graphen

 

Hình 4: Đặc trưng CV của màng điện cực sử dụng vật liệu graphen được chế tạo từ graphite vảy sản phẩm đề tài ĐTĐL.CN.44/15 và từ graphite thương mại

Kết luận:
Như vậy, sản phẩm graphit vảy có hàm lượng C ≥ 99% mỏ graphit Bảo Hà, Lào Cai rất có triển vọng ứng dụng làm nguyên liệu đầu vào chế tạo vật liệu graphen cho ứng dụng làm điện cực cho siêu tụ điện. Vật liệu graphene chế tạo từ nguyên liệu graphit vảy (≥99 % C) có diện tích bề mặt riêng tương đối lớn (217.5 m²/g) rất phù hợp cho các ứng dụng làm siêu tụ điện. Đây là một sản phẩm công nghệ có trình độ cao và rất có tiềm năng ứng dụng trong thực tế. Tuy nhiên, đây mới chỉ là kết quả nghiên cứu sơ bộ. Trong thời gian tới, các khảo sát về điều kiện công nghệ chế tạo, đặc trưng điện hóa cũng như chế tạo thành sản phẩm cần được tiếp tục triển khai.