Kas ir LiFePO4 litija baterijās?
Ievads litija dzelzs fosfāta materiālos
Litija dzelzs fosfāts (molekulārā formula LiFePO₄, litija dzelzs fosfāts, LFP, zināms arī kā litija dzelzs fosfāts vai dzelzs litija fosfāts) ir katoda materiāls, ko izmanto litija -jonu akumulatoros. Tā īpašības ir tādas, ka tas nesatur dārgakmeņus, piemēram, kobaltu vai niķeli, izejvielu cena ir zema; un ogleklis, litijs un dzelzs ir daudz zemes garozā, kas var apmierināt tirgus pieprasījumu vairāk nekā vienu miljonu tonnu gadā. Litija dzelzs fosfātam kā katoda materiālam ir mērens darba spriegums (3,2 V), augsta īpatnējā jauda (170 mA·h/g), liela izlādes jauda, ātras uzlādes iespēja un ilgs cikla kalpošanas laiks, kā arī laba stabilitāte augstās{5}}temperatūras un augsta{6}}karstuma apstākļos.
Litija dzelzs fosfāta kristāls pieder pie viena veida olivīna struktūras. Minerālijā to sauc par trifilītu, kas cēlies no grieķu vārda saknēm tri un lylon. Rūdām krāsa var būt pelēka, sarkanīgi-brūni pelēka, brūna vai melna, savukārt faktiskie izstrādājumi ir melni vai pelēki-melni. Daži dabiskie minerālmateriāli satur litija dzelzs fosfātu, taču tā pakāpe ir zema un nesasniedz praktiskā pielietojuma līmeni. Litija dzelzs fosfāts pieder pie salikto fosfātu kategorijas, un tā vispārīgajai ķīmiskajai formulai ir jābūt LiMPO₄, kur M var būt jebkurš divvērtīgs metāls, tostarp Fe, Co, Mn, Ti utt. Tā kā pirmais uzņēmums, kas komercializēs LiMPO₄, ražoja litija dzelzs fosfātu, cilvēki ir pieraduši apstrādāt tikai litija dzelzs fosfātu ar fosforu. katoda materiāls. Tomēr savienojumiem ar olivīna struktūru litija dzelzs fosfāts nav vienīgais, ko var izmantot kā katoda materiālu litija -jonu akumulatoros. Saskaņā ar pašreizējām zināšanām ir arī LiMnPO₄, LiMnFePO₄, LiVPO4, LiCoPO₄ un daudzi citi materiāli.
Litija dzelzs fosfāta materiālu izcelsme meklējama 1996. gadā, kad Japānas telekomunikāciju uzņēmums NTT pirmo reizi atklāja, ka AMPO₄ (A ir sārmu metāls, M ir Co vai Fe) ar olivīna struktūru LiFeCoPO₄ kombinācijā var izmantot kā litija{1}}jonu bateriju katoda materiālu. Pēc tam Goodenough pētniecības grupa Masačūsetsas Tehnoloģiju institūtā ASV, pētot pamatsavienojumus, atklāja, ka litija dzelzs fosfāta materiālam piemīt litija -jonu (Li⁺) interkalācijas un deinterkalācijas atgriezeniskā īpašība. 1997. gada 23. aprīlī Teksasas Universitāte Ostinā iesniedza patentu ar nosaukumu "Katoda materiāli atkārtoti uzlādējamām litija sekundārajām baterijām" (WO1997010541), iezīmējot litija dzelzs fosfāta materiālu patentu monopola sākumu.
Lielu uzmanību piesaistīja vienlaicīga olivīna-strukturētā fosfāta (LiMPO₄) katoda materiālu publicēšana ASV un Japānā, izraisīja plašu izpēti un strauji virzīja industrializācijas procesu. Salīdzinājumā ar tradicionālajiem litija-jonu sekundāro bateriju katoda materiāliem-spineļa-strukturētais litija mangāna oksīds (LiMn₂O₄) un slāņveida-strukturētais litija kobalta oksīds (LiCoO₂)-ir pieejami lētāki un lētāki vides piesārņojuma materiāli ar plašāku LiMPO₂. Jo īpaši drošība ir ievērojami uzlabota, izraisot lielu pētnieku un nozares interesi.
Saskaņā ar pēdējo gadu pētījumu rezultātiem litija dzelzs fosfāta materiālam ir labi{0}}kristalizēta olivīna struktūra, un tā litija{1}}jonu difūzijas kanāli atšķiras no tradicionālajiem katoda materiāliem. Tradicionālajiem katoda materiāliem ir slāņveida vai spineļa struktūras, kas ļauj litija joniem ātri pārvietoties starp slāņiem vai lielākos kanālos, tādējādi nodrošinot materiālus ar labu izlādes veiktspēju. Turpretim litija -jonu difūzijas kanāli litija dzelzs fosfāta materiālos ir viendimensionāli, kas nozīmē, ka kristālā ir tikai litija-jonu difūzijas "tunelis", tāpēc litija-jonu migrācijas ātrums ir salīdzinoši lēns un difūzijas attālums ir īss. Īpaši liela -ātruma izlādes apstākļos iekšējie litija joni nevar savlaicīgi migrēt, izraisot ievērojamu elektroķīmisko polarizāciju.
Lai pārbaudītu iepriekš minētos secinājumus, akumulatorus var izgatavot, izmantojot tīru litija dzelzs fosfāta materiālu. Eksperimenti ir parādījuši, ka tīra litija dzelzs fosfāta materiāla jaudas izmantošana ir ļoti zema, un akumulators piedzīvo strauju jaudas samazināšanos riteņbraukšanas laikā. 2.1. attēlā parādīta litija -jonu monētu elementa, ko autors izgatavojis, izmantojot hidrotermiski sintezētu tīru litija dzelzs fosfātu (bez oglekļa pārklājuma), cikliskuma veiktspēja. Redzams, ka pēc aptuveni 15 uzlādes-izlādes cikliem akumulatora jauda ir samazinājusies par vairāk nekā 20%. Tāpēc tīrs litija dzelzs fosfāta materiāls nav piemērots litija -jonu akumulatoru sistēmām.
2000. gadā Kanādas valsts sabiedriskais uzņēmums Hydro{1}}Québec (H-Q) bija pirmais, kas iesniedza patentus par litija dzelzs fosfāta pārklāšanu ar vadošiem materiāliem, tostarp par oglekļa pārklājuma izmantošanu litija dzelzs fosfāta materiāliem. Tas ļāva litija dzelzs fosfātam sasniegt augstu īpatnējo jaudu un pagarināja tā cikla ilgumu līdz vairāk nekā 2000 cikliem. Tas iezīmēja litija dzelzs fosfāta kā katoda materiāla industrializācijas procesa sākumu.
