Што е LiFePO4 во литиумските батерии??
Вовед во материјалите од литиум железо фосфат
Литиум железо фосфат (молекуларна формула LiFePO4, литиум железо фосфат, LFP, исто така познат како литиум железо фосфат или железен литиум фосфат) е катоден материјал што се користи во литиум-јонски батерии. Неговите карактеристики се дека не содржи скапоцени елементи како што се кобалт или никел, цената на суровината е ниска; а јаглеродот, литиумот и железото се во изобилство во земјината кора, што може да ја задоволи побарувачката на пазарот од повеќе од еден милион тони годишно. Како катоден материјал, литиум железен фосфат има умерен работен напон (3,2 V), висок специфичен капацитет (170 mA·h/g), голема моќност на празнење, можност за брзо полнење и долг животен циклус, со добра стабилност во средини со висока-температура и висока-топлина.
Кристалот на литиум железо фосфат припаѓа на еден вид структура на оливин. Во минералогијата, тој е наречен трифилит, изведен од грчкиот збор корени три и лилон. Во рудите, бојата може да биде сива, црвеникава-кафеава сива, кафена или црна, додека вистинските производи се црни или сиви-црни. Одредени природни минерални материјали содржат литиум железо фосфат, но степенот е низок и не го достигнува нивото на практична примена. Литиум железо фосфат припаѓа на категоријата композитни фосфати, а неговата општа хемиска формула треба да биде LiMPO4, каде што М може да биде кој било двовалентен метал, вклучувајќи Fe, Co, Mn, Ti, итн. катоден материјал. Меѓутоа, за соединенијата со структура на оливин, литиум железо фосфатот не е единствениот што може да се користи како катоден материјал во литиум-јонските батерии. Според сегашните сознанија, постојат и LiMnPO4, LiMnFePO4, LiVPO4, LiCoPO4 и многу други материјали.
Потеклото на материјалите од литиум железо фосфат може да се проследи уште во 1996 година, кога јапонската телекомуникациска компанија NTT првпат откри дека AMPO4 (A е алкален метал, M е Co или Fe) со оливин структура, во комбинација на LiFeCoPO4, може да се користи како литиум{1}} катодна батерија. Последователно, беше откриено од страна на истражувачката група Goodenough од Технолошкиот институт во Масачусетс во Соединетите држави, додека ги проучуваше рамковните соединенија, дека материјалот од литиум железо фосфат има реверзибилно својство на интеркалација и деинтеркалација на литиум{3}}јонски (Li⁺). На 23 април 1997 година, Универзитетот во Тексас во Остин поднесе патент со наслов „Катодни материјали за секундарни литиумски батерии што се полнат“ (WO1997010541), означувајќи го почетокот на патентниот монопол на материјалите од литиум железо фосфат.
Истовременото објавување на оливин-структурирани фосфатни (LiMPO4) катодни материјали од страна на Соединетите Американски Држави и Јапонија привлече големо внимание, поттикна опширно истражување и брзо го унапреди процесот на индустријализација. Во споредба со традиционалните литиум-јонски секундарни катодни материјали за батерии-спинел-структуиран литиум манган оксид (LiMn2O4) и слоевит-структуриран литиум кобалт оксид (LiCoO2){{6}LiMPO₄ пошироко достапни и поевтини материјали. Особено, безбедноста е значително подобрена, предизвикувајќи голем интерес кај истражувачите и индустријата.
Според резултатите од истражувањето во последните години, материјалот од литиум железо фосфат поседува добро-кристализирана оливин структура, а неговите литиум-јонски дифузни канали се разликуваат од оние на традиционалните катодни материјали. Традиционалните катодни материјали имаат слоевити или шпинелни структури, овозможувајќи им на јоните на литиум брзо да се движат помеѓу слоевите или во поголеми канали, со што се обезбедуваат материјалите со добри перформанси на празнење. Спротивно на тоа, литиум-јонските дифузни канали во материјалите од литиум железо фосфат се едно-димензионални, што значи дека во кристалот има само „тунел“ за дифузија на литиум-јони, така што стапката на миграција на јони на литиум- е релативно бавна, а разликата е мала. Особено во услови на празнење со висока-брза, внатрешните јони на литиум не можат да мигрираат навреме, што резултира со значителна електрохемиска поларизација.
За да се потврдат горенаведените заклучоци, батериите може да се изработуваат со користење на чист материјал од литиум железо фосфат. Експериментите покажаа дека искористеноста на капацитетот на материјалот од чист литиум железо фосфат е многу мала, а батеријата доживува брзо распаѓање на капацитетот за време на возењето велосипед. Слика 2.1 ја прикажува изведбата на циклус на литиум-јонска монета направена од авторот со користење на хидротермално синтетизиран чист литиум железо фосфат (без јаглеродна обвивка). Може да се види дека по приближно 15 циклуси полнење-празнење, капацитетот на батеријата се распаднал за повеќе од 20%. Затоа, чистиот материјал од литиум железо фосфат не е погоден за системи со литиум-јонски батерии.
Во 2000 година, Hydro{1}}Québec (H-Q), националното јавно претпријатие на Канада, беше првиот што поднесе патенти за обложување на литиум железо фосфат со спроводливи материјали, вклучително и употреба на јаглеродна обвивка на материјали од литиум железо фосфат. Ова му овозможи на литиум железо фосфатот да постигне висок специфичен капацитет и го продолжи неговиот животен век на повеќе од 2000 циклуси. Ова го означи почетокот на процесот на индустријализација на литиум железо фосфат како катоден материјал.
