LiFePO4 در باتری های لیتیومی چیست؟
مقدمه ای بر مواد فسفات آهن لیتیوم
فسفات آهن لیتیوم (فرمول مولکولی LiFePO4، لیتیوم فسفات آهن، LFP، همچنین به عنوان فسفات آهن لیتیوم یا فسفات لیتیوم آهن شناخته می شود) یک ماده کاتدی است که در باتری های لیتیوم{0} یون استفاده می شود. ویژگی های آن این است که حاوی عناصر گرانبهایی مانند کبالت یا نیکل نیست، قیمت مواد اولیه پایین است. و کربن، لیتیوم و آهن در پوسته زمین به وفور یافت می شود که می تواند تقاضای بازار بیش از یک میلیون تن در سال را تامین کند. به عنوان یک ماده کاتدی، فسفات آهن لیتیوم دارای ولتاژ کاری متوسط (3.2 ولت)، ظرفیت ویژه بالا (170 mA·h/g)، قدرت تخلیه بالا، قابلیت شارژ سریع و عمر چرخه طولانی، با پایداری خوب در محیطهای-درجه حرارت بالا و{6}بالا است.
کریستال فسفات آهن لیتیوم متعلق به یک نوع ساختار الیوین است. در کانی شناسی، آن را تریفیلیت می نامند که از ریشه های یونانی تری و لیلون گرفته شده است. در سنگ معدن، رنگ می تواند خاکستری، مایل به قرمز-خاکستری قهوه ای، قهوه ای یا سیاه باشد، در حالی که محصولات واقعی سیاه یا خاکستری-سیاه هستند. برخی از مواد معدنی طبیعی حاوی فسفات آهن لیتیوم هستند، اما عیار پایین است و به سطح کاربرد عملی نمی رسد. فسفات آهن لیتیوم به دسته کامپوزیت فسفات تعلق دارد و فرمول شیمیایی عمومی آن باید LiMPO4 باشد، که در آن M می تواند هر فلز دو ظرفیتی از جمله Fe، Co، منگنز، Ti و غیره باشد. از آنجایی که اولین شرکتی که LiMPO4 فسفات آهن لیتیوم را تجاری کرد، مردم به درمان iphathathium ironphosites عادت کرده اند. مواد کاتد با این حال، برای ترکیبات با ساختار الیوین، لیتیوم فسفات آهن تنها چیزی نیست که می تواند به عنوان ماده کاتدی در باتری های لیتیوم{8} یون استفاده شود. بر اساس دانش فعلی، LiMnPO4، LiMnFePO4، LiVPO4، LiCoPO4، و بسیاری مواد دیگر نیز وجود دارد.
منشا مواد فسفات آهن لیتیوم را می توان به سال 1996 جستجو کرد، زمانی که شرکت مخابرات ژاپن NTT برای اولین بار کشف کرد که AMPO4 (A یک فلز قلیایی است، M است Co یا Fe) با ساختار الیوین، در ترکیب LiFeCoPO4، می تواند به عنوان باتری یونی لیتیوم{1} مورد استفاده قرار گیرد. متعاقباً، توسط گروه تحقیقاتی Goodenough در مؤسسه فناوری ماساچوست در ایالات متحده، در حین مطالعه ترکیبات چارچوب، کشف شد که مواد فسفات آهن لیتیوم دارای خاصیت برگشتپذیری از بینالاختن و دگرگونی لیتیوم{3}}یون (Li+) است. در 23 آوریل 1997، دانشگاه تگزاس در آستین حق اختراعی را با عنوان "مواد کاتدی برای باتری های ثانویه لیتیومی قابل شارژ" (WO1997010541) به ثبت رساند که نشان دهنده آغاز انحصار ثبت اختراع در مواد فسفات آهن لیتیوم بود.
انتشار همزمان مواد کاتدی الیوین{0}}ساختار فسفات (LiMPO4) توسط ایالات متحده و ژاپن توجه زیادی را به خود جلب کرد، تحقیقات گسترده ای را آغاز کرد و به سرعت فرآیند صنعتی شدن را پیش برد. در مقایسه با مواد سنتی کاتد باتری ثانویه لیتیوم-یون-اسپینل{4}}اکسید لیتیوم منگنز ساختاری (LiMn2O4) و لایهای-اکسید لیتیوم ساختاریافته کبالت (LiCoO2)-LiMPO₄ دارای مواد خامتر و ارزانتر است. به ویژه، ایمنی تا حد زیادی بهبود یافته است و علاقه زیادی را از سوی محققان و صنعت برانگیخته است.
طبق نتایج تحقیقات در سالهای اخیر، مواد فسفات آهن لیتیوم دارای ساختار الیوین{0}}بلور خوبی است و کانالهای انتشار یون لیتیوم- آن با مواد کاتدی سنتی متفاوت است. مواد کاتدی سنتی ساختارهای لایهای یا اسپینلی دارند که به یونهای لیتیوم اجازه میدهند به سرعت بین لایهها یا در کانالهای بزرگتر حرکت کنند، بنابراین عملکرد تخلیه خوبی به مواد میدهند. در مقابل، کانالهای انتشار یون لیتیوم- در مواد فسفات آهن لیتیوم یک بعدی هستند، به این معنی که در داخل کریستال فقط یک "تونل" برای انتشار یون لیتیوم وجود دارد، بنابراین فاصله انتقال یون لیتیوم- نسبتاً آهسته و تفاوت کوتاه است. به خصوص در شرایط تخلیه با سرعت بالا، یونهای لیتیوم داخلی نمیتوانند به موقع به بیرون مهاجرت کنند و در نتیجه قطبش الکتروشیمیایی قابل توجهی ایجاد میشود.
باتری ها را می توان با استفاده از مواد فسفات آهن لیتیوم خالص برای تأیید نتایج فوق ساخت. آزمایشها نشان دادهاند که ظرفیت استفاده از مواد فسفات آهن لیتیوم خالص بسیار کم است و باتری در طول دوچرخهسواری با کاهش سریع ظرفیت مواجه میشود. شکل 2.1 عملکرد چرخشی یک سلول سکه ای یونی لیتیوم را نشان می دهد که توسط نویسنده با استفاده از فسفات آهن لیتیوم خالص سنتز شده به روش هیدروترمال (بدون پوشش کربن) ساخته شده است. می توان مشاهده کرد که پس از تقریباً 15 چرخه شارژ-دشارژ، ظرفیت باتری بیش از 20٪ کاهش یافته است. بنابراین، مواد فسفات آهن لیتیوم خالص برای سیستمهای باتری لیتیوم{8} یون مناسب نیستند.
در سال 2000، Hydro{1}}Québec (H-Q)، شرکت عمومی ملی کانادا، اولین شرکتی بود که برای پوشش فسفات آهن لیتیوم با مواد رسانا، از جمله استفاده از پوشش کربن روی مواد فسفات آهن لیتیوم، پتنت ثبت کرد. این فسفات آهن لیتیوم را قادر به دستیابی به ظرفیت ویژه بالا می کند و عمر چرخه آن را به بیش از 2000 سیکل افزایش می دهد. این آغاز فرآیند صنعتی شدن فسفات آهن لیتیوم به عنوان یک ماده کاتدی بود.
