Çfarë është LiFePO4 në bateritë e litiumit??
Hyrje në materialet e fosfatit të hekurit të litiumit
Fosfati i hekurit të litiumit (formula molekulare LiFePO4, fosfati i hekurit të litiumit, LFP, i njohur gjithashtu si fosfati i hekurit të litiumit ose fosfati i litiumit hekuri) është një material katodë që përdoret në bateritë e litiumit-. Karakteristikat e tij janë se nuk përmban elementë të çmuar si kobalt apo nikel, çmimi i lëndës së parë është i ulët; dhe karboni, litiumi dhe hekuri janë të bollshëm në koren e tokës, të cilat mund të plotësojnë kërkesën e tregut prej më shumë se një milion ton në vit. Si material katodë, fosfati i hekurit të litiumit ka një tension pune të moderuar (3,2 V), kapacitet specifik të lartë (170 mA·h/g), fuqi të lartë shkarkimi, aftësi karikimi të shpejtë dhe jetëgjatësi të ciklit, me stabilitet të mirë në mjedise me temperaturë të lartë-dhe{6} me nxehtësi të lartë.
Kristali i fosfatit të hekurit të litiumit i përket një lloji të strukturës së olivinës. Në mineralogji, quhet trifilit, që rrjedh nga fjala greke, rrënjët tri dhe lylon. Në xeherore, ngjyra mund të jetë gri, e kuqërremtë-gri kafe, kafe ose e zezë, ndërsa produktet aktuale janë të zeza ose gri-të zeza. Disa materiale minerale natyrore përmbajnë fosfat litium hekuri, por shkalla është e ulët dhe nuk arrin nivelin e aplikimit praktik. Fosfati i hekurit të litiumit i përket kategorisë së fosfatit të përbërë, dhe formula e tij e përgjithshme kimike duhet të jetë LiMPO4, ku M mund të jetë çdo metal dyvalent, duke përfshirë Fe, Co, Mn, Ti, etj. Për shkak se kompania e parë që komercializoi LiMPO4 prodhoi fosfat litium hekuri, njerëzit janë mësuar të trajtojnë vetëm ifosfatin e litiumit. materiali katodë. Megjithatë, për komponimet me strukturën e olivinës, fosfati i hekurit të litiumit nuk është i vetmi që mund të përdoret si material katodë në bateritë e litium-joneve. Sipas njohurive aktuale, ka edhe LiMnPO4, LiMnFePO4, LiVPO4, LiCoPO4 dhe shumë materiale të tjera.
Origjina e materialeve të fosfatit të hekurit të litiumit mund të gjurmohet në vitin 1996, kur kompania japoneze e telekomunikacionit NTT zbuloi për herë të parë se AMPO4 (A është një metal alkali, M është Co ose Fe) me strukturë olivine, në kombinim me LiFeCoPO4, mund të përdoret si një bateri jonike me material litium{{1}. Më pas, u zbulua nga grupi kërkimor Goodenough në Institutin e Teknologjisë të Masaçusetsit në Shtetet e Bashkuara, gjatë studimit të komponimeve të kornizës, se materiali fosfat i hekurit të litiumit ka vetinë e kthyeshme të ndërthurjes dhe deinterkalimit të litium-joneve (Li⁺). Më 23 prill 1997, Universiteti i Teksasit në Austin paraqiti një patentë të titulluar "Materialet katodë për bateritë dytësore të litiumit të rikarikueshme" (WO1997010541), duke shënuar fillimin e monopolit të patentave mbi materialet fosfat litium hekuri.
Publikimi i njëkohshëm i materialeve katodë me olivin-fosfat të strukturuar (LiMPO4) nga Shtetet e Bashkuara dhe Japonia tërhoqi vëmendje të madhe, shkaktoi kërkime të gjera dhe avancoi me shpejtësi procesin e industrializimit. Krahasuar me materialet tradicionale të katodës së baterive dytësore të litiumit-joneve të litiumit-spinel-oksidi i manganit të litiumit të strukturuar (LiMn2O4) dhe oksidi i kobaltit të litiumit me shtresa-të strukturuar (LiCoO2)-LiMPO₄ më gjerësisht të disponueshme dhe pa materiale më të lira. Në veçanti, siguria është përmirësuar shumë, duke ngjallur interes të madh nga studiuesit dhe industria.
Sipas rezultateve të kërkimit në vitet e fundit, materiali fosfat i hekurit të litiumit ka një strukturë olivine{0}}të kristalizuar mirë dhe kanalet e tij të difuzionit të litiumit-joneve ndryshojnë nga ato të materialeve tradicionale katodike. Materialet tradicionale të katodës kanë struktura me shtresa ose spinel, duke lejuar që jonet e litiumit të lëvizin me shpejtësi midis shtresave ose në kanale më të mëdha, duke i pajisur kështu materialet me performancë të mirë shkarkimi. Në të kundërt, kanalet e difuzionit të joneve të litium-në materialet fosfat të hekurit të litiumit janë një-dimensionale, që do të thotë se brenda kristalit ekziston vetëm një "tunel" për difuzionin e joneve të litiumit{-, kështu që distanca e migrimit të joneve të litiumit- është relativisht e ngadaltë dhe diferenca është e shkurtër. Veçanërisht në kushtet e shkarkimit me shpejtësi të lartë, jonet e brendshme të litiumit nuk mund të migrojnë jashtë në kohë, duke rezultuar në polarizim të rëndësishëm elektrokimik.
Bateritë mund të prodhohen duke përdorur material të pastër fosfat hekuri litium për të verifikuar përfundimet e mësipërme. Eksperimentet kanë treguar se shfrytëzimi i kapacitetit të materialit të pastër të fosfatit të hekurit të litiumit është shumë i ulët dhe bateria përjeton prishje të shpejtë të kapacitetit gjatë çiklizmit. Figura 2.1 tregon performancën e çiklizmit të një qelize me monedhë litium-jonike të krijuar nga autori duke përdorur fosfat hekuri litium të pastër të sintetizuar në mënyrë hidrotermale (pa shtresë karboni). Mund të shihet se pas përafërsisht 15 ciklesh ngarkim-shkarkim, kapaciteti i baterisë është zbehur me më shumë se 20%. Prandaj, materiali i pastër fosfat i hekurit të litiumit nuk është i përshtatshëm për sistemet e baterive litium-.
Në vitin 2000, Hydro{1}}Quebec (H-Q), shërbimi publik kombëtar i Kanadasë, ishte i pari që paraqiti patenta për veshjen e fosfatit të hekurit të litiumit me materiale përçuese, duke përfshirë përdorimin e veshjes së karbonit në materialet fosfat të hekurit litium. Kjo mundësoi që fosfati i hekurit të litiumit të arrijë kapacitet të lartë specifik dhe zgjati jetën e tij të ciklit në më shumë se 2000 cikle. Kjo shënoi fillimin e procesit të industrializimit të fosfatit të hekurit të litiumit si një material katodë.
