Mis on LiFePO4 liitiumakudes?
Liitiumraudfosfaatmaterjalide tutvustus
Liitiumraudfosfaat (molekulvalemiga LiFePO₄, liitiumraudfosfaat, LFP, tuntud ka kui liitiumraudfosfaat või raudliitiumfosfaat) on liitium-ioonakudes kasutatav katoodmaterjal. Selle omadused on, et see ei sisalda väärtuslikke elemente nagu koobalt või nikkel, tooraine hind on madal; ning maapõues leidub ohtralt süsinikku, liitiumit ja rauda, mis suudab rahuldada enam kui miljoni tonni suuruse turunõudluse aastas. Katoodmaterjalina on liitiumraudfosfaadil mõõdukas tööpinge (3,2 V), suur erivõimsus (170 mA·h/g), suur tühjendusvõimsus, kiire laadimisvõime ja pikk kasutusiga ning hea stabiilsus kõrgel{5}}temperatuuril ja kõrgel{6}}kuumuses.
Liitiumraudfosfaadi kristall kuulub ühte oliviinstruktuuri tüüpi. Mineraloogias nimetatakse seda trifüliidiks, mis tuleneb kreeka sõnatüvest tri ja lylon. Maakide värvus võib olla hall, punakas-pruun hall, pruun või must, tegelikud tooted aga mustad või hallid{3}}mustad. Teatud looduslikud mineraalmaterjalid sisaldavad liitiumraudfosfaati, kuid selle klass on madal ja ei küüni praktilise kasutuse tasemeni. Liitiumraudfosfaat kuulub komposiitfosfaatide kategooriasse ja selle üldine keemiline valem peaks olema LiMPO4, kus M võib olla mis tahes kahevalentne metall, sealhulgas Fe, Co, Mn, Ti jne. Kuna esimene LiMPO₄ turule toonud ettevõte tootis liitiumraudfosfaati, on inimesed harjunud töötlema ainult liitiumfosfaatfosfaati. katoodmaterjal. Kuid oliviinstruktuuriga ühendite puhul ei ole liitiumraudfosfaat ainus, mida saab liitium-ioonakude katoodmaterjalina kasutada. Praeguste teadmiste kohaselt on olemas ka LiMnPO4, LiMnFePO4, LiVPO4, LiCoPO4 ja palju muid materjale.
Liitiumraudfosfaatmaterjalide päritolu võib ulatuda 1996. aastasse, mil Jaapani telekommunikatsiooniettevõte NTT avastas esmakordselt, et oliviinstruktuuriga AMPO₄ (A on leelismetall, M on Co või Fe) koos LiFeCoPO₄-ga saab kasutada liitium{1}}ioonaku katoodimaterjalina. Seejärel avastas Ameerika Ühendriikide Massachusettsi Tehnoloogiainstituudi Goodenoughi uurimisrühm raamühendeid uurides, et liitiumraudfosfaadi materjalil on liitium-ioonide (Li⁺) interkalatsiooni ja deinterkalatsiooni pöörduv omadus. 23. aprillil 1997 esitas Texase Ülikool Austinis patendi "Katoodimaterjalid taaslaetavate liitiumpatareide jaoks" (WO1997010541), mis tähistab liitiumraudfosfaatmaterjalide patendimonopoli algust.
Oliviin{0}}struktureeritud fosfaat (LiMPO₄) katoodmaterjalide samaaegne avaldamine Ameerika Ühendriikides ja Jaapanis äratas suurt tähelepanu, käivitas ulatuslikud uuringud ja edenes kiiresti industrialiseerimisprotsessi. Võrreldes traditsiooniliste liitium-ioonaku katoodimaterjalidega-spinell-struktureeritud liitiummangaanoksiid (LiMn₂O₄) ja kihiline-struktureeritud liitiumkoobaltoksiid (LiCoO₂)-on vähem keskkonnasaastet ja odavamaid materjale. Eelkõige on oluliselt paranenud ohutus, mis on äratanud teadlaste ja tööstuse suurt huvi.
Viimaste aastate uurimistulemuste kohaselt on liitiumraudfosfaadi materjalil hästi-kristalliseerunud oliviinstruktuur ja selle liitium-ioonide difusioonikanalid erinevad traditsiooniliste katoodmaterjalide omadest. Traditsioonilistel katoodmaterjalidel on kihilised või spinellstruktuurid, mis võimaldavad liitiumioonidel kihtide vahel või suuremates kanalites kiiresti liikuda, andes seeläbi materjalidele hea tühjenemise. Seevastu liitium-ioonide difusioonikanalid liitiumraudfosfaatmaterjalides on ühe-dimensioonilised, mis tähendab, et kristallis on ainult liitiumioonide difusiooni tunnel, seega on liitiumioonide migratsioonikiirus suhteliselt aeglane ja difusioonikaugus lühike. Eriti suure -kiirusega tühjenemise tingimustes ei saa sisemised liitiumioonid õigel ajal välja migreeruda, mille tulemuseks on märkimisväärne elektrokeemiline polarisatsioon.
Ülaltoodud järelduste kontrollimiseks saab akusid valmistada puhta liitiumraudfosfaadi materjalist. Katsed on näidanud, et puhta liitiumraudfosfaadi materjali võimsuskasutus on väga madal ja aku võimsus väheneb rattasõidu ajal kiiresti. Joonisel 2.1 on kujutatud autori poolt hüdrotermiliselt sünteesitud puhast liitiumraudfosfaati (ilma süsinikkatteta) valmistatud liitium-ioonmündielemendi tsüklilist jõudlust. On näha, et pärast ligikaudu 15 laadimis-tühjenemistsüklit on aku mahtuvus vähenenud enam kui 20%. Seetõttu ei sobi puhas liitiumraudfosfaat liitium-ioonakusüsteemide jaoks.
2000. aastal esitas Kanada riiklik kommunaalettevõte Hydro{1}}Québec (H-Q) esimesena patendid liitiumraudfosfaadi katmiseks juhtivate materjalidega, sealhulgas liitiumraudfosfaatmaterjalide süsinikkatte kasutamise kohta. See võimaldas liitiumraudfosfaadil saavutada kõrge erivõimsuse ja pikendas selle tsükli eluiga enam kui 2000 tsüklini. See tähistas liitiumraudfosfaadi kui katoodimaterjali industrialiseerimisprotsessi algust.
