Mitä LiFePO4 on litiumakuissa?
Johdatus litiumrautafosfaattimateriaaleihin
Litiumrautafosfaatti (molekyylikaava LiFePO₄, litiumrautafosfaatti, LFP, joka tunnetaan myös nimellä litiumrautafosfaatti tai rautalitiumfosfaatti) on katodimateriaali, jota käytetään litium-ioni-akuissa. Sen ominaisuudet ovat, että se ei sisällä arvokkaita alkuaineita, kuten kobolttia tai nikkeliä, raaka-aineen hinta on alhainen; ja hiiltä, litiumia ja rautaa on runsaasti maankuoressa, mikä voi vastata yli miljoonan tonnin markkinoiden kysyntään vuodessa. Katodimateriaalina litiumrautafosfaatilla on kohtalainen käyttöjännite (3,2 V), suuri ominaiskapasiteetti (170 mA·h/g), suuri purkausteho, nopea latauskyky ja pitkä käyttöikä sekä hyvä stabiilisuus korkeassa-lämpötiloissa ja korkeassa{6}}lämmössä.
Litiumrautafosfaattikide kuuluu yhteen oliviinirakenteen tyyppiin. Minerologiassa sitä kutsutaan trifyliitiksi, joka on johdettu kreikan sanan juurista tri ja lylon. Malmeissa väri voi olla harmaa, punertavan-ruskeanharmaa, ruskea tai musta, kun taas todelliset tuotteet ovat mustaa tai harmaa-mustaa. Tietyt luonnolliset mineraalimateriaalit sisältävät litiumrautafosfaattia, mutta laatu on alhainen eikä saavuta käytännön käyttötasoa. Litiumrautafosfaatti kuuluu komposiittifosfaattiluokkaan, ja sen yleisen kemiallisen kaavan tulisi olla LiMPO4, jossa M voi olla mikä tahansa kaksiarvoinen metalli, mukaan lukien Fe, Co, Mn, Ti jne. Koska ensimmäinen LiMPO₄:n kaupallistanut yritys tuotti litiumrautafosfaattia, ihmiset ovat tottuneet käsittelemään vain litiumfosfaattikomposiittia. katodimateriaali. Oliviinirakenteen omaavien yhdisteiden tapauksessa litiumrautafosfaatti ei kuitenkaan ole ainoa, jota voidaan käyttää katodimateriaalina litium-ioni-akuissa. Nykyisen tiedon mukaan on olemassa myös LiMnPO4, LiMnFePO4, LiVPO4, LiCoPO4 ja monia muita materiaaleja.
Litiumrautafosfaattimateriaalien alkuperä voidaan jäljittää vuoteen 1996, jolloin japanilainen televiestintäyritys NTT havaitsi ensimmäisen kerran, että AMPO₄ (A on alkalimetalli, M on Co tai Fe) LiFeCoPO₄:n yhdistelmässä voidaan käyttää litium{1}}-ioniakun katodimateriaalina. Myöhemmin yhdysvaltalaisen Massachusetts Institute of Technologyn Goodenough-tutkimusryhmä havaitsi runkoyhdisteitä tutkiessaan, että litiumrautafosfaattimateriaalilla on litium-ionien (Li⁺) interkaloitumisen ja deinterkalaation palautuva ominaisuus. Teksasin yliopisto Austinissa jätti 23. huhtikuuta 1997 patentin nimeltä "Katodimateriaalit uudelleenladattaville litiumparistoille" (WO1997010541), mikä merkitsi litiumrautafosfaattimateriaalien patenttimonopolin alkua.
Oliviini{0}}strukturoitujen fosfaattien (LiMPO₄) katodimateriaalien samanaikainen julkaisu Yhdysvalloissa ja Japanissa herätti suurta huomiota, käynnisti laajan tutkimuksen ja edisti nopeasti teollistumisprosessia. Verrattuna perinteisiin litium-toisioparistokatodimateriaaleihin-spinelli-strukturoituun litiummangaanioksidiin (LiMn₂O₄) ja kerrostettuun-strukturoituun litiumkobolttioksidiin (LiCoO₂)-ei ole saatavilla halvempaa ympäristön saastemateriaalia eikä LiMPO₂ enempää. Erityisesti turvallisuus on parantunut huomattavasti, mikä on herättänyt suurta kiinnostusta tutkijoissa ja teollisuudessa.
Viime vuosien tutkimustulosten mukaan litiumrautafosfaattimateriaalilla on hyvin-kiteytynyt oliviinirakenne, ja sen litium-ionien diffuusiokanavat eroavat perinteisten katodimateriaalien kanavista. Perinteisissä katodimateriaaleissa on kerros- tai spinellirakenteet, jotka mahdollistavat litiumionien liikkumisen nopeasti kerrosten välillä tai suuremmissa kanavissa, mikä antaa materiaaleille hyvän purkauskyvyn. Sitä vastoin litium-ionien diffuusiokanavat litiumrautafosfaattimateriaaleissa ovat yksi-ulotteisia, mikä tarkoittaa, että kiteen sisällä on vain "tunneli" litium-ionien diffuusiolle, joten litium-ionien kulkeutumisnopeus on suhteellisen hidas ja diffuusioetäisyys lyhyt. Erityisesti suuren -nopeuksisen purkauksen olosuhteissa sisäiset litiumionit eivät voi siirtyä ulos ajoissa, mikä johtaa merkittävään sähkökemialliseen polarisaatioon.
Akut voidaan valmistaa käyttämällä puhdasta litiumrautafosfaattimateriaalia yllä olevien päätelmien vahvistamiseksi. Kokeet ovat osoittaneet, että puhtaan litiumrautafosfaattimateriaalin kapasiteetin käyttöaste on erittäin alhainen ja akun kapasiteetti heikkenee nopeasti pyöräilyn aikana. Kuva 2.1 esittää kirjoittajan valmistaman litium--ionikolikkokennon pyöräilysuorituskyvyn käyttämällä hydrotermisesti syntetisoitua puhdasta litiumrautafosfaattia (ilman hiilipinnoitetta). Voidaan nähdä, että noin 15 lataus-purkausjakson jälkeen akun kapasiteetti on heikentynyt yli 20 %. Siksi puhdas litiumrautafosfaattimateriaali ei sovellu litium-ioni-akkujärjestelmiin.
Vuonna 2000 Hydro{1}}Québec (H-Q), Kanadan kansallinen julkinen laitos, haki ensimmäisenä patenttia litiumrautafosfaatin päällystämisestä johtavilla materiaaleilla, mukaan lukien hiilipinnoitteen käyttö litiumrautafosfaattimateriaaleissa. Tämä mahdollisti litiumrautafosfaatin suuren ominaiskapasiteetin saavuttamisen ja pidensi sen käyttöikää yli 2000 sykliin. Tämä merkitsi alkua litiumrautafosfaatin teollistumisprosessille katodimateriaalina.
