Hva er LiFePO4 i litiumbatterier??
Introduksjon til litiumjernfosfatmaterialer
Litiumjernfosfat (molekylformel LiFePO₄, litiumjernfosfat, LFP, også kjent som litiumjernfosfat eller jernholdig litiumfosfat) er et katodemateriale som brukes i litium-ionbatterier. Dens egenskaper er at den ikke inneholder edle elementer som kobolt eller nikkel, råvareprisen er lav; og karbon, litium og jern er rikelig i jordskorpen, noe som kan møte markedsbehovet på mer enn én million tonn per år. Som katodemateriale har litiumjernfosfat en moderat arbeidsspenning (3,2 V), høy spesifikk kapasitet (170 mA·h/g), høy utladningseffekt, rask ladeevne og lang sykluslevetid, med god stabilitet i miljøer med høy-temperatur og høy-varme.
Litiumjernfosfatkrystallen tilhører en type olivinstruktur. I mineralogi heter det triphylitt, avledet fra det greske ordet røtter tri og lylon. I malmer kan fargen være grå, rødlig-brun grå, brun eller svart, mens faktiske produkter er svarte eller grå-svarte. Visse naturlige mineralmaterialer inneholder litiumjernfosfat, men karakteren er lav og når ikke nivået for praktisk anvendelse. Litiumjernfosfat tilhører kategorien komposittfosfat, og dens generelle kjemiske formel bør være LiMPO₄, der M kan være et hvilket som helst toverdig metall, inkludert Fe, Co, Mn, Ti, osv. Fordi det første selskapet som kommersialiserte LiMPO₄ produserte litiumjernfosfat, har folk blitt vant til å behandle litiumfosfat-jernfosfat som komposittmateriale som kun er katodejernfosfat. For forbindelser med olivinstrukturen er imidlertid ikke litiumjernfosfat den eneste som kan brukes som katodemateriale i litium-ionbatterier. I følge dagens kunnskap er det også LiMnPO₄, LiMnFePO₄, LiVPO₄, LiCoPO₄ og mange andre materialer.
Opprinnelsen til litiumjernfosfatmaterialer kan spores tilbake til 1996, da det japanske telekommunikasjonsselskapet NTT først oppdaget at AMPO₄ (A er et alkalimetall, M er Co eller Fe) med olivinstruktur, i kombinasjonen av LiFeCoPO₄, kan brukes som et litium-ionbatteri katodemateriale. Deretter ble det oppdaget av Goodenough-forskningsgruppen ved Massachusetts Institute of Technology i USA, mens de studerte rammeforbindelser, at litiumjernfosfatmateriale har den reversible egenskapen til litium-ion (Li⁺) interkalering og deinterkalering. Den 23. april 1997 inngav University of Texas i Austin et patent med tittelen "Cathode materials for rechargeable lithium secondary batterys" (WO1997010541), og markerte begynnelsen på patentmonopolet på litiumjernfosfatmaterialer.
Den samtidige utgivelsen av olivin-strukturert fosfat (LiMPO₄) katodematerialer av USA og Japan vakte stor oppmerksomhet, utløste omfattende forskning og avanserte raskt industrialiseringsprosessen. Sammenlignet med tradisjonelle litium-ion-sekundære batterikatodematerialer-spinel-strukturert litiummanganoksid (LiMn₂O₄) og lagdelt-strukturert litiumkoboltoksid (LiCoO₂)-LiMPO₄ har ikke flere miljøforurensningsmaterialer. Spesielt er sikkerheten kraftig forbedret, noe som vekker stor interesse fra forskere og industri.
I følge forskningsresultater de siste årene har litiumjernfosfatmateriale en godt-krystallisert olivinstruktur, og dets litium-ionediffusjonskanaler er forskjellige fra tradisjonelle katodematerialer. Tradisjonelle katodematerialer har lagdelte eller spinellstrukturer, slik at litiumioner kan bevege seg raskt mellom lag eller i større kanaler, og dermed gi materialene god utladningsytelse. Derimot er litium-ionediffusjonskanalene i litiumjernfosfatmaterialer endimensjonale, noe som betyr at innenfor krystallen er det bare en "tunnel" for litium-ionediffusjon, så litium-ionmigrasjonshastigheten er relativt langsom og diffusjonsavstanden er kort. Spesielt under høye-utladningsforhold kan ikke de interne litiumionene migrere ut i tide, noe som resulterer i betydelig elektrokjemisk polarisering.
Batterier kan fremstilles ved bruk av rent litiumjernfosfatmateriale for å bekrefte konklusjonene ovenfor. Forsøk har vist at kapasitetsutnyttelsen av rent litiumjernfosfatmateriale er svært lav, og batteriet opplever raskt kapasitetsfall under sykling. Figur 2.1 viser syklusytelsen til en litium-ion-myntcelle laget av forfatteren ved bruk av hydrotermisk syntetisert rent litiumjernfosfat (uten karbonbelegg). Det kan sees at etter omtrent 15 lade-/utladingssykluser har batterikapasiteten gått ned med mer enn 20 %. Derfor er rent litiumjernfosfatmateriale ikke egnet for litium-ionbatterisystemer.
I 2000 var Hydro-Québec (H-Q), Canadas nasjonale offentlige selskap, den første som sendte inn patenter på belegging av litiumjernfosfat med ledende materialer, inkludert bruk av karbonbelegg på litiumjernfosfatmaterialer. Dette gjorde det mulig for litiumjernfosfat å oppnå høy spesifikk kapasitet og utvidet sykluslevetiden til mer enn 2000 sykluser. Dette markerte begynnelsen på industrialiseringsprosessen av litiumjernfosfat som katodemateriale.
