Litium batareyalarda LiFePO4 nədir?
Litium Dəmir Fosfat Materiallarına Giriş
Litium dəmir fosfat (molekulyar formula LiFePO₄, litium dəmir fosfat, LFP, həmçinin litium dəmir fosfat və ya qara litium fosfat kimi tanınır) litium{0}}ion batareyalarında istifadə edilən katod materialıdır. Onun xüsusiyyətləri ondan ibarətdir ki, tərkibində kobalt və ya nikel kimi qiymətli elementlər yoxdur, xammal qiyməti aşağıdır; və karbon, litium və dəmir yer qabığında boldur və bu, ildə bir milyon tondan çox bazar tələbatını ödəyə bilər. Katod materialı olaraq, litium dəmir fosfat orta iş gərginliyinə (3,2 V), yüksək xüsusi tutuma (170 mA·h/g), yüksək boşalma gücünə, sürətli doldurma qabiliyyətinə və yüksək-temperatur və yüksək-istilik mühitlərində yaxşı sabitliyə malik uzun dövriyyə ömrünə malikdir.
Litium dəmir fosfat kristalı olivin quruluşunun bir növünə aiddir. Mineralogiyada o, yunan sözü olan tri və lylon köklərindən götürülmüş trifilit adlanır. Filizlərdə rəng boz, qırmızımtıl{2}}qəhvəyi boz, qəhvəyi və ya qara ola bilər, faktiki məhsullar isə qara və ya boz-qaradır. Bəzi təbii mineral materiallarda litium dəmir fosfat var, lakin dərəcəsi aşağıdır və praktik tətbiq səviyyəsinə çatmır. Litium dəmir fosfat kompozit fosfat kateqoriyasına aiddir və onun ümumi kimyəvi formulası LiMPO₄ olmalıdır, burada M hər hansı ikivalentli metal ola bilər, Fe, Co, Mn, Ti və s. katod materialı. Bununla belə, olivin quruluşuna malik birləşmələr üçün litium dəmir fosfat litium{8}}ion batareyalarında katod materialı kimi istifadə edilə bilən yeganə birləşmə deyil. Mövcud məlumatlara görə, LiMnPO₄, LiMnFePO₄, LiVPO₄, LiCoPO₄ və bir çox başqa materiallar da var.
Litium dəmir fosfat materiallarının mənşəyi 1996-cı ildə Yaponiyanın telekommunikasiya şirkəti NTT ilk dəfə LiFeCoPO₄ birləşməsində olivin strukturlu AMPO₄ (A qələvi metal, M Co və ya Fe)-nin litium{1}}ion batareyası kimi istifadə oluna biləcəyini kəşf etdiyi vaxta qədər izlənilə bilər. Sonradan, ABŞ-da Massaçusets Texnologiya İnstitutunun Goodenough tədqiqat qrupu tərəfindən çərçivə birləşmələri öyrənilərkən litium dəmir fosfat materialının litium-ion (Li⁺) interkalasiyası və deinterkalasiyası kimi geri dönən xassəsinə malik olduğu aşkar edilmişdir. 23 aprel 1997-ci ildə Ostindəki Texas Universiteti litium dəmir fosfat materialları üzərində patent monopoliyasının başlanğıcını qeyd edən "Yenidən doldurulan litium ikincil batareyalar üçün katod materialları" (WO1997010541) adlı patent verdi.
ABŞ və Yaponiya tərəfindən olivin{0}}strukturlaşdırılmış fosfat (LiMPO₄) katod materiallarının eyni vaxtda nəşri böyük diqqəti cəlb etdi, geniş araşdırmalara səbəb oldu və sənayeləşmə prosesini sürətlə inkişaf etdirdi. Ənənəvi litium-ion ikincil batareya katod materialları-spinel-strukturlu litium manqan oksidi (LiMn₂O₄) və laylı-strukturlu litium-kobalt oksidi (LiCoO₂)₄₄₄ ilə müqayisədə daha geniş və ekoloji cəhətdən təmiz materiallarla-daha ucuzdur. çirklənmə. Xüsusilə, təhlükəsizlik çox yaxşılaşdırılıb, tədqiqatçılar və sənayedə böyük maraq doğurub.
Son illərdə aparılan tədqiqatların nəticələrinə görə, litium dəmir fosfat materialı yaxşı kristallaşmış olivin quruluşuna- malikdir və onun litium-diffuziya kanalları ənənəvi katod materiallarından fərqlənir. Ənənəvi katod materialları laylı və ya spinel strukturlara malikdir, bu da litium ionlarının təbəqələr arasında və ya daha böyük kanallarda sürətlə hərəkət etməsinə imkan verir, beləliklə, materiallara yaxşı boşalma performansı verir. Bunun əksinə olaraq, litium dəmir fosfat materiallarında litium-ion diffuziya kanalları bir ölçülüdür, yəni kristalda litium-ion diffuziyası üçün yalnız "tunel" var, ona görə də litium-ion diffuziya sürəti nisbi olaraq yavaşdır. Xüsusilə yüksək -boşalma şəraitində daxili litium ionları vaxtında miqrasiya edə bilmir və nəticədə əhəmiyyətli elektrokimyəvi qütbləşmə baş verir.
Batareyalar yuxarıdakı nəticələri yoxlamaq üçün təmiz litium dəmir fosfat materialından istifadə etməklə hazırlana bilər. Təcrübələr göstərdi ki, təmiz litium dəmir fosfat materialının tutumdan istifadəsi çox aşağıdır və akkumulyator velosiped sürmə zamanı tutumun sürətlə çürüməsi ilə üzləşir. Şəkil 2.1, müəllif tərəfindən hidrotermal yolla sintez edilmiş saf litium dəmir fosfatdan (karbon örtüyü olmadan) istifadə edərək hazırlanmış litium{3}}ion sikkə hüceyrəsinin dövriyyə performansını göstərir. Təxminən 15 doldurma-boşaltma dövründən sonra batareyanın tutumunun 20%-dən çox azaldığını görmək olar. Buna görə də təmiz litium dəmir fosfat materialı litium{8}}ion batareya sistemləri üçün uyğun deyil.
2000-ci ildə Kanadanın milli ictimai xidməti olan Hydro-Québec (H-Q), litium dəmir fosfat materialları üzərində karbon örtüyünün istifadəsi də daxil olmaqla, keçirici materiallarla litium dəmir fosfatın örtülməsinə dair patentlər təqdim edən ilk şirkət oldu. Bu, litium dəmir fosfatın yüksək xüsusi tutum əldə etməsinə imkan verdi və onun dövriyyə müddətini 2000 dövrə qədər uzatdı. Bu, katod materialı kimi litium dəmir fosfatın sənayeləşmə prosesinin başlanğıcını qeyd etdi.
