Литий батареяларындағы LiFePO4 дегеніміз не?
Литий темір фосфаты материалдарына кіріспе
Литий темір фосфаты (молекулярлық формуласы LiFePO₄, литий темір фосфаты, LFP, сондай-ақ литий темір фосфаты немесе темір литий фосфаты ретінде белгілі) литий{0}}ионды батареяларда қолданылатын катодты материал болып табылады. Оның ерекшелігі - құрамында кобальт немесе никель сияқты асыл элементтер жоқ, шикізат бағасы төмен; ал көміртегі, литий, темір жер қыртысында мол, олар жылына бір миллион тоннадан астам нарық сұранысын қанағаттандыра алады. Катодты материал ретінде литий темір фосфаты орташа жұмыс кернеуіне (3,2 В), жоғары меншікті сыйымдылыққа (170 мА·сағ/г), жоғары разрядтық қуатқа, жылдам зарядтау мүмкіндігіне және жоғары-температуралық және жоғары-жылу орталарында жақсы тұрақтылыққа ие ұзақ циклге ие.
Литий темір фосфатының кристалы оливин құрылымының бір түріне жатады. Минерологияда ол трифилит деп аталады, ол гректің три және лилон түбірлерінен шыққан. Кендерде түсі сұр, қызыл{2}}қоңыр сұр, қоңыр немесе қара болуы мүмкін, ал нақты өнімдер қара немесе сұр-қара болады. Кейбір табиғи минералды материалдардың құрамында литий темір фосфаты бар, бірақ сорты төмен және практикалық қолдану деңгейіне жетпейді. Литий темір фосфаты композициялық фосфаттар санатына жатады және оның жалпы химиялық формуласы LiMPO₄ болуы керек, мұнда M кез келген екі валентті металл болуы мүмкін, соның ішінде Fe, Co, Mn, Ti және т.б. LiMPO₄ литий темір фосфатын коммерцияландыруды жүзеге асырған бірінші компания болғандықтан, адамдар темір комфосфатты композициялық фосфатты өңдеуге дағдыланған. катодты материал. Дегенмен, оливин құрылымы бар қосылыстар үшін литий-ионды батареяларда катод материалы ретінде пайдаланылуы мүмкін жалғыз литий темір фосфаты емес. Қазіргі білімге сәйкес, LiMnPO₄, LiMnFePO₄, LiVPO₄, LiCoPO₄ және басқа да көптеген материалдар бар.
Литий темір фосфат материалдарының шығу тегі 1996 жылы Жапонияның NTT телекоммуникациялық компаниясы LiFeCoPO₄ комбинациясында оливин құрылымы бар AMPO₄ (A - сілтілі металл, M - Co немесе Fe) литий{1}}ионды батарея ретінде пайдалануға болатынын алғаш рет анықтаған кезден басталады. Кейіннен Америка Құрама Штаттарының Массачусетс технологиялық институтының Гуденоу зерттеу тобы рамалық қосылыстарды зерттей отырып, литий темір фосфаты материалының литий-интеркалациясының (Li⁺) интеркалациясының және деинтеркалациясының қайтымды қасиеті бар екенін анықтады. 1997 жылы 23 сәуірде Остиндегі Техас университеті «қайта зарядталатын литий екінші батареяларына арналған катодтық материалдар» (WO1997010541) атты патент берді, бұл литий темір фосфат материалдарына патенттік монополияның басталуын білдіреді.
Америка Құрама Штаттары мен Жапонияның оливин{0}}құрылымды фосфатты (LiMPO₄) катодты материалдарын бір мезгілде жариялауы үлкен назар аударып, ауқымды зерттеулерге түрткі болды және индустрияландыру үдерісін жылдам дамытты. Дәстүрлі литий-екінші реттік аккумуляторлық катодты материалдармен-шпинельді-құрылымдық литий марганец оксидімен (LiMn₂O₄) және қабаттық-құрылымдық литий кобальт оксидімен (LiCoO₂) салыстырғанда бұдан да арзанырақ және Liwra арзан материалдар жоқ. ластану. Атап айтқанда, қауіпсіздік техникасы айтарлықтай жақсарды, бұл зерттеушілер мен өндірістің үлкен қызығушылығын тудырды.
Соңғы жылдардағы зерттеу нәтижелеріне сәйкес, литий темір фосфат материалы жақсы кристалданған оливин құрылымына ие және оның литий-диффузия арналары дәстүрлі катодты материалдардан ерекшеленеді. Дәстүрлі катодты материалдарда литий иондарының қабаттар арасында немесе үлкенірек арналарда жылдам қозғалуына мүмкіндік беретін қабатты немесе шпинель құрылымдары бар, осылайша материалдарға жақсы разрядтық өнімділік береді. Керісінше, литий темір фосфат материалдарындағы литий-ионды диффузия арналары бір өлшемді, яғни кристалдың ішінде литий-ионының диффузиясы үшін тек "туннель" бар, сондықтан литий-ионының өту жылдамдығы салыстырмалы түрде қысқа. Әсіресе жоғары{9}}разрядты жағдайларда ішкі литий иондары уақытында сыртқа ауыса алмайды, бұл айтарлықтай электрохимиялық поляризацияға әкеледі.
Жоғарыда келтірілген қорытындыларды тексеру үшін аккумуляторларды таза литий темір фосфаты материалы арқылы жасауға болады. Тәжірибе көрсеткендей, таза литий темір фосфаты материалының сыйымдылығын пайдалану өте төмен, ал аккумулятор велосипедпен жүру кезінде қуаттың тез ыдырауын бастан кешіреді. 2.1-суретте автор гидротермиялық жолмен синтезделген таза литий темір фосфаты (көміртекті жабынсыз) арқылы жасалған литий{3}}ионды монета ұяшығының циклдік өнімділігі көрсетілген. Шамамен 15 зарядтау-разряд циклінен кейін батарея сыйымдылығы 20%-дан астамға азайғанын көруге болады. Сондықтан таза литий темір фосфат материалы литий-батарея жүйелеріне жарамайды.
2000 жылы Канаданың ұлттық мемлекеттік коммуналдық мекемесі Hydro-Quebec (H-Q) бірінші болып литий темір фосфатты өткізгіш материалдармен, соның ішінде литий темір фосфатты материалдарға көміртекті жабынды қолданумен жабуға патент берді. Бұл литий темір фосфатына жоғары меншікті сыйымдылыққа қол жеткізуге мүмкіндік берді және оның циклінің мерзімін 2000 циклден астамға ұзартты. Бұл катодтық материал ретінде литий темір фосфатының индустрияландыру процесінің басталуын белгіледі.
