Hvað er LiFePO4 í litíum rafhlöðum??
Kynning á litíum járnfosfatefnum
Litíumjárnfosfat (sameindaformúla LiFePO₄, litíumjárnfosfat, LFP, einnig þekkt sem litíumjárnfosfat eða járnlitíumfosfat) er bakskautsefni sem er notað í litíum-jónarafhlöður. Einkenni þess eru að það inniheldur ekki dýrmæta þætti eins og kóbalt eða nikkel, hráefnisverðið er lágt; og kolefni, litíum og járn er mikið í jarðskorpunni, sem getur mætt meira en milljón tonna eftirspurn á markaði á ári. Sem bakskautsefni hefur litíumjárnfosfat miðlungs vinnuspennu (3,2 V), mikla sértæka getu (170 mA·h/g), mikið afhleðsluafl, hraðhleðslugetu og langan líftíma, með góðan stöðugleika í háum-hita og háum-hitaumhverfi.
Litíum járnfosfatkristallinn tilheyrir einni tegund af ólífínbyggingu. Í steinefnafræði er það nefnt triphylite, dregið af gríska orðinu rótum tri og lylon. Í málmgrýti getur liturinn verið grár, rauðleitur-brúnn grár, brúnn eða svartur, en raunverulegar vörur eru svartar eða gráar-svartar. Ákveðin náttúruleg steinefni innihalda litíumjárnfosfat, en einkunnin er lág og nær ekki hagnýtri notkun. Litíum járnfosfat tilheyrir flokki samsettra fosfats og almenn efnaformúla þess ætti að vera LiMPO₄, þar sem M getur verið hvaða tvígildur málmur sem er, þar á meðal Fe, Co, Mn, Ti, osfrv. Þar sem fyrsta fyrirtækið til að markaðssetja LiMPO₄ framleitt litíumjárnfosfat, hefur fólk vanist því að meðhöndla litíum járnfosfat efni sem bakskautsjárnfosfat efni. Hins vegar, fyrir efnasambönd með ólívínbyggingu, er litíumjárnfosfat ekki það eina sem hægt er að nota sem bakskautsefni í litíum-jónarafhlöðum. Samkvæmt núverandi þekkingu eru líka til LiMnPO₄, LiMnFePO₄, LiVPO₄, LiCoPO₄ og mörg önnur efni.
Uppruna litíumjárnfosfatefna má rekja aftur til ársins 1996, þegar japanska fjarskiptafyrirtækið NTT uppgötvaði fyrst að AMPO₄ (A er alkalímálmur, M er Co eða Fe) með ólívínbyggingu, í samsetningu LiFeCoPO₄, er hægt að nota sem litíum-rafhlöðu bakskautsefni. Í kjölfarið uppgötvaði Goodenough rannsóknarhópurinn við Massachusetts Institute of Technology í Bandaríkjunum, á meðan hann rannsakaði rammasambönd, að litíum járnfosfat efni hefur afturkræfan eiginleika litíum-jóna (Li⁺) intercalation og deintercalation. Þann 23. apríl 1997 lagði háskólinn í Texas í Austin inn einkaleyfi sem ber titilinn „Batskautsefni fyrir endurhlaðanlegar litíum aukarafhlöður“ (WO1997010541), sem markar upphaf einkaleyfis einokun á litíumjárnfosfatefnum.
Samtímis birting Bandaríkjanna og Japans á bakskautsefnum með ólívín-skipulögðu fosfati (LiMPO₄) vakti mikla athygli, kom af stað umfangsmiklum rannsóknum og hraðaði iðnvæðingarferlinu. Samanborið við hefðbundin litíum-efri rafhlöðu bakskautsefni-spinel-skipulögð litíummanganoxíð (LiMn₂O₄) og lagskipt-skipulögð litíumkóbaltoxíð (LiCoO₂)-LiMPO₄ hefur ekki meiri umhverfismengun og ódýrara efni. Sérstaklega hefur öryggi verið stórbætt og vakið mikla athygli rannsakenda og atvinnulífsins.
Samkvæmt niðurstöðum rannsókna á undanförnum árum hefur litíumjárnfosfat efni vel-kristallaða ólívínbyggingu og litíum-jónadreifingarrásir þess eru ólíkar hefðbundnum bakskautsefnum. Hefðbundin bakskautsefni hafa lagskipt eða spínel uppbyggingu, sem gerir litíumjónum kleift að fara hratt á milli laga eða í stærri rásum, og gefur þannig efnin góða losunarafköst. Aftur á móti eru litíum-jónadreifingarrásir í litíumjárnfosfatefnum einvíddar, sem þýðir að innan kristalsins eru aðeins „göng“ fyrir litíum-jónadreifingu, þannig að flæðishraði litíum-jóna er tiltölulega hægur og dreifingarfjarlægðin er stutt. Sérstaklega við háhraða losunarskilyrði geta innri litíumjónir ekki flutt út í tíma, sem leiðir til verulegrar rafefnafræðilegrar skautunar.
Hægt er að búa til rafhlöður með því að nota hreint litíum járnfosfat efni til að sannreyna ofangreindar ályktanir. Tilraunir hafa sýnt að afkastagetu nýtingar hreins litíumjárnfosfatefnis er mjög lítil og rafhlaðan verður fyrir hraðri afkastagetu í hjólreiðum. Mynd 2.1 sýnir hringrásarafköst litíum-myntfrumu sem höfundurinn hefur búið til með því að nota vatnshita tilbúið hreint litíumjárnfosfat (án kolefnishúðunar). Það má sjá að eftir um það bil 15 hleðslu- og afhleðslulotur hefur rafgeymirinn minnkað um meira en 20%. Þess vegna hentar hreint litíumjárnfosfatefni ekki fyrir litíum-jónarafhlöðukerfi.
Árið 2000 var Hydro-Québec (H-Q), ríkisfyrirtæki Kanada, fyrst til að leggja fram einkaleyfi á húðun litíumjárnfosfats með leiðandi efni, þar á meðal notkun kolefnishúðunar á litíumjárnfosfatefni. Þetta gerði litíumjárnfosfati kleift að ná mikilli sértækri afkastagetu og lengdi líftíma þess í meira en 2000 lotur. Þetta markaði upphafið að iðnvæðingarferli litíumjárnfosfats sem bakskautsefnis.
