Cosa hè LiFePO4 in batterie di lithium?
Introduzione à i Materiali di Lithium Iron Phosphate
Fosfatu di ferru di litiu (formula moleculare LiFePO₄, fosfatu di ferru di litiu, LFP, cunnisciutu ancu fosfatatu di ferru di litiu o fosfatatu di litiu ferrosu) hè un materiale di catodu utilizatu in batterie di lithium -ion. E so caratteristiche sò chì ùn cuntene elementi preziosi cum'è cobalt o nickel, u prezzu di a materia prima hè bassu; è carbone, lithium è ferru sò abbundanti in a crosta di a terra, chì ponu risponde à a dumanda di u mercatu di più di un milione di tunnellate annu. Cum'è un materiale di cathode, u fosfatatu di ferru di lithium hà una tensione di travagliu moderata (3,2 V), una capacità specifica elevata (170 mA·h/g), una alta putenza di scaricamentu, una capacità di carica rapida è una longa vita di ciclu, cù una bona stabilità in ambienti à alta -temperatura è altu - calore.
U cristallu di fosfatatu di ferru di lithium appartene à un tipu di struttura d'olivina. In mineralogia, hè chjamatu triphylite, derivatu da a parolla greca radici tri è lylon. In i minerali, u culore pò esse grisgiu, rossu-grisgiu marronu, marrone, o neru, mentre chì i prudutti attuali sò neri o grisgi-nìri. Certi materiali minerali naturali cuntenenu fosfatatu di ferru di lithium, ma u gradu hè bassu è ùn ghjunghje micca u livellu di l'applicazione pratica. Lithium iron phosphate appartene à a categuria di fosfatatu cumpostu, è a so formula chimica generale deve esse LiMPO₄, induve M pò esse qualsiasi metalli divalenti, cumpresi Fe, Co, Mn, Ti, etc. Perchè a prima cumpagnia di cummercializà LiMPO₄ hà pruduttu fosfatatu di ferru di lithium, a ghjente hà abituatu à trattà solu fosfatatu di ferru di lithium composite cathophosphate. In ogni casu, per i cumposti cù a struttura d'olivina, u fosfatatu di ferru di lithium ùn hè micca l'unicu chì pò esse usatu cum'è materiale cathode in batterie di lithium -ion. Sicondu a cunniscenza attuale, ci sò ancu LiMnPO₄, LiMnFePO₄, LiVPO₄, LiCoPO₄, è assai altri materiali.
L'urìgine di i materiali fosfatatu di ferru di lithium pò esse tracciatu in u 1996, quandu a cumpagnia di telecomunicazioni giapponese NTT hà scupertu prima chì AMPO₄ (A hè un metallu alkali, M hè Co o Fe) cù struttura d'olivina, in a cumminazzioni di LiFeCoPO₄, pò esse usata cum'è materiale di cathode di batteria di lithium -ion. In seguitu, hè statu scupertu da u gruppu di ricerca Goodenough à l'Istitutu di Tecnulugia di Massachusetts in i Stati Uniti, mentre studiava i cumposti di u quadru, chì u materiale di fosfatatu di ferru di lithium hà a pruprietà reversibile di l'intercalation è deintercalation di lithium -ion (Li⁺). U 23 d'aprile di u 1997, l'Università di Texas in Austin hà presentatu una patente intitulata "Materiali di catodi per batterie secondarie di lithium rechargeable" (WO1997010541), chì marca u principiu di u monopoliu di patenti nantu à i materiali di fosfatatu di ferru di lithium.
A publicazione simultanea di i materiali di catodi di fosfatatu strutturatu d'olivina - (LiMPO₄) da i Stati Uniti è u Giappone hà attiratu una grande attenzione, hà attivatu una ricerca estensiva è hà avanzatu rapidamente u prucessu di industrializazione. In cunfrontu cù i materiali tradiziunali di catodi di batteria secondaria di lithium -spinel-strutturatu di ossidu di manganese di litio (LiMn₂O₄) è strattu-strutturatu di ossidu di cobalt di lithium (LiCoO₂) -LiMPO₄u più ampiamente dispunibuli è ùn anu più materiale di u polu ambientale. In particulare, a sicurità hè stata assai migliurata, suscitatu un grande interessu da i circadori è l'industria.
Sicondu i risultati di a ricerca in l'ultimi anni, u materiale di fosfatatu di ferru di lithium pussedi una struttura d'olivina ben -cristalizzata, è i so canali di diffusione di lithium -differenu da quelli di materiali cathode tradiziunali. I materiali di catodi tradiziunali anu strutture stratificate o spinelli, chì permettenu à i ioni di litiu si movenu rapidamente trà e strati o in canali più grandi, dotendu cusì i materiali cun un bonu rendimentu di scaricamentu. In cuntrastu, i canali di diffusione di lithium-ion in lithium ferru phosphate materials sò uni-dimensionale, vale à dì chì in u cristallu ci hè solu un "tunnel" per a diffusione di lithium-ion, cusì a rata di migrazione di lithium -ion hè relativamente lenta è a distanza di diffusione hè corta. Soprattuttu in cundizioni di scaricamentu di alta -tassa, i ioni di litiu internu ùn ponu micca migrà fora in u tempu, risultatu in una polarizazione elettrochimica significativa.
E batterie ponu esse fabbricate cù materiale di fosfatatu di ferru di litiu puru per verificà e cunclusioni sopra. L'esperimenti anu dimustratu chì l'utilizazione di a capacità di u materiale di fosfatatu di ferru di litiu puru hè assai bassu, è a bateria sperimenta una rapida decadenza di capacità durante u ciclismu. A figura 2.1 mostra a prestazione ciclistica di una cellula di lithium-ioni fatta da l'autore utilizendu fosfatatu di ferru di lithium puru di sintesi idrotermale (senza revestimentu di carbone). Pò esse vistu chì dopu à circa 15 cicli di carica-discarica, a capacità di a bateria hè diminuita di più di 20%. Dunque, u materiale di fosfatatu di ferru di litiu puru ùn hè micca adattatu per i sistemi di batterie di lithium -ion.
In u 2000, Hydro-Québec (H-Q), l'utilità publica naziunale di u Canada, hè statu u primu à presentà brevetti nantu à u fosfatatu di ferru di litiu cù materiali cunduttori, cumpresu l'usu di revestimentu di carbone nantu à i materiali di fosfatatu di ferru di litiu. Questu hà permessu à u fosfatatu di ferru di lithium per ottene una capacità specifica alta è allargò a so vita di ciclu à più di 2000 cicli. Questu hà marcatu l'iniziu di u prucessu d'industrializazione di u fosfatatu di ferru di lithium cum'è materiale di cathode.
