Wat is LiFePO4 in litiumbatterye?
Inleiding tot litiumysterfosfaatmateriale
Litiumysterfosfaat (molekulêre formule LiFePO₄, litiumysterfosfaat, LFP, ook bekend as litiumysterfosfaat of ysterhoudende litiumfosfaat) is 'n katodemateriaal wat in litium-ioonbatterye gebruik word. Sy kenmerke is dat dit nie kosbare elemente soos kobalt of nikkel bevat nie, die grondstofprys is laag; en koolstof, litium en yster is volop in die aardkors, wat in die markvraag van meer as een miljoen ton per jaar kan voorsien. As 'n katodemateriaal het litiumysterfosfaat 'n matige werkspanning (3.2 V), hoë spesifieke kapasiteit (170 mA·h/g), hoë ontladingskrag, vinnige laaivermoë en lang sikluslewe, met goeie stabiliteit in hoë-temperatuur- en hoë-hitte-omgewings.
Die litium-ysterfosfaatkristal behoort aan een tipe olivienstruktuur. In mineralogie word dit trifiliet genoem, afgelei van die Griekse woordwortels tri en lylon. In erts kan die kleur grys, rooierig-bruingrys, bruin of swart wees, terwyl werklike produkte swart of grys-swart is. Sekere natuurlike minerale materiale bevat litium-ysterfosfaat, maar die graad is laag en bereik nie die vlak van praktiese toepassing nie. Litiumysterfosfaat behoort aan die saamgestelde fosfaatkategorie, en die algemene chemiese formule daarvan moet LiMPO₄ wees, waar M enige tweewaardige metaal kan wees, insluitend Fe, Co, Mn, Ti, ens. Omdat die eerste maatskappy wat LiMPO₄ kommersialiseer het, litiumysterfosfaat geproduseer het, het mense gewoond geraak daaraan om litiumysterfosfaatmateriaal as slegs katode-ysterfosfaatmateriaal te behandel. Vir verbindings met die olivienstruktuur is litium-ysterfosfaat egter nie die enigste een wat as 'n katodemateriaal in litium-ioonbatterye gebruik kan word nie. Volgens huidige kennis is daar ook LiMnPO₄, LiMnFePO₄, LiVPO₄, LiCoPO₄ en baie ander materiale.
Die oorsprong van litium-ysterfosfaatmateriaal kan teruggevoer word na 1996, toe Japan se telekommunikasiemaatskappy NTT die eerste keer ontdek het dat AMPO₄ (A is 'n alkalimetaal, M is Co of Fe) met olivienstruktuur, in die kombinasie van LiFeCoPO₄, as 'n litium-ioonbattery-katodemateriaal gebruik kan word. Daarna is dit ontdek deur die Goodenough-navorsingsgroep by die Massachusetts Institute of Technology in die Verenigde State, terwyl hulle raamwerkverbindings bestudeer het, dat litiumysterfosfaatmateriaal die omkeerbare eienskap van litium-ioon (Li⁺)-interkalasie en de-interkalasie het. Op 23 April 1997 het die Universiteit van Texas in Austin 'n patent ingedien met die titel "Katodemateriale vir herlaaibare litium sekondêre batterye" (WO1997010541), wat die begin van die patentmonopolie op litiumysterfosfaatmateriale aandui.
Die gelyktydige publikasie van olivien-gestruktureerde fosfaat (LiMPO₄)-katodemateriaal deur die Verenigde State en Japan het groot aandag getrek, uitgebreide navorsing ontketen en die industrialiseringsproses vinnig gevorder. In vergelyking met tradisionele litium-ioon sekondêre battery katode materiale-spinel-gestruktureerde litiummangaanoksied (LiMn₂O₄) en gelaagde-gestruktureerde litiumkobaltoksied (LiCoO₂)-LiMPO₄ het nie meer omgewingsbesoedelingsmateriaal nie. Veral veiligheid is aansienlik verbeter, wat groot belangstelling van navorsers en industrie ontlok het.
Volgens navorsingsresultate in onlangse jare het litium-ysterfosfaatmateriaal 'n goed-gekristalliseerde olivienstruktuur, en sy litium-ioondiffusiekanale verskil van dié van tradisionele katodemateriale. Tradisionele katodemateriale het gelaagde of spinelstrukture, wat litiumione toelaat om vinnig tussen lae of in groter kanale te beweeg en sodoende die materiale met goeie ontladingsprestasie toe te ken. Daarteenoor is die litium-ioondiffusiekanale in litiumysterfosfaatmateriaal een-dimensioneel, wat beteken dat daar binne die kristal slegs 'n "tonnel" is vir litium-ioondiffusie, dus is die litium-ioonmigrasietempo relatief stadig en die diffusieafstand kort. Veral onder hoë-ontladingstoestande kan die interne litiumione nie betyds uit migreer nie, wat lei tot beduidende elektrochemiese polarisasie.
Batterye kan vervaardig word deur suiwer litium-ysterfosfaatmateriaal te gebruik om die bogenoemde gevolgtrekkings te verifieer. Eksperimente het getoon dat die kapasiteitsbenutting van suiwer litiumysterfosfaatmateriaal baie laag is, en die battery ervaar vinnige kapasiteitsverval tydens fietsry. Figuur 2.1 toon die siklusprestasie van 'n litium-ioonmuntsel wat deur die skrywer gemaak is deur hidrotermies gesintetiseerde suiwer litiumysterfosfaat (sonder koolstofbedekking) te gebruik. Dit kan gesien word dat die batterykapasiteit na ongeveer 15 laai-ontladingsiklusse met meer as 20% afgeneem het. Daarom is suiwer litium-ysterfosfaatmateriaal nie geskik vir litium-ioonbatterystelsels nie.
In 2000 was Hydro-Québec (H-Q), Kanada se nasionale openbare nutsmaatskappy, die eerste wat patente ingedien het op die bedekking van litiumysterfosfaat met geleidende materiale, insluitend die gebruik van koolstofbedekking op litiumysterfosfaatmateriale. Dit het litium-ysterfosfaat in staat gestel om hoë spesifieke kapasiteit te bereik en sy sikluslewe tot meer as 2000 siklusse verleng. Dit was die begin van die industrialisasieproses van litiumysterfosfaat as 'n katodemateriaal.
