Mi az a LiFePO4 a lítium akkumulátorokban?
Bevezetés a lítium-vas-foszfát anyagokba
A lítium-vas-foszfát (molekulaképlete LiFePO₄, lítium-vas-foszfát, LFP, más néven lítium-vas-foszfát vagy vas-lítium-foszfát) a lítium-{0}}ion akkumulátorokban használt katódanyag. Jellemzői, hogy nem tartalmaz értékes elemeket, például kobaltot vagy nikkelt, az alapanyag ára alacsony; a szén, a lítium és a vas pedig bőségesen található a földkéregben, ami évente több mint egymillió tonnás piaci igényt is kielégíthet. A lítium-vas-foszfát katódanyagként mérsékelt üzemi feszültséggel (3,2 V), nagy fajlagos kapacitással (170 mA·h/g), nagy kisütési teljesítménnyel, gyors töltési képességgel és hosszú élettartammal rendelkezik, jó stabilitással magas-hőmérsékletű és magas{6}}hőmérsékletű környezetben.
A lítium-vas-foszfát kristály az olivin szerkezet egyik típusához tartozik. Az ásványtanban trifilitnek nevezik, ami a görög tri és lylon szógyökökből származik. Az ércekben a szín lehet szürke, vöröses{2}}barnaszürke, barna vagy fekete, míg a tényleges termékek fekete vagy szürke-fekete. Egyes természetes ásványi anyagok lítium-vas-foszfátot tartalmaznak, de minősége alacsony, és nem éri el a gyakorlati alkalmazás szintjét. A lítium-vas-foszfát a kompozit foszfát kategóriába tartozik, és általános kémiai képlete LiMPO4, ahol M bármely kétértékű fém lehet, beleértve a Fe, Co, Mn, Ti stb. katód anyag. Az olivin szerkezetű vegyületek esetében azonban nem a lítium-vas-foszfát az egyetlen, amely katódanyagként használható lítium-{8}}ion akkumulátorokban. A jelenlegi ismeretek szerint LiMnPO4, LiMnFePO4, LiVPO4, LiCoPO4 és sok más anyag is létezik.
A lítium-vas-foszfát anyagok eredete 1996-ra vezethető vissza, amikor a japán NTT távközlési vállalat először fedezte fel, hogy az olivin szerkezetű AMPO₄ (A egy alkálifém, M jelentése Co vagy Fe) a LiFeCoPO₄ kombinációjában lítium{1}}ion akkumulátor katód anyagként használható. Ezt követően az egyesült államokbeli Massachusetts Institute of Technology Goodenough kutatócsoportja a vázvegyületek tanulmányozása során felfedezte, hogy a lítium-vas-foszfát anyagnak megvan a reverzibilis tulajdonsága a lítium-ion (Li⁺) interkalációja és deinterkalációja. 1997. április 23-án a Texasi Egyetem Austinban szabadalmat nyújtott be "Katódanyagok újratölthető lítium-akkumulátorokhoz" (WO1997010541) címmel, ezzel megkezdődött a lítium-vas-foszfát anyagok szabadalmi monopóliuma.
Az olivin{0}}strukturált foszfát (LiMPO₄) katód anyagok egyidejű közzététele az Egyesült Államokban és Japánban nagy figyelmet keltett, kiterjedt kutatásokat indított el, és gyorsan előremozdította az iparosítási folyamatot. A hagyományos lítium-ionos másodlagos akkumulátorkatód anyagokhoz-spinel-strukturált lítium-mangán-oxidhoz (LiMn₂O₄) és réteges-strukturált lítium-kobalt-oxidhoz (LiCoO₂) képest-nagyobb környezetszennyező és olcsóbb LiMPO₄ nélkül kapható. Különösen a biztonság javult, ami nagy érdeklődést váltott ki a kutatók és az ipar részéről.
Az elmúlt évek kutatási eredményei szerint a lítium-vas-foszfát anyag jól-kristályosodott olivin szerkezettel rendelkezik, és lítium-ion diffúziós csatornái eltérnek a hagyományos katódanyagokétól. A hagyományos katódanyagok réteges vagy spinel szerkezetűek, lehetővé téve a lítium-ionok gyors mozgását a rétegek között vagy nagyobb csatornákban, így jó kisülési teljesítményt biztosítanak az anyagoknak. Ezzel szemben a lítium-ion diffúziós csatornái a lítium-vas-foszfát anyagokban egy-dimenziósak, ami azt jelenti, hogy a kristályon belül csak "alagút" van a lítium-ion diffúziójához, így a lítium-ionok migrációs sebessége viszonylag lassú, a diffúziós távolság pedig rövid. Különösen nagy -sebességű kisülési körülmények között a belső lítium-ionok nem tudnak időben kivándorolni, ami jelentős elektrokémiai polarizációt eredményez.
Az akkumulátorok tiszta lítium-vas-foszfát anyagból készíthetők a fenti következtetések ellenőrzésére. Kísérletek kimutatták, hogy a tiszta lítium-vas-foszfát anyag kapacitáskihasználása nagyon alacsony, és az akkumulátor gyors kapacitáscsökkenést tapasztal a kerékpározás során. A 2.1. ábra a szerző által hidrotermálisan szintetizált tiszta lítium-vas-foszfáttal (szénbevonat nélkül) készített lítium-ion érmecella ciklusteljesítményét mutatja be. Látható, hogy körülbelül 15 töltési-kisütési ciklus után az akkumulátor kapacitása több mint 20%-kal csökkent. Ezért a tiszta lítium-vas-foszfát anyag nem alkalmas lítium-{8}}ionos akkumulátorrendszerekhez.
2000-ben a Hydro{1}}Québec (H-Q), Kanada nemzeti közszolgáltatója volt az első, amely szabadalmat nyújtott be a lítium-vas-foszfát vezető anyagokkal történő bevonására, beleértve a lítium-vas-foszfát anyagok szénbevonatát is. Ez lehetővé tette a lítium-vas-foszfát számára, hogy nagy fajlagos kapacitást érjen el, és meghosszabbította a ciklus élettartamát több mint 2000 ciklusra. Ezzel megkezdődött a lítium-vas-foszfát, mint katódanyag iparosítási folyamata.
