Apakah LiFePO4 dalam bateri litium??
Pengenalan kepada Bahan Litium Besi Fosfat
Litium besi fosfat (formula molekul LiFePO₄, litium besi fosfat, LFP, juga dikenali sebagai litium besi fosfat atau ferus litium fosfat) ialah bahan katod yang digunakan dalam bateri-ion litium. Ciri-cirinya ialah ia tidak mengandungi unsur berharga seperti kobalt atau nikel, harga bahan mentahnya rendah; dan karbon, litium, dan besi banyak terdapat di kerak bumi, yang boleh memenuhi permintaan pasaran lebih daripada satu juta tan setahun. Sebagai bahan katod, litium besi fosfat mempunyai voltan kerja sederhana (3.2 V), kapasiti khusus tinggi (170 mA·h/g), kuasa nyahcas yang tinggi, keupayaan pengecasan pantas dan hayat kitaran yang panjang, dengan kestabilan yang baik dalam persekitaran-suhu tinggi dan-panas tinggi.
Kristal fosfat besi litium tergolong dalam satu jenis struktur olivin. Dalam mineralogi, ia dinamakan triphylite, berasal dari perkataan Yunani akar tri dan lylon. Dalam bijih, warna boleh menjadi kelabu, kemerahan-coklat kelabu, coklat atau hitam, manakala produk sebenar adalah hitam atau kelabu-hitam. Bahan mineral semulajadi tertentu mengandungi fosfat besi litium, tetapi grednya rendah dan tidak mencapai tahap aplikasi praktikal. Fosfat besi litium tergolong dalam kategori fosfat komposit, dan formula kimia amnya hendaklah LiMPO₄, di mana M boleh menjadi sebarang logam divalen, termasuk Fe, Co, Mn, Ti, dsb. Oleh kerana syarikat pertama yang mengkomersialkan LiMPO₄ menghasilkan fosfat besi litium, orang ramai telah terbiasa merawat fosfat besi litium. fosfat besi fosfat sebagai satu-satunya bahan komposit fosfat. Walau bagaimanapun, bagi sebatian dengan struktur olivin, fosfat besi litium bukan satu-satunya yang boleh digunakan sebagai bahan katod dalam bateri-ion litium. Mengikut pengetahuan semasa, terdapat juga LiMnPO₄, LiMnFePO₄, LiVPO₄, LiCoPO₄, dan banyak lagi bahan lain.
Asal usul bahan fosfat besi litium boleh dikesan kembali pada tahun 1996, apabila syarikat telekomunikasi Jepun NTT mula-mula mendapati bahawa AMPO₄ (A ialah logam alkali, M ialah Co atau Fe) dengan struktur olivin, dalam gabungan LiFeCoPO₄, boleh digunakan sebagai bahan katod bateri-ion litium. Selepas itu, ia telah ditemui oleh kumpulan penyelidikan Goodenough di Massachusetts Institute of Technology di Amerika Syarikat, semasa mengkaji sebatian rangka kerja, bahawa bahan fosfat besi litium mempunyai sifat boleh balik litium-ion (Li⁺) interkalasi dan penyahinterkalaan. Pada 23 April 1997, Universiti Texas di Austin memfailkan paten bertajuk "Bahan katod untuk bateri sekunder litium boleh dicas semula" (WO1997010541), menandakan permulaan monopoli paten ke atas bahan fosfat besi litium.
Penerbitan serentak bahan katod fosfat berstruktur -olivin (LiMPO₄) oleh Amerika Syarikat dan Jepun menarik perhatian besar, mencetuskan penyelidikan yang meluas dan memajukan proses perindustrian dengan pantas. Berbanding dengan bahan katod bateri sekunder lithium-ion tradisional-spinel-litium mangan oksida berstruktur (LiMn₂O₄) dan berlapis-litium kobalt oksida (LiCoO₂)-LiMPO₄ mempunyai bahan mentah yang lebih meluas dan lebih murah tanpa pencemaran alam sekitar. Khususnya, keselamatan telah banyak dipertingkatkan, menimbulkan minat yang besar daripada penyelidik dan industri.
Menurut hasil penyelidikan dalam beberapa tahun kebelakangan ini, bahan litium besi fosfat mempunyai struktur olivin terhablur dengan baik-dan saluran resapan litium-ionnya berbeza daripada bahan katod tradisional. Bahan katod tradisional mempunyai struktur berlapis atau spinel, membolehkan ion litium bergerak dengan pantas antara lapisan atau dalam saluran yang lebih besar, sekali gus memberikan bahan dengan prestasi nyahcas yang baik. Sebaliknya, saluran resapan litium-ion dalam bahan fosfat besi litium adalah satu-dimensi, bermakna dalam hablur hanya terdapat "terowong" untuk resapan-ion litium, jadi kadar penghijrahan litium-ion adalah agak perlahan dan jarak resapan adalah pendek. Terutama dalam keadaan nyahcas-kadar tinggi, ion litium dalaman tidak boleh berhijrah keluar tepat pada masanya, mengakibatkan polarisasi elektrokimia yang ketara.
Bateri boleh dibuat menggunakan bahan fosfat besi litium tulen untuk mengesahkan kesimpulan di atas. Eksperimen telah menunjukkan bahawa penggunaan kapasiti bahan fosfat besi litium tulen adalah sangat rendah, dan bateri mengalami pereputan kapasiti yang cepat semasa berbasikal. Rajah 2.1 menunjukkan prestasi berbasikal sel syiling ion litium-yang dibuat oleh pengarang menggunakan fosfat besi litium tulen yang disintesis secara hidroterma (tanpa salutan karbon). Dapat dilihat bahawa selepas kira-kira 15 kitaran cas-nyahcas, kapasiti bateri telah mereput lebih daripada 20%. Oleh itu, bahan litium besi fosfat tulen tidak sesuai untuk sistem bateri-ion litium.
Pada tahun 2000, Hydro-Québec (H-Q), utiliti awam negara Kanada, adalah yang pertama memfailkan paten untuk menyalut fosfat besi litium dengan bahan konduktif, termasuk penggunaan salutan karbon pada bahan fosfat besi litium. Ini membolehkan litium besi fosfat mencapai kapasiti khusus yang tinggi dan memanjangkan hayat kitarannya kepada lebih daripada 2000 kitaran. Ini menandakan permulaan proses perindustrian litium besi fosfat sebagai bahan katod.
