Ի՞նչ է LiFePO4-ը լիթիումային մարտկոցներում:
Լիթիումի երկաթի ֆոսֆատ նյութերի ներածություն
Լիթիումի երկաթի ֆոսֆատը (մոլեկուլային բանաձև՝ LiFePO4, լիթիումի երկաթի ֆոսֆատ, LFP, որը նաև հայտնի է որպես լիթիումի երկաթի ֆոսֆատ կամ գունավոր լիթիումի ֆոսֆատ) կաթոդային նյութ է, որն օգտագործվում է լիթիում-իոնային մարտկոցներում։ Դրա առանձնահատկությունն այն է, որ այն չի պարունակում թանկարժեք տարրեր, ինչպիսիք են կոբալտը կամ նիկելը, հումքի գինը ցածր է. իսկ ածխածինը, լիթիումը և երկաթը առատ են երկրակեղևում, ինչը կարող է բավարարել տարեկան ավելի քան մեկ միլիոն տոննա շուկայի պահանջարկը։ Որպես կաթոդային նյութ՝ լիթիումի երկաթի ֆոսֆատն ունի միջին աշխատանքային լարում (3,2 Վ), բարձր հատուկ հզորություն (170 mA·h/g), լիցքաթափման բարձր հզորություն, արագ լիցքավորման հնարավորություն և երկար ցիկլի կյանք՝ լավ կայունությամբ բարձր-ջերմաստիճանի և բարձր{6}ջերմային միջավայրերում։
Լիթիումի երկաթի ֆոսֆատի բյուրեղը պատկանում է օլիվինի կառուցվածքի մեկ տեսակին։ Հանքաբանության մեջ այն կոչվում է տրիֆիլիտ, որը ծագել է հունարեն tri և lylon արմատներից: Հանքաքարերում գույնը կարող է լինել մոխրագույն, կարմրավուն-շագանակագույն մոխրագույն, շագանակագույն կամ սև, մինչդեռ իրական արտադրանքը սև կամ մոխրագույն-սև է: Որոշ բնական հանքային նյութեր պարունակում են լիթիումի երկաթի ֆոսֆատ, սակայն դասակարգումը ցածր է և չի հասնում գործնական կիրառման մակարդակին: Լիթիումի երկաթի ֆոսֆատը պատկանում է կոմպոզիտային ֆոսֆատների կատեգորիային, և դրա ընդհանուր քիմիական բանաձևը պետք է լինի LiMPO4, որտեղ M-ը կարող է լինել ցանկացած երկվալենտ մետաղ, ներառյալ Fe, Co, Mn, Ti և այլն: Քանի որ առաջին ընկերությունը, որը առևտրայնացրել է LiMPO4-ն արտադրել է լիթիումի երկաթի ֆոսֆատ, մարդիկ սովոր են բուժել միայն iphoronphosite-ը: կաթոդ նյութ. Այնուամենայնիվ, օլիվինի կառուցվածք ունեցող միացությունների համար լիթիումի երկաթի ֆոսֆատը միակը չէ, որը կարող է օգտագործվել որպես կաթոդ նյութ լիթիում-իոնային մարտկոցներում։ Ըստ առկա գիտելիքների՝ կան նաև LiMnPO4, LiMnFePO4, LiVPO4, LiCoPO4 և շատ այլ նյութեր։
Լիթիումի երկաթի ֆոսֆատ նյութերի ծագումը կարելի է գտնել 1996 թվականին, երբ ճապոնական NTT հեռահաղորդակցական ընկերությունը առաջին անգամ հայտնաբերեց, որ AMPO4 (A-ն ալկալիական մետաղ է, M-ը՝ Co կամ Fe) օլիվինի կառուցվածքով, LiFeCoPO4-ի համակցությամբ, կարող է օգտագործվել որպես լիթիում{1}-իոնային նյութի մարտկոց։ Հետագայում, Միացյալ Նահանգների Մասաչուսեթսի տեխնոլոգիական ինստիտուտի Goodenough հետազոտական խմբի կողմից, շրջանակային միացություններ ուսումնասիրելիս, պարզվեց, որ լիթիումի երկաթի ֆոսֆատ նյութն ունի լիթիումի{3}}իոնի (Li⁺) ինտերկալացիայի և դեինտերկալացիայի շրջելի հատկություն: 1997 թվականի ապրիլի 23-ին Օսթինի Տեխասի համալսարանը արտոնագիր ներկայացրեց «Կաթոդային նյութեր վերալիցքավորվող լիթիումային երկրորդային մարտկոցների համար» (WO1997010541) վերնագրով արտոնագիր՝ նշանավորելով լիթիումի երկաթի ֆոսֆատ նյութերի արտոնագրային մենաշնորհի սկիզբը։
Միացյալ Նահանգների և Ճապոնիայի կողմից օլիվինի-կառուցվածքային ֆոսֆատային (LiMPO4) կաթոդային նյութերի միաժամանակյա հրապարակումը մեծ ուշադրություն գրավեց, լայնածավալ հետազոտություններ առաջացրեց և արագորեն զարգացրեց արդյունաբերականացման գործընթացը: Համեմատ ավանդական լիթիում-իոնային երկրորդային մարտկոցի կաթոդ նյութերի-սպինել{4}}կառուցվածքային լիթիումի մանգանի օքսիդի (LiMn2O4) և շերտավոր-կառուցվածքային լիթիումի կոբալտի օքսիդի (LiCoO2)-LiMPO₄ ավելի մատչելի և ավելի էժան նյութերով: Մասնավորապես, անվտանգությունը մեծապես բարելավվել է՝ մեծ հետաքրքրություն առաջացնելով հետազոտողների և արդյունաբերության կողմից:
Վերջին տարիների հետազոտությունների արդյունքների համաձայն՝ լիթիումի երկաթի ֆոսֆատ նյութն ունի լավ-բյուրեղացած օլիվինի կառուցվածք, և դրա լիթիումի-իոնային դիֆուզիոն ալիքները տարբերվում են ավանդական կաթոդային նյութերից: Ավանդական կաթոդային նյութերն ունեն շերտավոր կամ սպինելային կառուցվածքներ, որոնք թույլ են տալիս լիթիումի իոններին արագ շարժվել շերտերի միջև կամ ավելի մեծ ալիքներում՝ այդպիսով օժտելով նյութերին լիցքաթափման լավ կատարողականությամբ: Ի հակադրություն, լիթիումի-իոնային դիֆուզիոն կապուղիները լիթիումի երկաթի ֆոսֆատ նյութերում միաչափ են, ինչը նշանակում է, որ բյուրեղի ներսում կա միայն «թունել» լիթիումի-իոնային դիֆուզիայի համար, ուստի լիթիումի-իոնների միգրացիայի արագությունը համեմատաբար դանդաղ է, իսկ տարբերությունը՝ կարճ։ Հատկապես բարձր արագությամբ լիցքաթափման պայմաններում, ներքին լիթիումի իոնները չեն կարող ժամանակին դուրս գալ, ինչը հանգեցնում է զգալի էլեկտրաքիմիական բևեռացման:
Մարտկոցները կարող են արտադրվել՝ օգտագործելով մաքուր լիթիումի երկաթի ֆոսֆատ նյութ՝ վերը նշված եզրակացությունները ստուգելու համար: Փորձերը ցույց են տվել, որ մաքուր լիթիումի երկաթի ֆոսֆատ նյութի հզորության օգտագործումը շատ ցածր է, և մարտկոցի հզորությունը արագ քայքայվում է հեծանիվ վարելու ընթացքում: Նկար 2.1-ը ցույց է տալիս հեղինակի կողմից պատրաստված լիթիում-իոնային մետաղադրամի ցիկլային աշխատանքը՝ օգտագործելով հիդրոթերմալ սինթեզված մաքուր լիթիումի երկաթի ֆոսֆատ (առանց ածխածնային ծածկույթի): Կարելի է տեսնել, որ մոտավորապես 15 լիցքավորում-լիցքաթափման ցիկլերից հետո մարտկոցի հզորությունը քայքայվել է ավելի քան 20%-ով։ Հետևաբար, մաքուր լիթիումի երկաթի ֆոսֆատ նյութը հարմար չէ լիթիում-իոնային մարտկոցների համակարգերի համար։
2000 թվականին Hydro{1}}Québec (H-Q)՝ Կանադայի ազգային հանրային ձեռնարկությունը, առաջինն էր, որ արտոնագրեր ներկայացրեց լիթիումի երկաթի ֆոսֆատը հաղորդիչ նյութերով պատելու համար, ներառյալ ածխածնային ծածկույթի օգտագործումը լիթիումի երկաթի ֆոսֆատ նյութերի վրա: Սա հնարավորություն տվեց լիթիումի երկաթի ֆոսֆատին հասնել բարձր հատուկ հզորության և երկարացրեց իր ցիկլի կյանքը մինչև 2000 ցիկլ: Սա նշանավորեց լիթիումի երկաթի ֆոսֆատի արդյունաբերականացման գործընթացի սկիզբը՝ որպես կաթոդային նյութ։
