Kio estas LiFePO4 en litio-kuirilaroj??
Enkonduko al Litiaj Feraj Fosfataj Materialoj
Litia ferfosfato (molekula formulo LiFePO₄, litia ferfosfato, LFP, ankaŭ konata kiel litia ferfosfato aŭ fera litia fosfato) estas katoda materialo uzata en litiaj-jonaj kuirilaroj. Ĝiaj karakterizaĵoj estas, ke ĝi ne enhavas altvalorajn elementojn kiel kobalto aŭ nikelo, la prezo de krudmaterialo estas malalta; kaj karbono, litio kaj fero abundas en la terkrusto, kio povas kontentigi la merkatan postulon de pli ol unu miliono da tunoj jare. Kiel katoda materialo, litia ferfosfato havas moderan labortension (3.2 V), altan specifan kapaciton (170 mA·h/g), altan malŝarĝan potencon, rapidan ŝargan kapablon kaj longan ciklan vivon, kun bona stabileco en alta-temperaturo kaj alta-varmo medioj.
La litia ferfosfata kristalo apartenas al unu speco de olivina strukturo. En mineralogio, ĝi estas nomita trifilito, derivita de la grekaj vortradikoj tri kaj lylon. En ercoj, la koloro povas esti griza, ruĝeta-bruna griza, bruna aŭ nigra, dum realaj produktoj estas nigraj aŭ grizaj-nigraj. Iuj naturaj mineralaj materialoj enhavas litian feran fosfaton, sed la grado estas malalta kaj ne atingas la nivelon de praktika aplikado. Litio ferfosfato apartenas al la kunmetaĵa fosfato kategorio, kaj ĝia ĝenerala kemia formulo devus esti LiMPO₄, kie M povas esti ajna duvalenta metalo, inkluzive de Fe, Co, Mn, Ti, ktp Ĉar la unua firmao por komercigi LiMPO₄ produktis litian ferfosfaton, homoj alkutimiĝis trakti litian feran fosfaton kiel materialon nur kiel litian feran komponan fosfaton. Tamen, por kunmetaĵoj kun la olivina strukturo, litia ferfosfato ne estas la nura kiu povas esti uzata kiel katoda materialo en litio-jonaj kuirilaroj. Laŭ aktuala scio, ekzistas ankaŭ LiMnPO₄, LiMnFePO₄, LiVPO₄, LiCoPO₄, kaj multaj aliaj materialoj.
La origino de litiaj ferfosfataj materialoj povas esti spurita reen al 1996, kiam la japana telekomunika firmao NTT unue malkovris ke AMPO₄ (A estas alkala metalo, M estas Co aŭ Fe) kun olivina strukturo, en la kombinaĵo de LiFeCoPO₄, povas esti utiligita kiel litia-jona baterio katoda materialo. Poste, ĝi estis malkovrita de la Goodenough-esplorgrupo ĉe la Masaĉuseca Instituto de Teknologio en Usono, studante kadrokunmetaĵojn, ke litia ferfosfata materialo havas la reigeblan posedaĵon de litio-jono (Li⁺) interkalado kaj malinterkalado. La 23-an de April, 1997, la Universitato de Teksaso en Aŭstino arkivis patenton titolitan "Katodmaterialoj por reŝargeblaj litiaj sekundaraj baterioj" (WO1997010541), markante la komencon de la patentmonopolo sur litiaj ferfosfataj materialoj.
La samtempa publikigo de katodaj materialoj de olivino-strukturita fosfato (LiMPO₄) fare de Usono kaj Japanio altiris grandan atenton, ekigis ampleksan esploradon kaj rapide progresigis la industriigan procezon. Kompare kun tradiciaj litio-jonaj malĉefaj bateriaj katodaj materialoj-spinelo-strukturita litia manganoksido (LiMn₂O₄) kaj tavoligita-strukturita litia kobalta rusto (LiCoO₂)-LiMPO₄₄ havas pli malmultekostajn materialojn disponeblajn kaj ne pli malmultekostajn ekologiajn materialojn. Precipe, sekureco estis multe plibonigita, vekante grandan intereson de esploristoj kaj industrio.
Laŭ esplorrezultoj en la lastaj jaroj, litia ferfosfata materialo posedas bone-kristaligitan olivinan strukturon, kaj ĝiaj litio-jonaj difuzkanaloj diferencas de tiuj de tradiciaj katodaj materialoj. Tradiciaj katodmaterialoj havas tavoligitajn aŭ spinelstrukturojn, permesante al litiojonoj moviĝi rapide inter tavoloj aŭ en pli grandaj kanaloj, tiel dotante la materialojn per bona senŝargiĝrendimento. Kontraste, la litio-jondisvastigokanaloj en litiaj ferfosfataj materialoj estas unu-dimensiaj, signifante ke ene de la kristalo ekzistas nur "tunelo" por litio-jondisvastigo, tiel ke la litia-jona migra indico estas relative malrapida kaj la difuzdistanco estas mallonga. Precipe sub alta-rapidecaj senŝargiĝkondiĉoj, la internaj litiojonoj ne povas elmigri ĝustatempe, rezultigante signifan elektrokemian polusiĝon.
Baterioj povas esti fabrikitaj uzante puran litian ferfosfatan materialon por kontroli la suprajn konkludojn. Eksperimentoj montris, ke la kapacita utiligo de pura litia ferfosfata materialo estas tre malalta, kaj la baterio spertas rapidan kapaciton dum biciklado. Figuro 2.1 montras la biciklan rendimenton de litia-jona monĉelo farita de la aŭtoro uzante hidroterme sintezitan puran litian ferfosfaton (sen karbona tegaĵo). Videblas, ke post ĉirkaŭ 15 ŝarĝ-malŝarĝaj cikloj, la bateriokapacito malpliiĝis je pli ol 20%. Tial, pura litia ferfosfata materialo ne taŭgas por litio-jonaj bateriosistemoj.
En 2000, Hydro-Québec (H{-Q), la nacia publika utilo de Kanado, estis la unua se temas pri registrigi patentojn pri tegado de litia ferfosfato per konduktaj materialoj, inkluzive de la uzo de karbontegaĵo sur litiaj ferfosfataj materialoj. Tio ebligis litian ferfosfaton atingi altan specifan kapaciton kaj plilongigis ĝian ciklovivon al pli ol 2000 cikloj. Tio markis la komencon de la industriiga procezo de litia ferfosfato kiel katodmaterialo.
