Литий батарейкаларында LiFePO4 деген эмне?
Литий темир фосфаттык материалдарга киришүү
Литий темир фосфаты (молекулярдык формула LiFePO₄, литий темир фосфаты, LFP, ошондой эле литий темир фосфаты же темир литий фосфаты катары белгилүү) литий{0}}иондук батареяларда колдонулган катод материалы. Анын өзгөчөлүгү - курамында кобальт же никель сыяктуу баалуу элементтер жок, чийки заттын баасы төмөн; ал эми көмүртек, литий жана темир жер кыртышында арбын, алар жылына бир миллион тоннадан ашык рыноктун суроо-талабын канааттандыра алат. Катоддук материал катары литий темир фосфаты орточо жумушчу чыңалууга (3,2 В), жогорку өзгөчө сыйымдуулукка (170 мА·саат/г), жогорку разряддык кубаттуулукка, тез кубаттоо жөндөмүнө жана узак цикл өмүрүнө ээ, жогорку-температурада жана жогорку- жылуулук чөйрөлөрүндө жакшы туруктуулукка ээ.
Литий темир фосфат кристалл оливин түзүлүшүнүн бир түрүнө кирет. Минералогияда ал трифилит деп аталып, три жана лилон деген грек сөзүнөн келип чыккан. Рудалардын түсү боз, кызгылт{2}}күрөң боз, күрөң же кара болушу мүмкүн, ал эми чыныгы өнүмдөр кара же боз-кара. Кээ бир табигый минералдык материалдардын курамында литий темир фосфаты бар, бирок анын сорту төмөн жана практикалык колдонуу деңгээлине жетпейт. Литий темир фосфаты композициялык фосфат категориясына кирет жана анын жалпы химиялык формуласы LiMPO₄ болушу керек, мында M ар кандай эки валенттүү металл болушу мүмкүн, анын ичинде Fe, Co, Mn, Ti ж.б. катоддук материал. Бирок, оливин түзүлүшү бар кошулмалар үчүн литий-иондук батареяларда катод материалы катары колдонула турган жалгыз литий темир фосфаты эмес. Азыркы билимге ылайык, LiMnPO₄, LiMnFePO₄, LiVPO₄, LiCoPO₄ жана башка көптөгөн материалдар да бар.
Литий темир фосфат материалдарынын келип чыгышын 1996-жылы Япониянын NTT телекоммуникация компаниясы биринчи жолу LiFeCoPO₄ айкалышында AMPO₄ (A - щелочтуу металл, М - Co же Fe) түзүмүн LiFeCoPO₄ айкалышында литий{1}}иондук батарейка катары колдонсо болорун аныктаган кезде байкалат. Кийинчерээк Америка Кошмо Штаттарынын Массачусетс технологиялык институтунун Гуденоу изилдөө тобу рамкалык кошулмаларды изилдеп жатып, литий темир фосфат материалы литий-ионунун (Li⁺) интеркалациясынын жана деинтеркалациясынын кайтарымдуулугуна ээ экенин аныкташкан. 1997-жылдын 23-апрелинде Остиндеги Техас университети литий-темир фосфат материалдарына патенттик монополиянын башталышын белгилеген "Катоддук материалдар кайра заряддалуучу литий экинчи батареялары үчүн" (WO1997010541) аттуу патентти тапшырган.
Америка Кошмо Штаттары жана Япония тарабынан оливин{0}}структуралуу фосфат (LiMPO₄) катод материалдарынын бир убакта жарыяланышы чоң көңүл буруп, кеңири изилдөөлөрдү жүргүзүп, индустриялаштыруу процессин тездик менен алга жылдырды. Салттуу литий-иондук батареянын катоддук материалдары менен салыштырганда{3}}шпинель-структуралуу литий марганец оксиди (LiMn₂O₄) жана катмарлуу-структуралуу литий кобальт оксиди (LiCoO₂)₄₄ жана экологиялык жактан кеңири жеткиликтүү материалдар жок{6}}. булгануу. Атап айтканда, коопсуздук абдан жакшыртылган, изилдөөчүлөрдүн жана өндүрүштүн зор кызыгуусун туудурган.
Акыркы жылдардагы изилдөөлөрдүн натыйжаларына ылайык, литий темир фосфат материалы-жакшы кристаллдаштырылган оливин структурасына ээ жана анын литий-диффузия каналдары салттуу катоддук материалдардан айырмаланат. Салттуу катоддук материалдар катмарлуу же шпинель структураларына ээ, бул литий иондорунун катмарлар арасында же чоңураак каналдарда тез жылышына мүмкүндүк берет, ошентип материалдарга жакшы разряддык көрсөткүчтөрдү берет. Ал эми, литий темир фосфат материалдарындагы литий-иондун диффузиялык каналдары бир өлчөмдүү, башкача айтканда, кристаллдын ичинде литий-ионунун диффузиясы үчүн бир гана "туннель" бар, ошондуктан литий-ионунун өтүү ылдамдыгы салыштырмалуу жай.ffdiu. Айрыкча жогорку-разряддын шарттарында ички литий иондору өз убагында сыртка чыга албай, олуттуу электрохимиялык поляризацияга алып келет.
Батареялар жогорудагы корутундуларды текшерүү үчүн таза литий темир фосфаттык материалды колдонуу менен жасалышы мүмкүн. Тажрыйбалар көрсөткөндөй, таза литий темир фосфат материалынын кубаттуулугун пайдалануу өтө төмөн, ал эми батарейка велосипед тебүү учурунда кубаттуулугу тез бузулат. 2.1-сүрөттө автор тарабынан гидротермикалык синтезделген таза литий темир фосфатынын (көмүртек каптоосу жок) жардамы менен жасалган литий-иондук монета клеткасынын циклдик көрсөткүчү көрсөтүлгөн. Болжол менен 15 заряддоо-разряддан кийин, батареянын сыйымдуулугу 20% дан ашык азайып кеткенин көрүүгө болот. Демек, таза литий темир фосфат материалы литий-батарея системалары үчүн ылайыктуу эмес.
2000-жылы Канаданын улуттук коммуналдык ишканасы Hydro-Quebec (H-Q) биринчи болуп литий темир фосфатын өткөргүч материалдар менен каптоого, анын ичинде литий темир фосфат материалдарына көмүртек каптоосун колдонууга патент берген. Бул литий темир фосфатына жогорку өзгөчө кубаттуулукка жетишүүгө мүмкүндүк берди жана анын циклинин мөөнөтүн 2000 циклден ашык узартты. Бул катоддук материал катары литий темир фосфатын индустриялаштыруу процессинин башталышын белгиледи.
