LiFePO4 ni nini kwenye betri za lithiamu?
Utangulizi wa Nyenzo za Lithium Iron Phosphate
Fosfati ya chuma ya lithiamu (fomula ya molekuli LiFePO₄, fosfati ya chuma ya lithiamu, LFP, pia inajulikana kama fosfati ya chuma ya lithiamu au fosfati ya lithiamu yenye feri) ni nyenzo ya cathode inayotumiwa katika betri za lithiamu-ioni. Sifa zake ni kwamba haina vitu vya thamani kama vile cobalt au nikeli, bei ya malighafi ni ya chini; na kaboni, lithiamu, na chuma ni nyingi katika ukoko wa dunia, ambayo inaweza kukidhi mahitaji ya soko ya zaidi ya tani milioni moja kwa mwaka. Kama nyenzo ya cathode, fosfati ya chuma ya lithiamu ina voltage ya wastani ya kufanya kazi (3.2 V), uwezo mahususi wa juu (170 mA·h/g), nguvu ya juu ya kutokwa, uwezo wa kuchaji haraka, na maisha ya mzunguko mrefu, na uthabiti mzuri katika-joto na{6}}mazingira ya joto la juu.
Kioo cha phosphate cha chuma cha lithiamu ni cha aina moja ya muundo wa olivine. Katika mineralogy, inaitwa triphylite, inayotokana na neno la Kigiriki mizizi tri na lylon. Katika ore, rangi inaweza kuwa kijivu, nyekundu-kahawia kijivu, kahawia, au nyeusi, wakati bidhaa halisi ni nyeusi au kijivu{3}}nyeusi. Baadhi ya vifaa vya asili vya madini vina phosphate ya chuma ya lithiamu, lakini daraja ni la chini na haifikii kiwango cha matumizi ya vitendo. Fosfati ya chuma ya lithiamu ni ya kikundi cha fosfati cha mchanganyiko, na fomula yake ya jumla ya kemikali inapaswa kuwa LiMPO₄, ambapo M inaweza kuwa metali yoyote iliyogawanyika, ikiwa ni pamoja na Fe, Co, Mn, Ti, n.k. Kwa sababu kampuni ya kwanza ya kufanya biashara ya LiMPO₄ ilizalisha fosfati ya chuma ya lithiamu, watu wamezoea kutibu fosfati ya chuma ya lithiamu kama fosfati ya chuma ya lithiamu kama fosfati ya cathode pekee. Hata hivyo, kwa misombo yenye muundo wa olivine, fosfati ya chuma ya lithiamu sio pekee inayoweza kutumika kama nyenzo ya cathode katika betri za lithiamu{8}}ioni. Kulingana na maarifa ya sasa, pia kuna LiMnPO₄, LiMnFePO₄, LiVPO₄, LiCoPO₄, na nyenzo nyingine nyingi.
Asili ya nyenzo za fosfati ya chuma ya lithiamu inaweza kufuatiliwa hadi 1996, wakati kampuni ya mawasiliano ya Japan NTT iligundua kwa mara ya kwanza kwamba AMPO₄ (A ni metali ya alkali, M ni Co au Fe) yenye muundo wa olivine, ikiwa ni pamoja na LiFeCoPO₄, inaweza kutumika kama nyenzo ya lithiamu-ioni ya cathode ya betri. Baadaye, iligunduliwa na kikundi cha utafiti cha Goodenough katika Taasisi ya Teknolojia ya Massachusetts nchini Marekani, ilipokuwa ikichunguza misombo ya mifumo, kwamba nyenzo ya fosfati ya chuma ya lithiamu ina sifa inayoweza kutenduliwa ya mwingiliano wa lithiamu-ion (Li⁺) na kutenganisha. Mnamo Aprili 23, 1997, Chuo Kikuu cha Texas huko Austin kiliwasilisha hati miliki iliyoitwa "Vifaa vya Cathode kwa betri za sekondari za lithiamu zinazoweza kuchajiwa" (WO1997010541), kuashiria mwanzo wa ukiritimba wa hataza kwenye nyenzo za phosphate ya chuma ya lithiamu.
Uchapishaji wa wakati huo huo wa olivine{0}} muundo wa fosfati (LiMPO₄) nyenzo za cathode na Marekani na Japani ulivutia umakini mkubwa, ulianzisha utafiti wa kina, na kuendeleza haraka mchakato wa ukuzaji viwanda. Ikilinganishwa na nyenzo asili ya lithiamu-ioni ya cathode ya betri-spinel{4}}iliyoundwa manganese oksidi ya lithiamu (LiMn₂O₄) na oksidi ya lithiamu kobalti (LiCoO₂){5}iliyoundwa (LiCoO₂){6}}LiMPO₄ ina uchafuzi wa mazingira kwa urahisi na haina bei nafuu. Hasa, usalama umeboreshwa sana, na kuamsha shauku kubwa kutoka kwa watafiti na tasnia.
Kulingana na matokeo ya utafiti katika miaka ya hivi majuzi, nyenzo za fosfeti ya chuma ya lithiamu ina-muundo wa olivine ulioangaziwa vizuri, na njia zake za uenezaji wa lithiamu{1}}ioni hutofautiana na zile za nyenzo za kitamaduni za cathode. Nyenzo za cathode za jadi zina miundo ya safu au spinel, kuruhusu ioni za lithiamu kusonga kwa kasi kati ya tabaka au katika njia kubwa, na hivyo kutoa nyenzo kwa utendaji mzuri wa kutokwa. Kinyume chake, chaneli za uenezaji wa lithiamu-ioni katika nyenzo za fosfati ya chuma ya lithiamu ni moja-umbo moja, kumaanisha kuwa ndani ya fuwele kuna "handaki" tu la usambaaji wa lithiamu-ioni, kwa hivyo kasi ya uhamiaji ya lithiamu{7}}ioni ni polepole na umbali wa usambaaji ni mfupi. Hasa chini ya-hali ya umwagaji wa kiwango cha juu, ayoni za lithiamu za ndani haziwezi kuhama kwa wakati, na hivyo kusababisha mgawanyiko mkubwa wa kemikali ya kielektroniki.
Betri zinaweza kutengenezwa kwa kutumia nyenzo safi ya fosfeti ya chuma ya lithiamu ili kuthibitisha hitimisho lililo hapo juu. Majaribio yameonyesha kuwa uwezo wa utumiaji wa nyenzo safi ya fosforasi ya chuma ya lithiamu ni mdogo sana, na betri hupata uharibifu wa haraka wa uwezo wakati wa kuendesha baiskeli. Mchoro 2.1 unaonyesha utendaji wa baiskeli ya seli ya lithiamu-ya ioni iliyotengenezwa na mwandishi kwa kutumia fosfati ya chuma ya lithiamu iliyosanisiwa kwa njia ya maji (bila kupaka kaboni). Inaweza kuonekana kuwa baada ya takriban mizunguko 15 ya chaji-kutokwa, uwezo wa betri umeharibika kwa zaidi ya 20%. Kwa hivyo, nyenzo safi ya fosfeti ya chuma ya lithiamu haifai kwa mifumo ya betri ya lithiamu-ioni.
Mnamo mwaka wa 2000, Hydro-Québec (H-Q), shirika la umma la Kanada, lilikuwa la kwanza kuwasilisha hati miliki za kupaka fosfati ya chuma ya lithiamu kwa nyenzo za upitishaji, ikiwa ni pamoja na matumizi ya mipako ya kaboni kwenye nyenzo za phosphate ya chuma cha lithiamu. Hii iliwezesha phosphate ya chuma ya lithiamu kufikia uwezo maalum wa juu na kupanua maisha yake ya mzunguko hadi zaidi ya mizunguko 2000. Hii iliashiria mwanzo wa mchakato wa ukuaji wa viwanda wa phosphate ya chuma ya lithiamu kama nyenzo ya cathode.
