Beth yw LiFePO4 mewn batris lithiwm ??
Cyflwyniad i Ddeunyddiau Ffosffad Haearn Lithiwm
Mae ffosffad haearn lithiwm (fformiwla foleciwlaidd LiFePO₄, ffosffad haearn lithiwm, LFP, a elwir hefyd yn ffosffad haearn lithiwm neu ffosffad lithiwm fferrus) yn ddeunydd catod a ddefnyddir mewn batris ïon lithiwm. Ei nodweddion yw nad yw'n cynnwys elfennau gwerthfawr megis cobalt neu nicel, mae pris deunydd crai yn isel; ac mae carbon, lithiwm a haearn yn helaeth yng nghramen y ddaear, a all fodloni galw'r farchnad o fwy na miliwn o dunelli y flwyddyn. Fel deunydd catod, mae gan ffosffad haearn lithiwm foltedd gweithio cymedrol (3.2 V), cynhwysedd penodol uchel (170 mA·h/g), pŵer gollwng uchel, gallu gwefru cyflym, a bywyd beicio hir, gyda sefydlogrwydd da mewn amgylcheddau tymheredd uchel a gwres uchel.
Mae'r grisial ffosffad haearn lithiwm yn perthyn i un math o strwythur olivine. Mewn mwynoleg, fe'i enwir yn driffylit, sy'n deillio o'r gair Groeg gwreiddiau tri a lylon. Mewn mwynau, gall y lliw fod yn llwyd, coch-brown llwyd, brown, neu ddu, tra bod cynhyrchion gwirioneddol yn ddu neu'n llwyd-du. Mae rhai deunyddiau mwynol naturiol yn cynnwys ffosffad haearn lithiwm, ond mae'r radd yn isel ac nid yw'n cyrraedd lefel y cymhwysiad ymarferol. Mae ffosffad haearn lithiwm yn perthyn i'r categori ffosffad cyfansawdd, a dylai ei fformiwla gemegol gyffredinol fod yn LiMPO₄, lle gall M fod yn unrhyw fetel divalent, gan gynnwys Fe, Co, Mn, Ti, ac ati Oherwydd bod y cwmni cyntaf i fasnacheiddio LiMPO₄ a gynhyrchir ffosffad haearn lithiwm, mae pobl wedi dod yn gyfarwydd â thrin ffosffad haearn lithiwm fel yr unig ddeunydd cyfansawdd ffosffad ffosffad. Fodd bynnag, ar gyfer cyfansoddion â'r strwythur olivine, nid ffosffad haearn lithiwm yw'r unig un y gellir ei ddefnyddio fel deunydd catod mewn batris ïon lithiwm. Yn ôl y wybodaeth gyfredol, mae yna hefyd LiMnPO₄, LiMnFePO₄, LiVPO₄, LiCoPO₄, a llawer o ddeunyddiau eraill.
Gellir olrhain tarddiad deunyddiau ffosffad haearn lithiwm yn ôl i 1996, pan ddarganfu cwmni telathrebu Japan NTT gyntaf fod AMPO₄ (A yn fetel alcali, M yw Co neu Fe) gyda strwythur olivine, yn y cyfuniad o LiFeCoPO₄, gellir ei ddefnyddio fel deunydd catod batri lithiwm-. Yn dilyn hynny, darganfuwyd gan grŵp ymchwil Goodenough yn Sefydliad Technoleg Massachusetts yn yr Unol Daleithiau, wrth astudio cyfansoddion fframwaith, fod gan ddeunydd ffosffad haearn lithiwm yr eiddo cildroadwy o ryngcaliad a deintercalation lithiwm{3}}ion (Li⁺). Ar Ebrill 23, 1997, ffeiliodd Prifysgol Texas yn Austin batent o'r enw "Deunyddiau Cathod ar gyfer batris eilaidd lithiwm y gellir eu hailwefru" (WO1997010541), gan nodi dechrau'r monopoli patent ar ddeunyddiau ffosffad haearn lithiwm.
Denodd cyhoeddi deunyddiau catod ffosffad strwythuredig olivine (LiMPO₄) ar yr un pryd gan yr Unol Daleithiau a Japan sylw mawr, ysgogodd ymchwil helaeth, a datblygodd y broses ddiwydiannu yn gyflym. O'i gymharu â deunyddiau catod batri eilaidd ïon lithiwm traddodiadol, mae gan LiMPO₄ ddeunyddiau crai ar gael yn ehangach ac yn rhatach i'r amgylchedd. Yn benodol, mae diogelwch wedi gwella'n fawr, gan ennyn diddordeb mawr gan ymchwilwyr a diwydiant.
Yn ôl canlyniadau ymchwil yn y blynyddoedd diwethaf, mae gan ddeunydd ffosffad haearn lithiwm strwythur olivine crisialog, ac mae ei sianeli tryledu ïon lithiwm yn wahanol i rai deunyddiau catod traddodiadol. Mae gan ddeunyddiau catod traddodiadol strwythurau haenog neu asgwrn cefn, sy'n caniatáu i ïonau lithiwm symud yn gyflym rhwng haenau neu mewn sianeli mwy, gan roi perfformiad rhyddhau da i'r deunyddiau. Mewn cyferbyniad, mae'r sianeli tryledu ïon lithiwm mewn deunyddiau ffosffad haearn lithiwm yn un dimensiwn, sy'n golygu mai dim ond "twnnel" o fewn y grisial sydd ar gyfer trylediad ïon lithiwm, felly mae cyfradd mudo ïon lithiwm yn gymharol araf ac mae'r pellter trylediad yn fyr. Yn enwedig o dan amodau rhyddhau cyfradd uchel, ni all yr ïonau lithiwm mewnol ymfudo mewn amser, gan arwain at polareiddio electrocemegol sylweddol.
Gellir gwneud batris gan ddefnyddio deunydd ffosffad haearn lithiwm pur i wirio'r casgliadau uchod. Mae arbrofion wedi dangos bod y defnydd o gapasiti deunydd ffosffad haearn lithiwm pur yn isel iawn, ac mae'r batri yn profi dirywiad cynhwysedd cyflym yn ystod beicio. Mae Ffigur 2.1 yn dangos perfformiad beicio cell darn arian ïon lithiwm a wnaed gan yr awdur gan ddefnyddio ffosffad haearn lithiwm pur wedi'i syntheseiddio â hydrotherm (heb orchudd carbon). Gellir gweld, ar ôl tua 15 o gylchoedd gwefru-rhyddhau, bod cynhwysedd y batri wedi pydru mwy nag 20%. Felly, nid yw deunydd ffosffad haearn lithiwm pur yn addas ar gyfer systemau batri ïon lithiwm.
Yn 2000, Hydro-Québec (H{-Q), cyfleustodau cyhoeddus cenedlaethol Canada, oedd y cyntaf i ffeilio patentau ar orchuddio ffosffad haearn lithiwm â deunyddiau dargludol, gan gynnwys defnyddio cotio carbon ar ddeunyddiau ffosffad haearn lithiwm. Roedd hyn yn galluogi ffosffad haearn lithiwm i gyflawni gallu penodol uchel ac ymestyn ei oes beicio i fwy na 2000 o gylchoedd. Roedd hyn yn nodi dechrau'r broses ddiwydiannu o ffosffad haearn lithiwm fel deunydd catod.
