Zer da LiFePO4 litiozko baterietan?
Litio Burdin Fosfatoen Materialen Sarrera
Litio burdin fosfatoa (LiFePO₄ formula molekularra, litio burdin fosfatoa, LFP, litio burdin fosfato edo litio fosfato ferrosoa izenez ere ezaguna) litio -ioietako baterietan erabiltzen den katodo-materiala da. Bere ezaugarriak dira ez duela kobaltoa edo nikela bezalako elementu preziatuak eduki, lehengaien prezioa baxua da; eta karbonoa, litioa eta burdina ugariak dira lurrazalean, eta horrek urtean milioi bat tona baino gehiagoko merkatuaren eskaria ase dezake. Material katodo gisa, litio-burdin fosfatoak lan-tentsio moderatua (3,2 V), gaitasun espezifiko handia (170 mA·h/g), deskarga-potentzia handia, kargatzeko ahalmen azkarra eta ziklo-bizitza luzea du, egonkortasun ona du -tenperatura eta -bero handiko inguruneetan.
Litio burdin fosfatoaren kristala olibinoaren egitura mota batekoa da. Mineralogian, trifilita deitzen zaio, grezierazko tri eta lylon sustraietatik eratorria. Minetan, kolorea grisa, gorrixka-marroia grisa, marroia edo beltza izan daiteke, eta benetako produktuak beltzak edo grisak-beltzak dira. Material mineral jakin batzuek litio burdin fosfatoa dute, baina kalifikazioa baxua da eta ez da aplikazio praktikora iristen. Litio burdin fosfatoa fosfato konposatuen kategorian dago, eta bere formula kimiko orokorrak LiMPO₄ izan behar du, non M edozein metal dibalente izan daitekeen, Fe, Co, Mn, Ti, etab barne. LiMPO₄ ekoitzitako litio burdin fosfatoa merkaturatzen duen lehen konpainia denez, jendea ohitu egin da litio fosfato konposatuaren material gisa tratatzera. Hala ere, olibino egitura duten konposatuentzat, litio-burdin fosfatoa ez da litio-ioietako baterietan katodo-material gisa erabil daitekeen bakarra. Gaur egungo ezagutzaren arabera, LiMnPO₄, LiMnFePO₄, LiVPO₄, LiCoPO₄ eta beste hainbat material ere badaude.
Litio-burdin fosfatoko materialen jatorria 1996an kokatu daiteke, Japoniako NTT telekomunikazio enpresak lehen aldiz aurkitu zuen AMPO₄ (A metal alkalinoa da, M Co edo Fe) olibino-egiturarekin, LiFeCoPO₄ konbinatuta, litio -ioizko bateria katodoaren material gisa erabil daitekeela. Geroago, Estatu Batuetako Massachusetts Institute of Technology-ko Goodenough ikerketa-taldeak aurkitu zuen, marko-konposatuak aztertzen ari zirela, litio-burdin fosfatoaren materialak litio-ioi (Li⁺) interkalazioaren eta desinterkalazioaren propietate itzulgarria duela. 1997ko apirilaren 23an, Austingo Texasko Unibertsitateak "Cathode materials for rechargeable secondary batteries" (WO1997010541) izeneko patentea aurkeztu zuen, litio burdin fosfato materialen patentearen monopolioaren hasiera markatuz.
Estatu Batuek eta Japoniak olibino-fosfato egituratua (LiMPO₄) katodoko materialen aldi berean argitaratzeak arreta handia erakarri zuen, ikerketa zabalak eragin zituen eta industrializazio prozesua azkar aurreratu zuen. Litio-ioizko bigarren mailako bateria katodoko material tradizionalekin alderatuta-espinela-egituratutako litio manganeso oxidoa (LiMn₂O₄) eta geruzak-egituratua litio kobalto oxidoa (LiCoO₂)-LiMPO₄ material merkeagorik ez du eskuragarri eta ingurumen-poltsak ez du eskuragarri. Bereziki, segurtasuna asko hobetu da, ikertzaileen eta industriaren interes handia piztuz.
Azken urteotako ikerketen emaitzen arabera, litio-burdina fosfatoaren materialak ondo-kristalizatutako olibino-egitura du, eta bere litio-ioi-{1}}difusio-kanalak katodoen material tradizionalenetatik desberdinak dira. Material katodo tradizionalak geruza edo espinela egiturak dituzte, litio ioiak geruzen artean edo kanal handiagoetan bizkor mugitzeko aukera ematen baitute, materialak deskarga-errendimendu onarekin hornituz. Aitzitik, litio-ioiaren difusio-kanalak litio-ioiaren difusio-kanalak-dimentsio bakarrekoak dira, hau da, kristalaren barruan litio-ioiaren difusiorako "tunel" bat besterik ez dago; beraz, litio-ioiaren migrazio-abiadura nahiko motela da eta difusio-distantzia laburra da. Batez ere deskarga-abiadura handiko baldintzetan, barneko litio ioiak ezin dira denboran migratu, eta ondorioz, polarizazio elektrokimiko garrantzitsua da.
Bateriak litio-burdina fosfatozko material purua erabiliz fabrikatu daitezke goiko ondorioak egiaztatzeko. Esperimentuek frogatu dute litio-burdina fosfato material puruaren ahalmenaren erabilera oso baxua dela eta bateriak gaitasun azkarra usteltzen duela bizikletan zehar. 2.1 irudiak litio-ko txanpon-zelula baten ziklo-errendimendua erakusten du egileak hidrotermikoki sintetizatutako litio burdin fosfato purua erabiliz (karbono estaldurarik gabe). Ikusten denez, gutxi gorabehera 15 karga-deskarga zikloren ondoren, bateriaren edukiera %20 baino gehiago jaitsi da. Hori dela eta, litio-burdin fosfatozko material purua ez da egokia litio-ioizko bateria-sistemetarako.
2000. urtean, Hydro-Québec (H{-Q), Kanadako zerbitzu publiko nazionala, litio burdin fosfatoa material eroaleekin estaltzeko patenteak aurkeztu zituen lehena izan zen, litio burdin fosfatoko materialen karbono estaldura erabiltzea barne. Horri esker, litio-burdin fosfatoari ahalmen espezifiko handia lortu eta bere ziklo-bizitza 2000 ziklo baino gehiago luzatu zuen. Honek litio-burdin fosfatoaren industrializazio-prozesuaren hasiera markatu zuen katodo-material gisa.
