LiFePO4 trong pin lithium là gì??
Giới thiệu về vật liệu Lithium Iron Phosphate
Liti sắt photphat (công thức phân tử LiFePO₄, liti sắt photphat, LFP, còn được gọi là liti sắt photphat hoặc sắt liti photphat) là vật liệu làm cực âm được sử dụng trong pin lithium{0}}ion. Đặc điểm của nó là không chứa các nguyên tố quý như coban hay niken, giá nguyên liệu thấp; còn carbon, lithium và sắt có rất nhiều trong vỏ trái đất, có thể đáp ứng nhu cầu thị trường hơn một triệu tấn mỗi năm. Là vật liệu cực âm, lithium sắt photphat có điện áp làm việc vừa phải (3,2 V), công suất riêng cao (170 mA·h/g), công suất phóng điện cao, khả năng sạc nhanh và tuổi thọ dài, có độ ổn định tốt trong môi trường-nhiệt độ cao và nhiệt độ{6}}cao.
Tinh thể lithium sắt photphat thuộc một loại cấu trúc olivin. Trong khoáng vật học, nó được đặt tên là triphylite, bắt nguồn từ gốc từ Hy Lạp tri và lylon. Trong quặng, màu có thể là xám, xám đỏ-nâu, nâu hoặc đen, trong khi sản phẩm thực tế có màu đen hoặc xám-đen. Một số vật liệu khoáng thiên nhiên có chứa lithium sắt photphat, nhưng cấp độ thấp và không đạt đến mức độ ứng dụng thực tế. Liti sắt photphat thuộc loại photphat tổng hợp và công thức hóa học chung của nó phải là LiMPO₄, trong đó M có thể là bất kỳ kim loại hóa trị hai nào, bao gồm Fe, Co, Mn, Ti, v.v. Bởi vì công ty đầu tiên thương mại hóa LiMPO₄ sản xuất liti sắt photphat nên mọi người đã quen với việc coi liti sắt photphat là vật liệu catốt photphat tổng hợp duy nhất. Tuy nhiên, đối với các hợp chất có cấu trúc olivin, lithium sắt photphat không phải là chất duy nhất có thể được sử dụng làm vật liệu cực âm trong pin lithium{8}}ion. Theo kiến thức hiện nay còn có LiMnPO₄, LiMnFePO₄, LiVPO₄, LiCoPO₄ và nhiều loại vật liệu khác.
Nguồn gốc của vật liệu lithium sắt photphat có thể bắt nguồn từ năm 1996, khi công ty viễn thông NTT của Nhật Bản lần đầu tiên phát hiện ra rằng AMPO₄ (A là kim loại kiềm, M là Co hoặc Fe) có cấu trúc olivin, khi kết hợp với LiFeCoPO₄, có thể được sử dụng làm vật liệu cực âm của pin lithium{1}}ion. Sau đó, nhóm nghiên cứu Goodenough tại Viện Công nghệ Massachusetts ở Hoa Kỳ đã phát hiện ra rằng trong khi nghiên cứu các hợp chất khung, vật liệu lithium sắt photphat có đặc tính thuận nghịch của sự xen kẽ và khử xen kẽ ion lithium- (Li⁺). Vào ngày 23 tháng 4 năm 1997, Đại học Texas ở Austin đã nộp bằng sáng chế có tiêu đề "Vật liệu cực âm cho pin thứ cấp lithium có thể sạc lại" (WO1997010541), đánh dấu sự khởi đầu độc quyền bằng sáng chế đối với vật liệu lithium sắt photphat.
Việc Hoa Kỳ và Nhật Bản xuất bản đồng thời vật liệu catốt photphat có cấu trúc olivin-(LiMPO₄) đã thu hút sự chú ý lớn, thúc đẩy nghiên cứu sâu rộng và thúc đẩy nhanh chóng quá trình công nghiệp hóa. So với vật liệu catốt pin thứ cấp lithium-ion truyền thống-spinel-oxit mangan lithium có cấu trúc (LiMn₂O₄) và oxit lithium coban có cấu trúc lớp-(LiCoO₂)-LiMPO₄ có nguyên liệu thô rẻ hơn và phổ biến rộng rãi hơn mà không gây ô nhiễm môi trường. Đặc biệt, độ an toàn đã được cải thiện rất nhiều, thu hút sự quan tâm lớn từ các nhà nghiên cứu và ngành công nghiệp.
Theo kết quả nghiên cứu trong những năm gần đây, vật liệu lithium sắt photphat có cấu trúc olivin-kết tinh tốt và các kênh khuếch tán ion lithium- của nó khác với các kênh khuếch tán ion của vật liệu catốt truyền thống. Vật liệu catốt truyền thống có cấu trúc phân lớp hoặc Spinel, cho phép các ion lithium di chuyển nhanh chóng giữa các lớp hoặc trong các kênh lớn hơn, do đó mang lại cho vật liệu hiệu suất phóng điện tốt. Ngược lại, các kênh khuếch tán ion lithium-trong vật liệu lithium sắt photphat là một-chiều, nghĩa là bên trong tinh thể chỉ có một "đường hầm" để khuếch tán ion lithium{6}}, do đó tốc độ di chuyển ion lithium-tương đối chậm và khoảng cách khuếch tán ngắn. Đặc biệt là trong điều kiện phóng điện tốc độ cao, các ion lithium bên trong không thể di chuyển ra ngoài kịp thời, dẫn đến sự phân cực điện hóa đáng kể.
Pin có thể được chế tạo bằng vật liệu lithium sắt photphat nguyên chất để xác minh các kết luận trên. Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng công suất sử dụng của vật liệu lithium sắt photphat nguyên chất là rất thấp và pin bị suy giảm công suất nhanh chóng trong quá trình đạp xe. Hình 2.1 cho thấy hiệu suất chu trình của pin lithium-ion đồng xu do tác giả chế tạo bằng cách sử dụng lithium sắt phosphate tinh khiết được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt (không có lớp phủ carbon). Có thể thấy, sau khoảng 15 chu kỳ sạc-xả, dung lượng pin đã sụt giảm hơn 20%. Do đó, vật liệu lithium sắt photphat nguyên chất không phù hợp với hệ thống pin lithium{8}}ion.
Năm 2000, Hydro-Québec (H-Q), cơ quan công ích quốc gia của Canada, là cơ quan đầu tiên nộp bằng sáng chế về việc phủ lithium sắt photphat bằng vật liệu dẫn điện, bao gồm cả việc sử dụng lớp phủ cacbon trên vật liệu lithium sắt photphat. Điều này cho phép lithium iron phosphate đạt được công suất riêng cao và kéo dài vòng đời của nó lên hơn 2000 chu kỳ. Điều này đánh dấu sự khởi đầu của quá trình công nghiệp hóa lithium sắt photphat làm vật liệu catốt.
