LiFePO4 ในแบตเตอรี่ลิเธียมคืออะไร??
รู้เบื้องต้นเกี่ยวกับวัสดุลิเธียมเหล็กฟอสเฟต
ลิเธียมเหล็กฟอสเฟต (สูตรโมเลกุล LiFePO₄, ลิเธียมเหล็กฟอสเฟต, LFP หรือที่รู้จักกันในชื่อลิเธียมเหล็กฟอสเฟตหรือลิเธียมฟอสเฟตที่เป็นเหล็ก) เป็นวัสดุแคโทดที่ใช้ในแบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออน ลักษณะคือไม่มีองค์ประกอบที่มีค่าเช่นโคบอลต์หรือนิกเกิล ราคาวัตถุดิบต่ำ คาร์บอน ลิเธียม และเหล็กมีอยู่มากมายในเปลือกโลก ซึ่งสามารถตอบสนองความต้องการของตลาดได้มากกว่าหนึ่งล้านตันต่อปี ลิเธียมเหล็กฟอสเฟตเป็นวัสดุแคโทดซึ่งมีแรงดันไฟฟ้าทำงานปานกลาง (3.2 V) ความจุจำเพาะสูง (170 mA·h/g) กำลังจ่ายสูง ความสามารถในการชาร์จที่รวดเร็ว และอายุการใช้งานยาวนาน โดยมีเสถียรภาพที่ดีในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง-และ-ความร้อนสูง
ผลึกลิเธียมเหล็กฟอสเฟตเป็นของโครงสร้างโอลิวีนประเภทหนึ่ง ในแร่วิทยา เรียกว่า triphylite ซึ่งมาจากคำภาษากรีกว่า tri และ lylon ในแร่ สีอาจเป็นสีเทา สีแดง-น้ำตาลเทา น้ำตาลหรือดำ ในขณะที่ผลิตภัณฑ์จริงจะเป็นสีดำหรือสีเทา-สีดำ วัสดุแร่ธรรมชาติบางชนิดมีลิเธียมเหล็กฟอสเฟต แต่มีเกรดต่ำและไม่ถึงระดับการใช้งานจริง ลิเธียมเหล็กฟอสเฟตอยู่ในหมวดหมู่คอมโพสิตฟอสเฟต และสูตรทางเคมีทั่วไปควรเป็น LiMPO₄ โดยที่ M อาจเป็นโลหะไดวาเลนต์ใดๆ ก็ได้ รวมถึง Fe, Co, Mn, Ti เป็นต้น เนื่องจากบริษัทแรกที่ทำการค้า LiMPO₄ ผลิตลิเธียมเหล็กฟอสเฟต ผู้คนจึงคุ้นเคยกับการรักษาลิเธียมเหล็กฟอสเฟตในฐานะวัสดุแคโทดคอมโพสิตฟอสเฟตเพียงชนิดเดียว อย่างไรก็ตาม สำหรับสารประกอบที่มีโครงสร้างโอลิวีน ลิเธียมเหล็กฟอสเฟตไม่ใช่ชนิดเดียวที่สามารถใช้เป็นวัสดุแคโทดในแบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออนได้ ตามความรู้ในปัจจุบัน ยังมี LiMnPO₄, LiMnFePO₄, LiVPO₄, LiCoPO₄ และวัสดุอื่นๆ อีกมากมาย
ต้นกำเนิดของวัสดุลิเธียมเหล็กฟอสเฟตสามารถย้อนกลับไปในปี 1996 เมื่อบริษัทโทรคมนาคมของญี่ปุ่น NTT ค้นพบครั้งแรกว่า AMPO₄ (A คือโลหะอัลคาไล, M คือ Co หรือ Fe) ที่มีโครงสร้างโอลิวีน เมื่อใช้ร่วมกับ LiFeCoPO₄ นั้น สามารถใช้เป็นวัสดุแคโทดของแบตเตอรี่ลิเธียม-ได้ ต่อมา กลุ่มวิจัย Goodenough ที่สถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ในสหรัฐอเมริกาค้นพบ ขณะศึกษาสารประกอบเฟรมเวิร์กว่าวัสดุลิเธียมเหล็กฟอสเฟตมีคุณสมบัติผันกลับได้ของลิเทียม-ไอออน (Li⁺) อินเทอร์คาเลชันและดีอินเทอร์คาเลชัน เมื่อวันที่ 23 เมษายน พ.ศ. 2540 มหาวิทยาลัยเท็กซัสที่ออสตินได้ยื่นสิทธิบัตรในหัวข้อ "วัสดุแคโทดสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมทุติยภูมิแบบชาร์จไฟได้" (WO1997010541) ซึ่งถือเป็นจุดเริ่มต้นของการผูกขาดสิทธิบัตรสำหรับวัสดุลิเธียมเหล็กฟอสเฟต
การตีพิมพ์วัสดุแคโทดที่มีโครงสร้างโอลิวีน-ฟอสเฟต (LiMPO₄) พร้อมกันโดยสหรัฐอเมริกาและญี่ปุ่นดึงดูดความสนใจอย่างมาก ก่อให้เกิดการวิจัยอย่างกว้างขวาง และทำให้กระบวนการทางอุตสาหกรรมก้าวหน้าอย่างรวดเร็ว เมื่อเปรียบเทียบกับลิเธียม-ไอออนทุติยภูมิแบบเดิม วัสดุแคโทด-สปิเนล-ลิเธียมแมงกานีสออกไซด์ที่มีโครงสร้าง (LiMn₂O₄) และ-ลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์ที่มีโครงสร้างแบบชั้น (LiCoO₂)-LiMPO₄ มีวัตถุดิบที่มีจำหน่ายอย่างกว้างขวางกว่าและราคาถูกกว่า โดยไม่มีมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อม โดยเฉพาะอย่างยิ่งความปลอดภัยได้รับการปรับปรุงอย่างมาก ทำให้เกิดความสนใจอย่างมากจากนักวิจัยและอุตสาหกรรม
จากผลการวิจัยในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา วัสดุลิเธียมเหล็กฟอสเฟตมีโครงสร้างโอลิวีนที่ตกผลึกอย่างดี- และช่องการแพร่กระจายของลิเธียม-ไอออนนั้นแตกต่างจากวัสดุแคโทดแบบดั้งเดิม วัสดุแคโทดแบบดั้งเดิมมีโครงสร้างเป็นชั้นหรือสปิเนล ช่วยให้ลิเธียมไอออนเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วระหว่างชั้นหรือในช่องที่ใหญ่ขึ้น ส่งผลให้วัสดุมีประสิทธิภาพการปล่อยประจุที่ดี ในทางตรงกันข้าม ช่องการแพร่กระจายของลิเธียม-ไอออนในวัสดุลิเธียมเหล็กฟอสเฟตนั้นเป็นหนึ่ง-มิติ ซึ่งหมายความว่าภายในคริสตัลนั้นมีเพียง "อุโมงค์" สำหรับการแพร่กระจายของลิเธียม-ไอออน ดังนั้นอัตราการย้ายของลิเธียม-ไอออนจึงค่อนข้างช้าและระยะการแพร่กระจายนั้นสั้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งภายใต้สภาวะการปล่อยประจุที่มีอัตราการไหลสูง- ไอออนลิเธียมภายในจะไม่สามารถเคลื่อนย้ายออกไปได้ทันเวลา ซึ่งส่งผลให้เกิดโพลาไรเซชันทางเคมีไฟฟ้าอย่างมีนัยสำคัญ
สามารถประดิษฐ์แบตเตอรี่ได้โดยใช้วัสดุลิเธียมเหล็กฟอสเฟตบริสุทธิ์เพื่อตรวจสอบข้อสรุปข้างต้น การทดลองแสดงให้เห็นว่าการใช้กำลังการผลิตของวัสดุลิเธียมเหล็กฟอสเฟตบริสุทธิ์ต่ำมากและความจุของแบตเตอรี่จะลดลงอย่างรวดเร็วในระหว่างการปั่นจักรยาน รูปที่ 2.1 แสดงประสิทธิภาพการหมุนเวียนของเซลล์เหรียญลิเธียม-ที่สร้างขึ้นโดยผู้เขียนโดยใช้ลิเธียมเหล็กฟอสเฟตบริสุทธิ์สังเคราะห์ด้วยไฮโดรเทอร์มอล (ไม่มีการเคลือบคาร์บอน) จะเห็นได้ว่าหลังจากรอบการชาร์จและคายประจุประมาณ 15 รอบ ความจุของแบตเตอรี่ลดลงมากกว่า 20% ดังนั้น วัสดุลิเธียมเหล็กฟอสเฟตบริสุทธิ์จึงไม่เหมาะสำหรับระบบแบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออน
ในปี 2000 Hydro-Québec (H-Q) ซึ่งเป็นสาธารณูปโภคระดับชาติของแคนาดา เป็นคนแรกที่ยื่นสิทธิบัตรเกี่ยวกับการเคลือบลิเธียมเหล็กฟอสเฟตด้วยวัสดุที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า รวมถึงการใช้การเคลือบคาร์บอนกับวัสดุลิเธียมเหล็กฟอสเฟต สิ่งนี้ทำให้ลิเธียมเหล็กฟอสเฟตได้รับกำลังการผลิตจำเพาะสูงและยืดอายุการใช้งานของวงจรได้มากกว่า 2,000 รอบ นี่เป็นจุดเริ่มต้นของกระบวนการทางอุตสาหกรรมของลิเธียมเหล็กฟอสเฟตในฐานะวัสดุแคโทด
