ലിഥിയം ബാറ്ററികളിലെ LiFePO4 എന്താണ്?
ലിഥിയം അയൺ ഫോസ്ഫേറ്റ് മെറ്റീരിയലുകളിലേക്കുള്ള ആമുഖം
ലിഥിയം അയേൺ ഫോസ്ഫേറ്റ് (തന്മാത്രാ ഫോർമുല LiFePO₄, ലിഥിയം അയേൺ ഫോസ്ഫേറ്റ്, LFP, ലിഥിയം അയേൺ ഫോസ്ഫേറ്റ് അല്ലെങ്കിൽ ഫെറസ് ലിഥിയം ഫോസ്ഫേറ്റ് എന്നും അറിയപ്പെടുന്നു) ലിഥിയം-അയോൺ ബാറ്ററികളിൽ ഉപയോഗിക്കുന്ന ഒരു കാഥോഡ് മെറ്റീരിയലാണ്. കൊബാൾട്ട് അല്ലെങ്കിൽ നിക്കൽ പോലുള്ള വിലയേറിയ മൂലകങ്ങൾ അതിൽ അടങ്ങിയിട്ടില്ല എന്നതാണ് ഇതിൻ്റെ സവിശേഷതകൾ, അസംസ്കൃത വസ്തുക്കളുടെ വില കുറവാണ്; കാർബൺ, ലിഥിയം, ഇരുമ്പ് എന്നിവ ഭൂമിയുടെ പുറംതോടിൽ ധാരാളമായി അടങ്ങിയിരിക്കുന്നു, ഇത് പ്രതിവർഷം ഒരു ദശലക്ഷം ടണ്ണിലധികം വിപണി ആവശ്യകത നിറവേറ്റുന്നു. ഒരു കാഥോഡ് മെറ്റീരിയൽ എന്ന നിലയിൽ, ലിഥിയം അയേൺ ഫോസ്ഫേറ്റിന് മിതമായ വർക്കിംഗ് വോൾട്ടേജ് (3.2 V), ഉയർന്ന നിർദ്ദിഷ്ട ശേഷി (170 mA·h/g), ഉയർന്ന ഡിസ്ചാർജ് പവർ, ഫാസ്റ്റ് ചാർജിംഗ് ശേഷി, ദൈർഘ്യമേറിയ സൈക്കിൾ ലൈഫ് എന്നിവയുണ്ട്, ഉയർന്ന{5}}താപനിലയിലും ഉയർന്ന-താപനിലയിലും നല്ല സ്ഥിരതയുണ്ട്.
ലിഥിയം ഇരുമ്പ് ഫോസ്ഫേറ്റ് ക്രിസ്റ്റൽ ഒരു തരം ഒലിവിൻ ഘടനയിൽ പെടുന്നു. ധാതുശാസ്ത്രത്തിൽ, ട്രൈഫൈലൈറ്റ് എന്ന് വിളിക്കപ്പെടുന്നു, ഗ്രീക്ക് പദമായ ട്രൈ, ലൈലോൺ എന്നിവയിൽ നിന്നാണ് ഇത് ഉരുത്തിരിഞ്ഞത്. അയിരുകളിൽ, നിറം ചാരനിറമോ ചുവപ്പ് കലർന്ന{2}}തവിട്ട് ചാരമോ തവിട്ടോ കറുപ്പോ ആകാം, യഥാർത്ഥ ഉൽപ്പന്നങ്ങൾ കറുപ്പ് അല്ലെങ്കിൽ ചാരനിറം-കറുപ്പ് എന്നിവയാണ്. ചില പ്രകൃതിദത്ത ധാതു വസ്തുക്കളിൽ ലിഥിയം ഇരുമ്പ് ഫോസ്ഫേറ്റ് അടങ്ങിയിട്ടുണ്ട്, എന്നാൽ ഗ്രേഡ് കുറവാണ്, പ്രായോഗിക പ്രയോഗത്തിൻ്റെ തലത്തിൽ എത്തുന്നില്ല. ലിഥിയം അയേൺ ഫോസ്ഫേറ്റ് കോമ്പോസിറ്റ് ഫോസ്ഫേറ്റ് വിഭാഗത്തിൽ പെടുന്നു, അതിൻ്റെ പൊതു രാസ സൂത്രവാക്യം LiMPO₄ ആയിരിക്കണം, അവിടെ M, Fe, Co, Mn, Ti മുതലായവ ഉൾപ്പെടെ ഏത് ദ്വിവ്യാല ലോഹവും ആകാം. LiMPO₄ ഉത്പാദിപ്പിച്ച ലിഥിയം അയേൺ ഫോസ്ഫേറ്റ് വാണിജ്യവത്ക്കരിച്ച ആദ്യ കമ്പനിയായതിനാൽ, ആളുകൾ ലിഥിയം അയേൺ ഫോസ്ഫേറ്റ് കോമ്പോസിറ്റ് ഫോസ്ഫേറ്റ് പദാർത്ഥമായി കണക്കാക്കാൻ ശീലിച്ചു. എന്നിരുന്നാലും, ഒലിവിൻ ഘടനയുള്ള സംയുക്തങ്ങൾക്ക്, ലിഥിയം അയൺ ബാറ്ററികളിൽ കാഥോഡ് മെറ്റീരിയലായി ഉപയോഗിക്കാൻ കഴിയുന്നത് ലിഥിയം ഇരുമ്പ് ഫോസ്ഫേറ്റ് മാത്രമല്ല. നിലവിലെ അറിവ് അനുസരിച്ച്, LiMnPO₄, LiMnFePO₄, LiVPO₄, LiCoPO₄ എന്നിവയും മറ്റ് നിരവധി മെറ്റീരിയലുകളും ഉണ്ട്.
1996-ൽ ജപ്പാനിലെ ടെലികമ്മ്യൂണിക്കേഷൻസ് കമ്പനിയായ NTT, LiFeCoPO₄-ൻ്റെ സംയോജനത്തിൽ ഒലിവിൻ ഘടനയുള്ള AMPO₄ (A എന്നത് ഒരു ആൽക്കലി ലോഹം, M ആണ് Co അല്ലെങ്കിൽ Fe) ലിഥിയം-അയൺ ബാറ്ററി കാഥോഡ് മെറ്റീരിയലായി ഉപയോഗിക്കാമെന്ന് ആദ്യമായി കണ്ടെത്തിയപ്പോൾ ലിഥിയം അയേൺ ഫോസ്ഫേറ്റ് മെറ്റീരിയലുകളുടെ ഉത്ഭവം കണ്ടെത്താൻ കഴിയും. തുടർന്ന്, യുണൈറ്റഡ് സ്റ്റേറ്റ്സിലെ മസാച്യുസെറ്റ്സ് ഇൻസ്റ്റിറ്റ്യൂട്ട് ഓഫ് ടെക്നോളജിയിലെ ഗുഡ്നഫ് റിസർച്ച് ഗ്രൂപ്പ്, ചട്ടക്കൂട് സംയുക്തങ്ങളെക്കുറിച്ച് പഠിക്കുമ്പോൾ, ലിഥിയം അയേൺ ഫോസ്ഫേറ്റ് മെറ്റീരിയലിന് ലിഥിയം-അയൺ (ലി⁺) ഇൻ്റർകലേഷൻ്റെയും ഡീഇൻ്റർകലേഷൻ്റെയും റിവേഴ്സിബിൾ ഗുണമുണ്ടെന്ന് കണ്ടെത്തി. 1997 ഏപ്രിൽ 23-ന്, ഓസ്റ്റിനിലെ ടെക്സസ് യൂണിവേഴ്സിറ്റി "റീചാർജ് ചെയ്യാവുന്ന ലിഥിയം സെക്കൻഡറി ബാറ്ററികൾക്കുള്ള കാഥോഡ് മെറ്റീരിയലുകൾ" (WO1997010541) എന്ന പേരിൽ ഒരു പേറ്റൻ്റ് ഫയൽ ചെയ്തു, ഇത് ലിഥിയം ഇരുമ്പ് ഫോസ്ഫേറ്റ് മെറ്റീരിയലുകളുടെ പേറ്റൻ്റ് കുത്തകയുടെ തുടക്കം കുറിക്കുന്നു.
യുണൈറ്റഡ് സ്റ്റേറ്റ്സും ജപ്പാനും ചേർന്ന് ഒലിവിൻ{0}}ഘടനാപരമായ ഫോസ്ഫേറ്റ് (LiMPO₄) കാഥോഡ് സാമഗ്രികളുടെ ഒരേസമയം പ്രസിദ്ധീകരണം വലിയ ശ്രദ്ധ ആകർഷിച്ചു, വിപുലമായ ഗവേഷണത്തിന് കാരണമായി, വ്യവസായവൽക്കരണ പ്രക്രിയയെ അതിവേഗം പുരോഗമിച്ചു. പരമ്പരാഗത ലിഥിയം -അയൺ സെക്കൻഡറി ബാറ്ററി കാഥോഡ് മെറ്റീരിയലുകൾ-സ്പൈനൽ{4}}ഘടനാപരമായ ലിഥിയം മാംഗനീസ് ഓക്സൈഡ് (LiMn₂O₄), ലേയേർഡ്{5}}ഘടനാപരമായ ലിഥിയം കോബാൾട്ട് ഓക്സൈഡ് (LiCoO₂ കൂടുതൽ വിലകുറഞ്ഞതും കൂടുതൽ വിശാലവുമായ പദാർത്ഥങ്ങൾ ലഭ്യമല്ല){6}} പരിസ്ഥിതി മലിനീകരണം. പ്രത്യേകിച്ചും, ഗവേഷകരിൽ നിന്നും വ്യവസായത്തിൽ നിന്നും വലിയ താൽപ്പര്യം ഉണർത്തിക്കൊണ്ട് സുരക്ഷ വളരെയധികം മെച്ചപ്പെടുത്തിയിട്ടുണ്ട്.
സമീപ വർഷങ്ങളിലെ ഗവേഷണ ഫലങ്ങൾ അനുസരിച്ച്, ലിഥിയം അയേൺ ഫോസ്ഫേറ്റ് മെറ്റീരിയലിന് നല്ല -ക്രിസ്റ്റലൈസ്ഡ് ഒലിവിൻ ഘടനയുണ്ട്, കൂടാതെ അതിൻ്റെ ലിഥിയം-അയോൺ ഡിഫ്യൂഷൻ ചാനലുകൾ പരമ്പരാഗത കാഥോഡ് വസ്തുക്കളിൽ നിന്ന് വ്യത്യസ്തമാണ്. പരമ്പരാഗത കാഥോഡ് മെറ്റീരിയലുകൾക്ക് പാളികളോ സ്പൈനൽ ഘടനകളോ ഉണ്ട്, ലിഥിയം അയോണുകളെ പാളികൾക്കിടയിലോ വലിയ ചാനലുകളിലോ വേഗത്തിൽ നീങ്ങാൻ അനുവദിക്കുന്നു, അങ്ങനെ മെറ്റീരിയലുകൾക്ക് നല്ല ഡിസ്ചാർജ് പ്രകടനമുണ്ട്. ഇതിനു വിപരീതമായി, ലിഥിയം അയേൺ ഫോസ്ഫേറ്റ് മെറ്റീരിയലുകളിലെ ലിഥിയം-അയൺ ഡിഫ്യൂഷൻ ചാനലുകൾ ഒരു-ഡൈമൻഷണലാണ്, അതായത് ക്രിസ്റ്റലിനുള്ളിൽ ലിഥിയം{6}}അയോൺ വ്യാപനത്തിന് ഒരു "തുരങ്കം" മാത്രമേ ഉള്ളൂ, അതിനാൽ ലിഥിയം-അയോൺ മൈഗ്രേഷൻ നിരക്ക് താരതമ്യേന മന്ദഗതിയിലുള്ളതും വ്യാപന ദൂരവും കുറവാണ്. പ്രത്യേകിച്ച് ഉയർന്ന-നിരക്ക് ഡിസ്ചാർജ് സാഹചര്യങ്ങളിൽ, ആന്തരിക ലിഥിയം അയോണുകൾക്ക് സമയബന്ധിതമായി പുറത്തേക്ക് നീങ്ങാൻ കഴിയില്ല, ഇത് ഗണ്യമായ ഇലക്ട്രോകെമിക്കൽ ധ്രുവീകരണത്തിന് കാരണമാകുന്നു.
മേൽപ്പറഞ്ഞ നിഗമനങ്ങൾ പരിശോധിക്കുന്നതിന് ശുദ്ധമായ ലിഥിയം ഇരുമ്പ് ഫോസ്ഫേറ്റ് മെറ്റീരിയൽ ഉപയോഗിച്ച് ബാറ്ററികൾ നിർമ്മിക്കാം. ശുദ്ധമായ ലിഥിയം അയേൺ ഫോസ്ഫേറ്റ് മെറ്റീരിയലിൻ്റെ കപ്പാസിറ്റി വിനിയോഗം വളരെ കുറവാണെന്നും സൈക്ലിംഗിൽ ബാറ്ററി ദ്രുതഗതിയിലുള്ള കപ്പാസിറ്റി ശോഷണം അനുഭവപ്പെടുമെന്നും പരീക്ഷണങ്ങൾ തെളിയിച്ചിട്ടുണ്ട്. ഹൈഡ്രോതെർമലി സിന്തസൈസ്ഡ് പ്യുവർ ലിഥിയം അയേൺ ഫോസ്ഫേറ്റ് (കാർബൺ കോട്ടിംഗ് ഇല്ലാതെ) ഉപയോഗിച്ച് രചയിതാവ് നിർമ്മിച്ച ലിഥിയം-അയോൺ കോയിൻ സെല്ലിൻ്റെ സൈക്ലിംഗ് പ്രകടനം ചിത്രം 2.1 കാണിക്കുന്നു. ഏകദേശം 15 ചാർജ്-ഡിസ്ചാർജ് സൈക്കിളുകൾക്ക് ശേഷം, ബാറ്ററി കപ്പാസിറ്റി 20%-ത്തിലധികം ക്ഷയിച്ചതായി കാണാൻ കഴിയും. അതിനാൽ, ശുദ്ധമായ ലിഥിയം ഇരുമ്പ് ഫോസ്ഫേറ്റ് മെറ്റീരിയൽ ലിഥിയം-അയൺ ബാറ്ററി സിസ്റ്റങ്ങൾക്ക് അനുയോജ്യമല്ല.
2000-ൽ, കാനഡയുടെ ദേശീയ പബ്ലിക് യൂട്ടിലിറ്റിയായ Hydro-Québec (H-Q), ലിഥിയം അയേൺ ഫോസ്ഫേറ്റ് മെറ്റീരിയലുകളിൽ കാർബൺ കോട്ടിംഗ് ഉപയോഗിക്കുന്നത് ഉൾപ്പെടെയുള്ള ചാലക പദാർത്ഥങ്ങൾ ഉപയോഗിച്ച് ലിഥിയം അയൺ ഫോസ്ഫേറ്റ് പൂശുന്നതിന് ആദ്യമായി പേറ്റൻ്റ് ഫയൽ ചെയ്തു. ഇത് ലിഥിയം അയേൺ ഫോസ്ഫേറ്റിനെ ഉയർന്ന നിർദ്ദിഷ്ട ശേഷി കൈവരിക്കാൻ പ്രാപ്തമാക്കുകയും അതിൻ്റെ സൈക്കിൾ ആയുസ്സ് 2000-ലധികം സൈക്കിളുകളിലേക്ക് വർദ്ധിപ്പിക്കുകയും ചെയ്തു. ലിഥിയം അയേൺ ഫോസ്ഫേറ്റിനെ കാഥോഡ് മെറ്റീരിയലായി വ്യാവസായികവൽക്കരണ പ്രക്രിയയ്ക്ക് ഇത് തുടക്കമിട്ടു.
