લિથિયમ બેટરીમાં LiFePO4 શું છે?
લિથિયમ આયર્ન ફોસ્ફેટ સામગ્રીનો પરિચય
લિથિયમ આયર્ન ફોસ્ફેટ (મોલેક્યુલર ફોર્મ્યુલા LiFePO₄, લિથિયમ આયર્ન ફોસ્ફેટ, LFP, જેને લિથિયમ આયર્ન ફોસ્ફેટ અથવા ફેરસ લિથિયમ ફોસ્ફેટ તરીકે પણ ઓળખવામાં આવે છે) એ લિથિયમ-આયન બેટરીમાં વપરાતી કેથોડ સામગ્રી છે. તેની વિશેષતાઓ એ છે કે તેમાં કોબાલ્ટ અથવા નિકલ જેવા કિંમતી તત્વો નથી, કાચા માલની કિંમત ઓછી છે; અને પૃથ્વીના પોપડામાં કાર્બન, લિથિયમ અને આયર્ન વિપુલ પ્રમાણમાં છે, જે દર વર્ષે 10 લાખ ટનથી વધુની બજારની માંગને પહોંચી વળે છે. કેથોડ સામગ્રી તરીકે, લિથિયમ આયર્ન ફોસ્ફેટમાં મધ્યમ કાર્યકારી વોલ્ટેજ (3.2 V), ઉચ્ચ વિશિષ્ટ ક્ષમતા (170 mA·h/g), ઉચ્ચ સ્રાવ શક્તિ, ઝડપી ચાર્જિંગ ક્ષમતા અને લાંબી ચક્ર જીવન, ઉચ્ચ-તાપમાન અને ઉચ્ચ-ગરમી વાતાવરણમાં સારી સ્થિરતા સાથે.
લિથિયમ આયર્ન ફોસ્ફેટ ક્રિસ્ટલ એક પ્રકારની ઓલિવિન રચનાથી સંબંધિત છે. ખનિજશાસ્ત્રમાં, તેને ટ્રાઇફાઇલાઇટ નામ આપવામાં આવ્યું છે, જે ગ્રીક શબ્દના મૂળ ટ્રાઇ અને લિલોન પરથી ઉતરી આવ્યું છે. અયસ્કમાં, રંગ રાખોડી, લાલ-ભુરો રાખોડી, ભૂરો અથવા કાળો હોઈ શકે છે, જ્યારે વાસ્તવિક ઉત્પાદનો કાળો અથવા રાખોડી-કાળો હોય છે. અમુક કુદરતી ખનિજ પદાર્થોમાં લિથિયમ આયર્ન ફોસ્ફેટ હોય છે, પરંતુ તેનો ગ્રેડ ઓછો હોય છે અને તે વ્યવહારિક ઉપયોગના સ્તર સુધી પહોંચતો નથી. લિથિયમ આયર્ન ફોસ્ફેટ કોમ્પોઝિટ ફોસ્ફેટ કેટેગરીમાં આવે છે, અને તેનું સામાન્ય રાસાયણિક સૂત્ર LiMPO₄ હોવું જોઈએ, જ્યાં M એ Fe, Co, Mn, Ti, વગેરે સહિતની કોઈપણ દ્વિભાષી ધાતુ હોઈ શકે છે. કારણ કે LiMPO₄નું ઉત્પાદન લિથિયમ આયર્ન ફોસ્ફેટનું વેપારીકરણ કરનાર પ્રથમ કંપની, લોકો લિથિયમ આયર્ન ફોસ્ફેટને માત્ર કોમ્પોફાઈટ તરીકે ગણવા ટેવાયેલા છે. ફોસ્ફેટ કેથોડ સામગ્રી. જો કે, ઓલિવિન સ્ટ્રક્ચરવાળા સંયોજનો માટે, લિથિયમ આયર્ન ફોસ્ફેટ એ એકમાત્ર એવું નથી કે જેનો ઉપયોગ લિથિયમ-આયન બેટરીમાં કેથોડ સામગ્રી તરીકે થઈ શકે. વર્તમાન જાણકારી અનુસાર, LiMnPO₄, LiMnFePO₄, LiVPO₄, LiCoPO₄ અને અન્ય ઘણી સામગ્રીઓ પણ છે.
લિથિયમ આયર્ન ફોસ્ફેટ સામગ્રીની ઉત્પત્તિ 1996 માં શોધી શકાય છે, જ્યારે જાપાનની ટેલિકોમ્યુનિકેશન કંપની એનટીટીએ સૌપ્રથમ શોધ્યું કે AMPO₄ (A એ અલ્કલી ધાતુ છે, M છે Co અથવા Fe) ઓલિવિન સ્ટ્રક્ચર સાથે, LiFeCoPO₄ ના સંયોજનમાં, બૅટ્ટીઅન બૅટરી સામગ્રી તરીકે ઉપયોગ કરી શકાય છે. ત્યારબાદ, યુનાઇટેડ સ્ટેટ્સમાં મેસેચ્યુસેટ્સ ઇન્સ્ટિટ્યૂટ ઑફ ટેક્નોલોજીના ગુડનફ સંશોધન જૂથ દ્વારા, ફ્રેમવર્ક સંયોજનોનો અભ્યાસ કરતી વખતે તે શોધાયું હતું કે લિથિયમ આયર્ન ફોસ્ફેટ સામગ્રીમાં લિથિયમ-આયન (લિ⁺) ઇન્ટરકેલેશન અને ડિઇન્ટરકેલેશનની ઉલટાવી શકાય તેવી મિલકત છે. 23 એપ્રિલ, 1997ના રોજ, ઓસ્ટિન ખાતેની યુનિવર્સિટી ઓફ ટેક્સાસે લિથિયમ આયર્ન ફોસ્ફેટ સામગ્રી પર પેટન્ટ એકાધિકારની શરૂઆતને ચિહ્નિત કરીને "રિચાર્જેબલ લિથિયમ સેકન્ડરી બેટરીઝ માટે કેથોડ મટિરિયલ્સ" (WO1997010541) નામની પેટન્ટ ફાઇલ કરી.
યુનાઇટેડ સ્ટેટ્સ અને જાપાન દ્વારા ઓલિવિન-સ્ટ્રક્ચર્ડ ફોસ્ફેટ (LiMPO₄) કેથોડ સામગ્રીના એકસાથે પ્રકાશનએ ખૂબ ધ્યાન આકર્ષિત કર્યું, વ્યાપક સંશોધન શરૂ કર્યું અને ઔદ્યોગિકીકરણ પ્રક્રિયાને ઝડપથી આગળ વધારી. પરંપરાગત લિથિયમ-આયન સેકન્ડરી બેટરી કેથોડ મટિરિયલ્સ-સ્પિનલ-સ્ટ્રક્ચર્ડ લિથિયમ મેંગેનીઝ ઑક્સાઈડ (LiMn₂O₄) અને સ્તરવાળી-સ્ટ્રક્ચર્ડ લિથિયમ કોબાલ્ટ ઑક્સાઈડ (LiCoO₂)- સાથેની સરખામણીમાં વધુ સસ્તી સામગ્રી અને POWM સાથે વધુ સસ્તી સામગ્રી ઉપલબ્ધ નથી. પર્યાવરણીય પ્રદૂષણ. ખાસ કરીને, સલામતીમાં મોટા પ્રમાણમાં સુધારો કરવામાં આવ્યો છે, જેનાથી સંશોધકો અને ઉદ્યોગો તરફથી ખૂબ જ રસ જાગ્યો છે.
તાજેતરના વર્ષોના સંશોધન પરિણામો અનુસાર, લિથિયમ આયર્ન ફોસ્ફેટ સામગ્રી સારી રીતે-સ્ફટિકીકૃત ઓલિવિન માળખું ધરાવે છે, અને તેની લિથિયમ-આયન પ્રસરણ ચેનલો પરંપરાગત કેથોડ સામગ્રી કરતાં અલગ છે. પરંપરાગત કેથોડ સામગ્રીમાં સ્તરવાળી અથવા સ્પિનલ સ્ટ્રક્ચર્સ હોય છે, જે લિથિયમ આયનોને સ્તરો વચ્ચે અથવા મોટી ચેનલોમાં ઝડપથી ખસેડવાની મંજૂરી આપે છે, આમ સામગ્રીને સારી ડિસ્ચાર્જ કામગીરી સાથે સંપન્ન કરે છે. તેનાથી વિપરિત, લિથિયમ આયર્ન ફોસ્ફેટ સામગ્રીમાં લિથિયમ-આયન પ્રસરણ માર્ગો એક-પરિમાણીય છે, એટલે કે સ્ફટિકની અંદર લિથિયમ-આયન પ્રસરણ માટે માત્ર એક "ટનલ" છે, તેથી લિથિયમ-આયન સ્થળાંતર દર પ્રમાણમાં ધીમો છે અને ડિફ્યુઝનનું અંતર ઓછું છે. ખાસ કરીને ઉચ્ચ-દર સ્રાવની સ્થિતિમાં, આંતરિક લિથિયમ આયનો સમયસર સ્થળાંતર કરી શકતા નથી, પરિણામે નોંધપાત્ર ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ ધ્રુવીકરણ થાય છે.
ઉપરોક્ત તારણો ચકાસવા માટે શુદ્ધ લિથિયમ આયર્ન ફોસ્ફેટ સામગ્રીનો ઉપયોગ કરીને બેટરીઓ બનાવી શકાય છે. પ્રયોગોએ દર્શાવ્યું છે કે શુદ્ધ લિથિયમ આયર્ન ફોસ્ફેટ સામગ્રીની ક્ષમતાનો ઉપયોગ ખૂબ જ ઓછો છે, અને સાયકલ ચલાવતી વખતે બેટરી ઝડપથી ક્ષમતાનો ક્ષય અનુભવે છે. આકૃતિ 2.1 હાઇડ્રોથર્મલી સંશ્લેષિત શુદ્ધ લિથિયમ આયર્ન ફોસ્ફેટ (કાર્બન કોટિંગ વિના) નો ઉપયોગ કરીને લેખક દ્વારા બનાવેલ લિથિયમ-આયન સિક્કા કોષનું સાયકલિંગ પ્રદર્શન દર્શાવે છે. તે જોઈ શકાય છે કે લગભગ 15 ચાર્જ-ડિસ્ચાર્જ ચક્ર પછી, બેટરીની ક્ષમતા 20% થી વધુ ઘટી ગઈ છે. તેથી, શુદ્ધ લિથિયમ આયર્ન ફોસ્ફેટ સામગ્રી લિથિયમ-આયન બેટરી સિસ્ટમ્સ માટે યોગ્ય નથી.
2000 માં, હાઇડ્રો-ક્વિબેક (H-Q), કેનેડાની રાષ્ટ્રીય જાહેર ઉપયોગિતા, લિથિયમ આયર્ન ફોસ્ફેટ સામગ્રી પર કાર્બન કોટિંગનો ઉપયોગ સહિત વાહક સામગ્રી સાથે લિથિયમ આયર્ન ફોસ્ફેટને કોટિંગ કરવા પર પેટન્ટ ફાઇલ કરનાર પ્રથમ વ્યક્તિ હતી. આનાથી લિથિયમ આયર્ન ફોસ્ફેટ ઉચ્ચ વિશિષ્ટ ક્ષમતા હાંસલ કરવામાં સક્ષમ બન્યું અને તેના ચક્ર જીવનને 2000 થી વધુ ચક્ર સુધી લંબાવ્યું. આનાથી કેથોડ સામગ્રી તરીકે લિથિયમ આયર્ન ફોસ્ફેટના ઔદ્યોગિકીકરણની પ્રક્રિયાની શરૂઆત થઈ.
