ಲಿಥಿಯಂ ಬ್ಯಾಟರಿಗಳಲ್ಲಿ LiFePO4 ಎಂದರೇನು?
ಲಿಥಿಯಂ ಐರನ್ ಫಾಸ್ಫೇಟ್ ವಸ್ತುಗಳ ಪರಿಚಯ
ಲಿಥಿಯಂ ಕಬ್ಬಿಣದ ಫಾಸ್ಫೇಟ್ (ಆಣ್ವಿಕ ಸೂತ್ರ LiFePO₄, ಲಿಥಿಯಂ ಕಬ್ಬಿಣದ ಫಾಸ್ಫೇಟ್, LFP, ಇದನ್ನು ಲಿಥಿಯಂ ಕಬ್ಬಿಣದ ಫಾಸ್ಫೇಟ್ ಅಥವಾ ಫೆರಸ್ ಲಿಥಿಯಂ ಫಾಸ್ಫೇಟ್ ಎಂದೂ ಕರೆಯಲಾಗುತ್ತದೆ) ಇದು ಲಿಥಿಯಂ-ಐಯಾನ್ ಬ್ಯಾಟರಿಗಳಲ್ಲಿ ಬಳಸಲಾಗುವ ಕ್ಯಾಥೋಡ್ ವಸ್ತುವಾಗಿದೆ. ಇದರ ಗುಣಲಕ್ಷಣಗಳು ಕೋಬಾಲ್ಟ್ ಅಥವಾ ನಿಕಲ್ನಂತಹ ಅಮೂಲ್ಯ ಅಂಶಗಳನ್ನು ಹೊಂದಿರುವುದಿಲ್ಲ, ಕಚ್ಚಾ ವಸ್ತುಗಳ ಬೆಲೆ ಕಡಿಮೆಯಾಗಿದೆ; ಮತ್ತು ಕಾರ್ಬನ್, ಲಿಥಿಯಂ ಮತ್ತು ಕಬ್ಬಿಣವು ಭೂಮಿಯ ಹೊರಪದರದಲ್ಲಿ ಹೇರಳವಾಗಿದೆ, ಇದು ವರ್ಷಕ್ಕೆ ಒಂದು ಮಿಲಿಯನ್ ಟನ್ಗಳಿಗಿಂತ ಹೆಚ್ಚು ಮಾರುಕಟ್ಟೆ ಬೇಡಿಕೆಯನ್ನು ಪೂರೈಸುತ್ತದೆ. ಕ್ಯಾಥೋಡ್ ವಸ್ತುವಾಗಿ, ಲಿಥಿಯಂ ಐರನ್ ಫಾಸ್ಫೇಟ್ ಮಧ್ಯಮ ವರ್ಕಿಂಗ್ ವೋಲ್ಟೇಜ್ (3.2 V), ಹೆಚ್ಚಿನ ನಿರ್ದಿಷ್ಟ ಸಾಮರ್ಥ್ಯ (170 mA·h/g), ಹೆಚ್ಚಿನ ಡಿಸ್ಚಾರ್ಜ್ ಪವರ್, ವೇಗದ ಚಾರ್ಜಿಂಗ್ ಸಾಮರ್ಥ್ಯ ಮತ್ತು ದೀರ್ಘ ಚಕ್ರದ ಜೀವನವನ್ನು ಹೊಂದಿದೆ, ಹೆಚ್ಚಿನ{5}}ತಾಪಮಾನ ಮತ್ತು ಅಧಿಕ{6}}ಉಷ್ಣ ಪರಿಸರದಲ್ಲಿ ಉತ್ತಮ ಸ್ಥಿರತೆಯೊಂದಿಗೆ.
ಲಿಥಿಯಂ ಕಬ್ಬಿಣದ ಫಾಸ್ಫೇಟ್ ಸ್ಫಟಿಕವು ಒಂದು ವಿಧದ ಆಲಿವೈನ್ ರಚನೆಗೆ ಸೇರಿದೆ. ಖನಿಜಶಾಸ್ತ್ರದಲ್ಲಿ, ಇದನ್ನು ಟ್ರಿಫೈಲೈಟ್ ಎಂದು ಹೆಸರಿಸಲಾಗಿದೆ, ಇದು ಗ್ರೀಕ್ ಪದಗಳಾದ ಟ್ರೈ ಮತ್ತು ಲೈಲೋನ್ನಿಂದ ಬಂದಿದೆ. ಅದಿರುಗಳಲ್ಲಿ, ಬಣ್ಣವು ಬೂದು, ಕೆಂಪು{2}}ಕಂದು ಬೂದು, ಕಂದು ಅಥವಾ ಕಪ್ಪು ಆಗಿರಬಹುದು, ಆದರೆ ನಿಜವಾದ ಉತ್ಪನ್ನಗಳು ಕಪ್ಪು ಅಥವಾ ಬೂದು-ಕಪ್ಪು. ಕೆಲವು ನೈಸರ್ಗಿಕ ಖನಿಜ ವಸ್ತುಗಳು ಲಿಥಿಯಂ ಕಬ್ಬಿಣದ ಫಾಸ್ಫೇಟ್ ಅನ್ನು ಹೊಂದಿರುತ್ತವೆ, ಆದರೆ ಗ್ರೇಡ್ ಕಡಿಮೆ ಮತ್ತು ಪ್ರಾಯೋಗಿಕ ಅನ್ವಯದ ಮಟ್ಟವನ್ನು ತಲುಪುವುದಿಲ್ಲ. ಲಿಥಿಯಂ ಕಬ್ಬಿಣದ ಫಾಸ್ಫೇಟ್ ಸಂಯೋಜಿತ ಫಾಸ್ಫೇಟ್ ವರ್ಗಕ್ಕೆ ಸೇರಿದೆ ಮತ್ತು ಅದರ ಸಾಮಾನ್ಯ ರಾಸಾಯನಿಕ ಸೂತ್ರವು LiMPO₄ ಆಗಿರಬೇಕು, ಅಲ್ಲಿ M ಎಂಬುದು Fe, Co, Mn, Ti, ಇತ್ಯಾದಿ ಸೇರಿದಂತೆ ಯಾವುದೇ ದ್ವಿವೇಲೆಯ ಲೋಹವಾಗಿರಬಹುದು. LiMPO₄ ಉತ್ಪಾದಿಸಿದ ಲಿಥಿಯಂ ಐರನ್ ಫಾಸ್ಫೇಟ್ ಅನ್ನು ವಾಣಿಜ್ಯೀಕರಿಸಿದ ಮೊದಲ ಕಂಪನಿಯ ಕಾರಣ, ಜನರು ಲಿಥಿಯಂ ಕಬ್ಬಿಣದ ಫಾಸ್ಫೇಟ್ ಅನ್ನು ಮಾತ್ರ ಕ್ಯಾಟ್ ಕಾಂಪೋಡ್ ಫಾಸ್ಫೇಟ್ ಆಗಿ ಪರಿಗಣಿಸಲು ಒಗ್ಗಿಕೊಂಡಿರುತ್ತಾರೆ. ಆದಾಗ್ಯೂ, ಆಲಿವೈನ್ ರಚನೆಯೊಂದಿಗೆ ಸಂಯುಕ್ತಗಳಿಗೆ, ಲಿಥಿಯಂ ಕಬ್ಬಿಣದ ಫಾಸ್ಫೇಟ್ ಅನ್ನು ಲಿಥಿಯಂ-ಐಯಾನ್ ಬ್ಯಾಟರಿಗಳಲ್ಲಿ ಕ್ಯಾಥೋಡ್ ವಸ್ತುವಾಗಿ ಬಳಸಲಾಗುವುದಿಲ್ಲ. ಪ್ರಸ್ತುತ ಜ್ಞಾನದ ಪ್ರಕಾರ, LiMnPO₄, LiMnFePO₄, LiVPO₄, LiCoPO₄, ಮತ್ತು ಇತರ ಹಲವು ವಸ್ತುಗಳು ಇವೆ.
ಲಿಥಿಯಂ ಕಬ್ಬಿಣದ ಫಾಸ್ಫೇಟ್ ವಸ್ತುಗಳ ಮೂಲವನ್ನು 1996 ರಲ್ಲಿ ಕಂಡುಹಿಡಿಯಬಹುದು, ಜಪಾನ್ನ ದೂರಸಂಪರ್ಕ ಕಂಪನಿ NTT AMPO₄ (A ಒಂದು ಕ್ಷಾರ ಲೋಹ, M ಎಂಬುದು Co ಅಥವಾ Fe) ಆಲಿವೈನ್ ರಚನೆಯೊಂದಿಗೆ LiFeCoPO₄ ಸಂಯೋಜನೆಯಲ್ಲಿ ಲಿಥಿಯಂ-ಐಯಾನ್ ಬ್ಯಾಟರಿ ಕ್ಯಾಥೋಡ್ ಆಗಿ ಬಳಸಬಹುದು ಎಂದು ಕಂಡುಹಿಡಿದಿದೆ. ತರುವಾಯ, ಯುನೈಟೆಡ್ ಸ್ಟೇಟ್ಸ್ನ ಮ್ಯಾಸಚೂಸೆಟ್ಸ್ ಇನ್ಸ್ಟಿಟ್ಯೂಟ್ ಆಫ್ ಟೆಕ್ನಾಲಜಿಯಲ್ಲಿನ ಗುಡ್ನಫ್ ಸಂಶೋಧನಾ ತಂಡವು ಫ್ರೇಮ್ವರ್ಕ್ ಸಂಯುಕ್ತಗಳನ್ನು ಅಧ್ಯಯನ ಮಾಡುವಾಗ, ಲಿಥಿಯಂ ಕಬ್ಬಿಣದ ಫಾಸ್ಫೇಟ್ ವಸ್ತುವು ಲಿಥಿಯಂ-ಐಯಾನ್ (ಲಿ⁺) ಇಂಟರ್ಕಲೇಶನ್ ಮತ್ತು ಡಿಇಂಟರ್ಕಲೇಶನ್ನ ರಿವರ್ಸಿಬಲ್ ಆಸ್ತಿಯನ್ನು ಹೊಂದಿದೆ ಎಂದು ಕಂಡುಹಿಡಿದಿದೆ. ಏಪ್ರಿಲ್ 23, 1997 ರಂದು, ಆಸ್ಟಿನ್ನಲ್ಲಿರುವ ಟೆಕ್ಸಾಸ್ ವಿಶ್ವವಿದ್ಯಾನಿಲಯವು "ರೀಚಾರ್ಜ್ ಮಾಡಬಹುದಾದ ಲಿಥಿಯಂ ಸೆಕೆಂಡರಿ ಬ್ಯಾಟರಿಗಳಿಗಾಗಿ ಕ್ಯಾಥೋಡ್ ಮೆಟೀರಿಯಲ್ಸ್" (WO1997010541) ಎಂಬ ಶೀರ್ಷಿಕೆಯ ಪೇಟೆಂಟ್ ಅನ್ನು ಸಲ್ಲಿಸಿತು, ಇದು ಲಿಥಿಯಂ ಕಬ್ಬಿಣದ ಫಾಸ್ಫೇಟ್ ವಸ್ತುಗಳ ಮೇಲಿನ ಪೇಟೆಂಟ್ ಏಕಸ್ವಾಮ್ಯದ ಆರಂಭವನ್ನು ಸೂಚಿಸುತ್ತದೆ.
ಯುನೈಟೆಡ್ ಸ್ಟೇಟ್ಸ್ ಮತ್ತು ಜಪಾನ್ನಿಂದ ಒಲಿವೈನ್-ರಚನಾತ್ಮಕ ಫಾಸ್ಫೇಟ್ (LiMPO₄) ಕ್ಯಾಥೋಡ್ ವಸ್ತುಗಳ ಏಕಕಾಲಿಕ ಪ್ರಕಟಣೆಯು ಹೆಚ್ಚಿನ ಗಮನವನ್ನು ಸೆಳೆಯಿತು, ವ್ಯಾಪಕವಾದ ಸಂಶೋಧನೆಯನ್ನು ಪ್ರಚೋದಿಸಿತು ಮತ್ತು ಕೈಗಾರಿಕೀಕರಣ ಪ್ರಕ್ರಿಯೆಯನ್ನು ತ್ವರಿತವಾಗಿ ಮುನ್ನಡೆಸಿತು. ಸಾಂಪ್ರದಾಯಿಕ ಲಿಥಿಯಂ -ಐಯಾನ್ ಸೆಕೆಂಡರಿ ಬ್ಯಾಟರಿ ಕ್ಯಾಥೋಡ್ ಸಾಮಗ್ರಿಗಳೊಂದಿಗೆ-ಸ್ಪಿನೆಲ್{4}}ರಚನಾತ್ಮಕ ಲಿಥಿಯಂ ಮ್ಯಾಂಗನೀಸ್ ಆಕ್ಸೈಡ್ (LiMn₂O₄) ಮತ್ತು ಲೇಯರ್ಡ್ -ರಚನಾತ್ಮಕ ಲಿಥಿಯಂ ಕೋಬಾಲ್ಟ್ ಆಕ್ಸೈಡ್ (LiCoO₂) ಎಮ್ನೊಂದಿಗೆ ಹೆಚ್ಚು ಅಗ್ಗವಾಗಿ ಲಭ್ಯವಿಲ್ಲ ಪರಿಸರ ಮಾಲಿನ್ಯ. ನಿರ್ದಿಷ್ಟವಾಗಿ ಹೇಳುವುದಾದರೆ, ಸುರಕ್ಷತೆಯನ್ನು ಹೆಚ್ಚು ಸುಧಾರಿಸಲಾಗಿದೆ, ಸಂಶೋಧಕರು ಮತ್ತು ಉದ್ಯಮದಿಂದ ಹೆಚ್ಚಿನ ಆಸಕ್ತಿಯನ್ನು ಹುಟ್ಟುಹಾಕಿದೆ.
ಇತ್ತೀಚಿನ ವರ್ಷಗಳಲ್ಲಿನ ಸಂಶೋಧನೆಯ ಫಲಿತಾಂಶಗಳ ಪ್ರಕಾರ, ಲಿಥಿಯಂ ಕಬ್ಬಿಣದ ಫಾಸ್ಫೇಟ್ ವಸ್ತುವು ಉತ್ತಮವಾದ{0}}ಸ್ಫಟಿಕೀಕೃತ ಆಲಿವೈನ್ ರಚನೆಯನ್ನು ಹೊಂದಿದೆ ಮತ್ತು ಅದರ ಲಿಥಿಯಂ-ಐಯಾನ್ ಪ್ರಸರಣ ಚಾನಲ್ಗಳು ಸಾಂಪ್ರದಾಯಿಕ ಕ್ಯಾಥೋಡ್ ವಸ್ತುಗಳಿಂದ ಭಿನ್ನವಾಗಿವೆ. ಸಾಂಪ್ರದಾಯಿಕ ಕ್ಯಾಥೋಡ್ ವಸ್ತುಗಳು ಲೇಯರ್ಡ್ ಅಥವಾ ಸ್ಪಿನೆಲ್ ರಚನೆಗಳನ್ನು ಹೊಂದಿದ್ದು, ಲಿಥಿಯಂ ಅಯಾನುಗಳು ಪದರಗಳ ನಡುವೆ ಅಥವಾ ದೊಡ್ಡ ಚಾನಲ್ಗಳಲ್ಲಿ ವೇಗವಾಗಿ ಚಲಿಸಲು ಅನುವು ಮಾಡಿಕೊಡುತ್ತದೆ, ಹೀಗಾಗಿ ಉತ್ತಮ ಡಿಸ್ಚಾರ್ಜ್ ಕಾರ್ಯಕ್ಷಮತೆಯೊಂದಿಗೆ ವಸ್ತುಗಳನ್ನು ನೀಡುತ್ತದೆ. ಇದಕ್ಕೆ ವ್ಯತಿರಿಕ್ತವಾಗಿ, ಲಿಥಿಯಂ ಕಬ್ಬಿಣದ ಫಾಸ್ಫೇಟ್ ವಸ್ತುಗಳಲ್ಲಿನ ಲಿಥಿಯಂ -ಅಯಾನ್ ಪ್ರಸರಣ ಚಾನಲ್ಗಳು ಒಂದು-ಆಯಾಮವಾಗಿದೆ, ಅಂದರೆ ಸ್ಫಟಿಕದೊಳಗೆ ಲಿಥಿಯಂ -ಐಯಾನ್ ಪ್ರಸರಣಕ್ಕೆ "ಸುರಂಗ" ಮಾತ್ರ ಇರುತ್ತದೆ, ಆದ್ದರಿಂದ ಲಿಥಿಯಂ-ಐಯಾನ್ ವಲಸೆ ದರವು ತುಲನಾತ್ಮಕವಾಗಿ ನಿಧಾನವಾಗಿರುತ್ತದೆ ಮತ್ತು ಪ್ರಸರಣ ದೂರ ಕಡಿಮೆಯಾಗಿದೆ. ವಿಶೇಷವಾಗಿ ಹೆಚ್ಚಿನ-ಪ್ರಮಾಣದ ಡಿಸ್ಚಾರ್ಜ್ ಪರಿಸ್ಥಿತಿಗಳಲ್ಲಿ, ಆಂತರಿಕ ಲಿಥಿಯಂ ಅಯಾನುಗಳು ಸಮಯಕ್ಕೆ ವಲಸೆ ಹೋಗುವುದಿಲ್ಲ, ಇದು ಗಮನಾರ್ಹವಾದ ಎಲೆಕ್ಟ್ರೋಕೆಮಿಕಲ್ ಧ್ರುವೀಕರಣಕ್ಕೆ ಕಾರಣವಾಗುತ್ತದೆ.
ಮೇಲಿನ ತೀರ್ಮಾನಗಳನ್ನು ಪರಿಶೀಲಿಸಲು ಶುದ್ಧ ಲಿಥಿಯಂ ಕಬ್ಬಿಣದ ಫಾಸ್ಫೇಟ್ ವಸ್ತುವನ್ನು ಬಳಸಿಕೊಂಡು ಬ್ಯಾಟರಿಗಳನ್ನು ತಯಾರಿಸಬಹುದು. ಶುದ್ಧ ಲಿಥಿಯಂ ಕಬ್ಬಿಣದ ಫಾಸ್ಫೇಟ್ ವಸ್ತುವಿನ ಸಾಮರ್ಥ್ಯದ ಬಳಕೆಯು ತುಂಬಾ ಕಡಿಮೆಯಾಗಿದೆ ಎಂದು ಪ್ರಯೋಗಗಳು ತೋರಿಸಿವೆ ಮತ್ತು ಸೈಕ್ಲಿಂಗ್ ಸಮಯದಲ್ಲಿ ಬ್ಯಾಟರಿಯು ಕ್ಷಿಪ್ರ ಸಾಮರ್ಥ್ಯದ ಕೊಳೆಯುವಿಕೆಯನ್ನು ಅನುಭವಿಸುತ್ತದೆ. ಚಿತ್ರ 2.1 ಹೈಡ್ರೋಥರ್ಮಾಲಿ ಸಂಶ್ಲೇಷಿತ ಶುದ್ಧ ಲಿಥಿಯಂ ಕಬ್ಬಿಣದ ಫಾಸ್ಫೇಟ್ (ಕಾರ್ಬನ್ ಲೇಪನವಿಲ್ಲದೆ) ಬಳಸಿಕೊಂಡು ಲೇಖಕರು ಮಾಡಿದ ಲಿಥಿಯಂ-ಐಯಾನ್ ನಾಣ್ಯ ಕೋಶದ ಸೈಕ್ಲಿಂಗ್ ಕಾರ್ಯಕ್ಷಮತೆಯನ್ನು ತೋರಿಸುತ್ತದೆ. ಸರಿಸುಮಾರು 15 ಚಾರ್ಜ್-ಡಿಸ್ಚಾರ್ಜ್ ಚಕ್ರಗಳ ನಂತರ, ಬ್ಯಾಟರಿ ಸಾಮರ್ಥ್ಯವು 20% ಕ್ಕಿಂತ ಹೆಚ್ಚು ಕ್ಷೀಣಿಸಿದೆ ಎಂದು ನೋಡಬಹುದು. ಆದ್ದರಿಂದ, ಶುದ್ಧ ಲಿಥಿಯಂ ಕಬ್ಬಿಣದ ಫಾಸ್ಫೇಟ್ ವಸ್ತುವು ಲಿಥಿಯಂ-ಐಯಾನ್ ಬ್ಯಾಟರಿ ವ್ಯವಸ್ಥೆಗಳಿಗೆ ಸೂಕ್ತವಲ್ಲ.
2000 ರಲ್ಲಿ, Hydro-Québec (H-Q), ಕೆನಡಾದ ರಾಷ್ಟ್ರೀಯ ಸಾರ್ವಜನಿಕ ಉಪಯುಕ್ತತೆ, ಲಿಥಿಯಂ ಕಬ್ಬಿಣದ ಫಾಸ್ಫೇಟ್ ವಸ್ತುಗಳ ಮೇಲೆ ಕಾರ್ಬನ್ ಲೇಪನದ ಬಳಕೆಯನ್ನು ಒಳಗೊಂಡಂತೆ ವಾಹಕ ವಸ್ತುಗಳೊಂದಿಗೆ ಲಿಥಿಯಂ ಕಬ್ಬಿಣದ ಫಾಸ್ಫೇಟ್ ಅನ್ನು ಲೇಪಿಸಲು ಮೊದಲ ಪೇಟೆಂಟ್ ಸಲ್ಲಿಸಿತು. ಇದು ಹೆಚ್ಚಿನ ನಿರ್ದಿಷ್ಟ ಸಾಮರ್ಥ್ಯವನ್ನು ಸಾಧಿಸಲು ಲಿಥಿಯಂ ಕಬ್ಬಿಣದ ಫಾಸ್ಫೇಟ್ ಅನ್ನು ಸಕ್ರಿಯಗೊಳಿಸಿತು ಮತ್ತು ಅದರ ಚಕ್ರದ ಜೀವನವನ್ನು 2000 ಕ್ಕೂ ಹೆಚ್ಚು ಚಕ್ರಗಳಿಗೆ ವಿಸ್ತರಿಸಿತು. ಇದು ಕ್ಯಾಥೋಡ್ ವಸ್ತುವಾಗಿ ಲಿಥಿಯಂ ಕಬ್ಬಿಣದ ಫಾಸ್ಫೇಟ್ನ ಕೈಗಾರಿಕೀಕರಣ ಪ್ರಕ್ರಿಯೆಯ ಪ್ರಾರಂಭವನ್ನು ಗುರುತಿಸಿತು.
