¿Qué es LiFePO4 en las baterías de litio?
Introducción a los materiales de fosfato de hierro y litio
El fosfato de litio y hierro (fórmula molecular LiFePO₄, fosfato de litio y hierro, LFP, también conocido como fosfato de litio y hierro o fosfato de litio ferroso) es un material catódico utilizado en las baterías de iones de litio-. Sus características son que no contiene elementos preciosos como cobalto o níquel, el precio de la materia prima es bajo; y el carbono, el litio y el hierro abundan en la corteza terrestre, lo que puede satisfacer la demanda del mercado de más de un millón de toneladas al año. Como material catódico, el fosfato de hierro y litio tiene un voltaje de trabajo moderado (3,2 V), una capacidad específica alta (170 mA·h/g), una alta potencia de descarga, una capacidad de carga rápida y un ciclo de vida prolongado, con buena estabilidad en entornos de alta-temperatura y alto-calor.
El cristal de fosfato de hierro y litio pertenece a un tipo de estructura de olivino. En mineralogía, se llama trifilita, derivada de las raíces griegas tri y lylon. En los minerales, el color puede ser gris, gris-marrón rojizo, marrón o negro, mientras que los productos reales son negro o gris-negro. Ciertos materiales minerales naturales contienen fosfato de hierro y litio, pero el grado es bajo y no alcanza el nivel de aplicación práctica. El fosfato de litio y hierro pertenece a la categoría de fosfato compuesto y su fórmula química general debe ser LiMPO₄, donde M puede ser cualquier metal divalente, incluidos Fe, Co, Mn, Ti, etc. Debido a que la primera empresa en comercializar LiMPO₄ produjo fosfato de litio y hierro, la gente se ha acostumbrado a tratar el fosfato de litio y hierro como el único material compuesto de cátodo de fosfato. Sin embargo, para los compuestos con estructura de olivino, el fosfato de hierro y litio no es el único que puede usarse como material catódico en baterías de iones de litio-. Según los conocimientos actuales, también existen LiMnPO₄, LiMnFePO₄, LiVPO₄, LiCoPO₄ y muchos otros materiales.
El origen de los materiales de fosfato de hierro y litio se remonta a 1996, cuando la empresa japonesa de telecomunicaciones NTT descubrió por primera vez que AMPO₄ (A es un metal alcalino, M es Co o Fe) con estructura de olivino, en combinación con LiFeCoPO₄, se puede utilizar como material catódico de baterías de iones de litio-. Posteriormente, el grupo de investigación Goodenough del Instituto de Tecnología de Massachusetts en Estados Unidos, mientras estudiaba compuestos estructurales, descubrió que el material de fosfato de hierro y litio tiene la propiedad reversible de intercalación y desintercalación de iones de litio - (Li⁺). El 23 de abril de 1997, la Universidad de Texas en Austin presentó una patente titulada "Materiales catódicos para baterías secundarias de litio recargables" (WO1997010541), que marcó el comienzo del monopolio de patentes sobre materiales de fosfato de hierro y litio.
La publicación simultánea de materiales catódicos de fosfato estructurado de olivino-(LiMPO₄) por parte de Estados Unidos y Japón atrajo gran atención, desencadenó una extensa investigación y avanzó rápidamente en el proceso de industrialización. En comparación con los materiales tradicionales de cátodos de baterías secundarias de iones de litio-espinela-óxido de litio y manganeso estructurado (LiMn₂O₄) y óxido de litio y cobalto estructurado en capas-(LiCoO₂)-LiMPO₄ tiene materias primas más baratas y disponibles más ampliamente sin contaminación ambiental. En particular, la seguridad ha mejorado enormemente, lo que ha despertado un gran interés por parte de los investigadores y la industria.
Según los resultados de investigaciones de los últimos años, el material de fosfato de hierro y litio posee una estructura de olivino bien-cristalizada y sus canales de difusión de iones de litio- difieren de los de los materiales catódicos tradicionales. Los materiales catódicos tradicionales tienen estructuras en capas o de espinela, lo que permite que los iones de litio se muevan rápidamente entre capas o en canales más grandes, dotando así a los materiales de un buen rendimiento de descarga. Por el contrario, los canales de difusión de iones de litio-en materiales de fosfato de hierro y litio son uni-dimensionales, lo que significa que dentro del cristal solo hay un "túnel" para la difusión de iones de litio-, por lo que la tasa de migración de iones de litio-es relativamente lenta y la distancia de difusión es corta. Especialmente en condiciones de descarga de alta-velocidad, los iones de litio internos no pueden migrar a tiempo, lo que resulta en una polarización electroquímica significativa.
Las baterías se pueden fabricar utilizando material de fosfato de hierro y litio puro para verificar las conclusiones anteriores. Los experimentos han demostrado que la utilización de la capacidad del material de fosfato de hierro y litio puro es muy baja y la batería experimenta una rápida disminución de la capacidad durante el ciclo. La Figura 2.1 muestra el rendimiento cíclico de una pila de botón de iones de litio-fabricada por el autor utilizando fosfato de hierro y litio puro sintetizado hidrotermalmente (sin recubrimiento de carbono). Se puede observar que después de aproximadamente 15 ciclos de carga-descarga, la capacidad de la batería ha disminuido en más del 20%. Por lo tanto, el material de fosfato de hierro y litio puro no es adecuado para sistemas de baterías de iones de litio-.
En 2000, Hydro-Québec (H-Q), la empresa pública nacional de Canadá, fue la primera en presentar patentes sobre el recubrimiento de fosfato de litio y hierro con materiales conductores, incluido el uso de recubrimiento de carbono sobre materiales de fosfato de litio y hierro. Esto permitió que el fosfato de hierro y litio alcanzara una alta capacidad específica y extendiera su ciclo de vida a más de 2000 ciclos. Esto marcó el inicio del proceso de industrialización del fosfato de hierro y litio como material catódico.
