هل تحتوي بطارية ليثيوم فوسفات الحديد على الرصاص؟

خلايا مواد الـ LFP لها جهد تشغيل يبلغ 3.3 فولت ، و 170 مللي أمبير/جرام ،وهي كثافة طاقة عالية ، وذات دورة حياة طويلة ، وثبات في درجات الحرارة العالية. تتمثل المزايا التجارية الرئيسية للمواد LFP في أنها لا تطرح سوى القليل من مخاوف السلامة مثل ارتفاع درجة الحرارة والانفجار ، فضلاً عن دورات الحياة الطويلة وكثافة الطاقة العالية ولديها نطاق درجة حرارة تشغيل أوسع. تستخدم محطات توليد الطاقة والسيارات الكهربائية بطاريات LFP. خلايا مواد الـ LFP لها جهد تشغيل يبلغ 3.3 فولت ، و 170 مللي أمبير/جرام ،وهي كثافة طاقة عالية ، وذات دورة حياة طويلة ، وثبات في درجات الحرارة العالية. تتمثل المزايا التجارية الرئيسية للمواد LFP في أنها لا تطرح سوى القليل من مخاوف السلامة مثل ارتفاع درجة الحرارة والانفجار ، فضلاً عن دورات الحياة الطويلة وكثافة الطاقة العالية ولديها نطاق درجة حرارة تشغيل أوسع. تستخدم محطات توليد الطاقة والسيارات الكهربائية بطاريات LFP. أعلنت شركة BAE أن السيارة HybriDrive Orion 7 الهجين تستخدم حوالي 180 خلايا بطارية من نوع KW LFP. وطورت شركة AES أنظمة بطاريات بقدرة تريليونات واط قادرة على تقديم خدمات فرعية لشبكة الطاقة ، بما في ذلك السعة الاحتياطية وتعديل التردد. وفي الصين تنشط BAK و Tianjin Lishen في ذلك المجال . على الرغم من أن بطاريات LFP لديها سعة أقل بنسبة 25 ٪ من بطاريات الليثيوم الأخرى نظرًا لجهدها التشغيلي (3.2 فولت مقابل 3.7 فولت في كيمياء الكاثود القائمة على المشاركة) ، إلا أنها تحتوي على 70 ٪ أكثر من . الاختلافات الرئيسية بين بطاريات LFP وأنواع بطاريات أيونات الليثيوم الأخرى هي أن بطاريات LFP لا تحتوي على كوبالت ولها منحنى تفريغ مسطح. بطاريات LFP لها عيوب قليلة تنشأ من خصائص العزل الكهربائي لـ LFP ، بالإضافة إلى الحد الأقصى لجهد الشحن / التفريغ المنخفض. و أقل بكثير من بطارية LiCoO2 (على الرغم من أنها أعلى من ). تكون كيمياء البطاريات القائمة على أكسيد الكوبالت - ليثيوم أكثر عرضة للانفجار الحراري إذا تم الشحن الزائد ، و . فوسفات الحديد والليثيوم (يرمز له اختصاراً LFP ) هو له الصيغة الكيميائية LiFePO4 . وهو مادة صلبة رمادية أو حمراء-رمادية أو بنية أو سوداء وغير قابلة للذوبان في الماء. جذبت تلك المادة الانتباه كأحد مكونات ، وهي نوع من . تستهدف كيمياء البطاريات هذه إلى استخدامها في ، ، وفي منشآت الطاقة الشمسية (مثل تخزين الكهرباء) . ومؤخراً في نطاق الشبكة الكهربائية على نطاق واسع. تستخدم معظم بطاريات الليثيوم (Li-ion) المستخدمة في منتجات الإلكترونيات الاستهلاكية مهابط (كاثودات) مصنوعة من مركبات الليثيوم الأخرى ، مثل ( LiCoO2 ) ، وأكسيد الليثيوم والمنغنيز ( LiMn2O4 ) وأكسيد النيكل والليثيوم ( LiNiO2 ). تصنع عمومًا من . يوجد فوسفات الحديد والليثيوم بشكل طبيعي في معدن ، ولكن هذه المادة ليس لها نقاء كافٍ لاستخدامها في البطاريات. . طبقا للصيغة الكيميائية العامة للمركب LiMPO4 ،فإن مركبات LiFePO4 تشكل عائلة من المواد ذات هيكل بلوري واحد مثل . لا تشمل M (بمعني معدن Metall) فقط الحديد Fe ولكن أيضًا يمكن استعاضتها بذرة الكوبلت Co أو المنغنيز Mn ، أو التيلوريوم Ti. كأول مركب بالصيغة الكيميائية LiMPO4 التجاري. كان C/LiFePO4 ، المجموعة الكاملة من LiMPO4 يسمى بشكل غير رسمي "فوسفات الحديد والليثيوم" أو " LiFePO4 ". ومع ذلك ، يمكن استخدام أكثر من طور من النوع الأوليفين كمادة (كاثود) البطارية. مركبات الزبرجد الزيتوني مثل AyMPO4 ، و Li1−xMFePO4 ، و LiFePO4−zM لها نفس الهياكل البلورية مثل LiMPO4 ، ويمكن أن يحل محله في الكاثود. يمكن الإشارة إلى الجميع باسم مواد "LFP"، اختصارا لـ LiFeP. يشكل المنغنيز والفوسفات والحديد والليثيوم أيضًا تسمى أوليفين . هذا الهيكل هو مساهم مفيد في الكاثود لبطاريات الليثيوم القابلة لإعادة الشحن (أي ) ؛ فهي التي تستعمل في الهاتف المحمول وكذلك في بطاريات السيارات الكهربائية الحديثة. ويرجع ذلك إلى هيكل الزبرجد الزيتوني الناتج عن دمج الليثيوم مع المنغنيز والحديد والفوسفات (كما هو موضح أعلاه في الشكل البلوري). تعتبر الهياكل الأوليفين (الزيتونية) لبطاريات الليثيوم القابلة لإعادة الشحن مهمة ، لأنها ميسورة التكلفة ومستقرة ويمكن استخدامها بأمان لتخزين الطاقة. . حدد العالمان الكيميائيان Arumugam Manthiram و أولاً فئة لمواد الكاثود . LiFePO4</br> وتم تحديد LiFePO4 كمواد الكاثود التي تنتمي إلى فئة "متعدد الأنيون" polyanion لاستخدامها في البطاريات في عام 1996 بواسطة الباحث "بادهي "وزملائه. وقاموا باستخراج الليثيوم من </br> LiFePO4 وإدخاله في المركب FePO4</br> مرة أخرى فكان ذلك مؤكدا لنجاح عملية التركيب FePO4 . أكد ت تجارب أن التركيبة العامة " LFP " كانت قادرة على ضمان أمان تيار الإدخال / والإخراج الكبير لبطاريات الليثيوم. يمكن إنتاج المادة عن طريق تسخين مجموعة متنوعة من أملاح الحديد والليثيوم بالفوسفات أو . تم وصف العديد من الطرق ذات الصلة بما في ذلك تلك التي تستخدم التخليق الحراري المائي . . في المركب LiFePO4 ، الليثيوم له شحنة +1 ، وشحنة الحديد + 2 وهما يوازنان الشحنة السالبة −3 للفوسفات. وعند إزالة الليثيوم Li ، تتحول المادة إلى المركب الحديدي FePO4 . تشكل ذرة الحديد و 6 ذرات أكسجين في البلورة ، وتوصف FeO6 بأن فيها أيون حديد Fe في المركز البلوري. وأما مجموعات الفوسفات PO4 ، فهي في شكل رباعي السطوح (مستطيل ثلاثي الأبعاد ؛ صندوقي الشكل ). يتكون الإطار ثلاثي الأبعاد من FeO6 ثماني وجوه تقاسم الزوايا المشغولة بذرات الأكسجين O. تتواجد أيونات الليثيوم داخل قنوات الثمتنية الأبعاد octahedral بطريقة متعرجة (زجزاجية) . في ، يُعتقد أن هذا الهيكل ينتمي إلى المجموعة الفضائية P mnb للنظام البلوري . هي: الضلع الطولي للخلية البلورية أ = 6.008 Å ، والضلع العرضي ب = 10.334 Å و الارتفاع c = 4.693 Å. حجم يبلغ 291.4 Å (المقاييس البلورية ). على عكس مادتين تقليديتين من مادة الكاثود () ، LiMnO4 و LiCoO2 ، تنتقل أيونات الليثيوم من LiMPO4 في الشبكة البلورية في اتجاه واحد في الشبكة البلورية . أثناء الشحن /والتفريغ ، يتم استخراج أيونات الليثيوم بالتزامن مع أكسدة الحديد وتحرير إلكترون ، طبقا للمعادلة : الإلكترونات تصبح حرة وتشكل تيارا كهربائيا. عند استخراج الليثيوم من LiFePO4 ينتج FePO4 بهيكل مماثل. ويشغل FePO4 هيكل بلوري من تصنيف "مجموعة فضاء" P mnb بحجم يبلغ حجمها 272.4 Å ،أي أصغر قليلاً من سلائفها ذات الليثيوم. يقلل استخراج أيونات الليثيوم من الشبكة ، كما هو الحال مع أكاسيد الليثيوم LiMPO4 فإن الزاوية المشتركة FeO6 لثماني السطوح مفصولة بذرات الأكسجين من الـ PO43- (سالبة الشحنة -3) في رباعي السطوح ولا يمكن أن تشكل FeO6 المستمر في الشبكة البلورية ، وهذا يُحد من التوصيل الكهربي. تشكل مجموعة سداسية معبأة تقريبًا من مراكز الأكاسيد حجمًا صغيرا نسبيًا لأيونات الليثيوم Li+ للحركة بداخلها. لهذا السبب ، فإن الموصلية الأيونية لـ Li+ منخفضة نسبيًا في درجة حرارة الغرفة. تفاصيل إدخال الليثيوم lithiation في FePO4 وإنتاج LiFePO4 تم فحصه بواسطة LiFePO4 ، توجد مرحلتان من المواد الصخرية فعالة .