LFP為LiFePO4的簡寫，中文一般稱為磷酸鐵鋰，橄欖石結構。
基本介紹
- 中文名：LFP
- 外文名：Lithium Iron Phosphate
- 全稱：LiFePO4
- 用途：鋰離子電池正極材料
- 晶體結構：橄欖石結構
- 空間點陣：Pnma
簡介,LFP的發現,物理化學性質,產業上的套用,
簡介
磷酸鋰鐵（分子式LiFePO4，Lithium Iron Phosphate ，又稱磷酸鐵鋰、鋰鐵磷，簡稱LFP），是一種鋰離子電池的正極材料，也稱為鋰鐵磷電池，特色是不含鈷等貴重元素，原料價格低且磷、鋰、鐵存在於地球的資源含量豐富，不會有供料問題。其工作電壓適中（3.2V）、電容量大（170mAh/g）、高放電功率、可快速充電且循環壽命長，在高溫與高熱環境下的穩定性高。這個看似不起眼卻引發鋰電池革命的新材料，為橄欖石結構分類中的一種，礦物學中的學名稱為（ triphyllite ），是從希臘字的Tri以及 fylon兩個字根而來，在礦石中的顏色可為灰色，紅麻灰色，棕色或黑色，相關的礦物數據可參考相關網站。
LFP的發現
自1996年日本的NTT首次揭露AyMPO4(A為鹼金屬，M為CoFe兩者之組合:LiFeCOPO4)的橄欖石結構的鋰電池正極材料之後, 1997年美國德克薩斯州立大學John. B. Goodenough等研究群，也接著報導了LiFePO4的可逆性地遷入脫出鋰的特性，美國與日本不約而同地發表橄欖石結構(LiMPO4), 使得該材料受到了極大的重視，並引起廣泛的研究和迅速的發展。與傳統的鋰離子二次電池正極材料，尖晶石結構的LiMn2O4和層狀結構的LiCoO2相比，LiMPO4 的原物料來源更廣泛、價格更低廉且無環境污染。
物理化學性質
磷酸鋰鐵化學分子式的表示法為：LiMPO4，其中鋰為正一價；中心金屬鐵為正二價；磷酸根為負三價，中心金屬鐵與周圍的六個氧形成以鐵為中心共角的八面體FeO6，而磷酸根中的磷與四個氧原子形成以磷為中心共邊的四面體 PO4，藉由鐵的FeO6八面體和磷的PO4四面體所構成的空間骨架，共同交替形成Z字型的鏈狀結構，而鋰離子則占據共邊的空間骨架中所構成的八面體位置，晶格中FeO6通過 bc 面的共享角連結起來，LiO6則形成沿著b軸方向的共邊長鏈，一個FeO6八面體與兩個LiO6八面體和一個PO4四面體共邊，而PO4四面體則與一個FeO6八面體和兩個LiO6八面體共邊。在結晶學的對稱分類上屬於斜方晶系Orthorhombic中的Pmnb空間群，單位晶格常數為 a=6.008Å，b=10.334Å，c=4.693Å，單位晶格的體積為291.4m3。由於結構中的磷酸基對整個材料的框架具有穩定的作用，使得材料本身具有良好的熱穩定性和循環性能。
LiMPO4中的鋰離子不同於傳統的正極材料LiMn2O4和LiCoO2，其具有一維方向的可移動性，在充放電過程中可以可逆的脫出和遷入並伴隨著中心金屬鐵的氧化與還原。而LiMPO4 的理論電容量為 170mAh/g，並且擁有平穩的電壓平台 3.45V。 其鋰離子遷入脫出的反應如下所式： LiFe(II)PO4 <-> Fe(III)PO4 + Li+ + e- (1)
鋰離子脫出後，生成相似結構的 FePO4，但空間群也為Pmnb，單位晶格常數為 a=5.792Å，b=9.821Å，c=4.788Å，單位晶格的體積為272.4m3，鋰離子脫出後，晶格的體積減少，這一點與鋰的氧化物相似。 而LiMPO4中的FeO6八面體共頂點，因為被PO43-四面體的氧原子分隔，無法形成連續的FeO6網路結構，從而降低了電子傳導性。另一方面，晶體中的氧原子接近於六方最密堆積的方式排列，因此對鋰離子僅提供有限的通道，使得室溫下鋰離子在結構中的遷移速率很小。在充電的過程中，鋰離子和相應的電子由結構中脫出，而在結構中形成新的FePO4相，並形成相界面。在放電過程中，鋰離子和相應的電子遷入結構中，並在FePO4相外面形成新的LiMPO4相。因此對於球形的正極材料的顆粒，不論是遷入還是脫出，鋰離子都要經歷一個由外到內或者是由內到外的結構相的轉換程。 材料在充放電過程中存在一個決定步驟，也就是產生 LixFePO4 / Li1-xFePO4 兩相接口。 隨著鋰的不斷遷入脫出，接口面積減小，當到達臨界表面積後，生成的FePO4電子和離子導電率均低，成為兩相結構。因此，位於粒子中心的LiMPO4得不到充分利用，特別是在大電流的條件下。
若不考慮電子導電性的限制，鋰離子在橄欖石結構中的遷移是通過一維通道進行的，並且鋰離子的擴散係數高，並且LiMPO4經過多次充放電，橄欖石結構依然穩定，鐵原子依然處於八面體位置，可以做為循環性能優良的正極材料。在充電過程中，鐵原子位於八面體位置，均處於高自旋(high spin)狀態。
產業上的套用
LFP電池和一般鋰電池同為綠色環保電池，但兩者最大不同點是LFP電池完全沒有過熱或爆炸等安全性顧慮，再加上電池循環壽命約是鋰電池的4~5倍，高於鋰電池8~10倍高放電功率（可瞬間產生大電流），加上同樣能量密度下整體重量，約較鋰電池減少30~50%。因此受到軍事、汽車、電池等等與電能相關領域的重視，鋰電池廠紛紛投入這種新型動力鋰電池的生產，目標市場就是電動腳踏車與電動公車。
