Litio ferro fosfato

Il litio ferro fosfato (LFP) è un sale con formula LiFePO₄ in cui il ferro ha numero di ossidazione +2. È presente nella trifilite, minerale scoperto per la prima volta nel 1834 dal chimico e mineralogista tedesco Johann Nepomuk von Fuchs.

Il litio ferro fosfato si presenta come un solido cristallino, poco solubile in acqua, acidi diluiti e nella maggior parte dei solventi organici. È di colore grigio, rosso-grigio, marrone o nero, una densità di 3.6 g/cm³, un punto di fusione maggiore di 300°C e cristallizza nel sistema ortorombico.

Il litio ferro fosfato resiste ad alte temperature senza decomporsi, è incombustibile, offre eccellenti proprietà di sicurezza ed è ideale per l’accumulo di energia grazie alla sua stabilità termica rispetto ad altre sostanze chimiche oltre a essere sicuro per l’ambiente

Proprietà delle batterie al litio ferro fosfato

Le batterie al litio ferro fosfato appartengono alla più ampia famiglia delle batterie a ioni di litio. Tuttavia hanno attirato l’interesse per la loro sicurezza essendo meno soggette a surriscaldamento e thermal runway.

Inoltre presentano una durata del ciclo più lunga rispetto ad altre batterie agli ioni di litio e ciò le rende adatte ad applicazioni in cui le batterie devono sopportare numerosi cicli di carica e scarica, come, ad esempio, nei veicoli elettrici, nei sistemi di accumulo di energia e nelle apparecchiature di comunicazione.

Sono dotate di elevata stabilità termica e possono funzionare in un intervallo di temperatura più ampio rispetto alle altre batterie e pertanto adatte a condizioni ambientali estreme. Hanno elevata densità energetica e, grazie all’abbondanza di ferro e fosfato, che sono meno costosi rispetto a materiali come il cobalto o il nichel utilizzati in altre batterie agli ioni di litio hanno costi inferiori.

Hanno una capacità di ricarica rapida, proprietà importante nelle applicazioni in cui sono essenziali tempi di risposta rapidi, come veicoli elettrici e dispositivi elettronici portatili. Inoltre hanno un tasso di autoscarica inferiore rispetto ad altre batterie ricaricabili. Ciò significa che possono mantenere la carica per periodi più lunghi quando non sono in uso, rendendole adatte per applicazioni che richiedono l’accumulo di energia per periodi prolungati.

Possono fornire elevate correnti di scarica, rendendole adatte ad applicazioni che richiedono un rilascio di energia rapido e potente. Tuttavia, rispetto ad altre batterie agli ioni di litio, hanno una minore densità energetica e ciò implica che, per una determinata capacità energetica, hanno dimensioni maggiori.

Hanno una tensione inferiore rispetto alle altre batterie i dispositivi e pertanto i sistemi progettati per batterie a tensione più elevata potrebbero aver bisogno di celle aggiuntive in serie, con un impatto sulla progettazione e sulla complessità

Materiali

Le batterie al litio ferro fosfato utilizzano LiFePO₄ come materiale catodico insieme a un elettrodo di carbonio in grafite con un supporto metallico come anodo. Il litio è l’elemento chiave che consente le reazioni elettrochimiche all’interno della batteria e funge da fonte di ioni caricati positivamente che si muovono tra l’anodo e il catodo durante i cicli di carica e scarica.

Il ferro presente come Fe²⁺ è coinvolto nella reazione redox che coinvolge gli ioni di ferro Fe²⁺/Fe³⁺ ed è responsabile del movimento degli elettroni, che porta al flusso di corrente elettrica. Per migliorare la conduttività elettrica del catodo delle batterie al litio ferro fosfato, spesso vengono incorporati additivi di carbonio conduttivo che forniscono una modalità per il trasferimento di elettroni all’interno del materiale del catodo, consentendo un processo di carica e scarica più efficienti.

L’elettrolita in una batteria al litio ferro fosfato è un componente fondamentale che influenza significativamente le prestazioni, la sicurezza, la longevità della batteria e facilita il movimento degli ioni di litio tra il catodo e l’anodo. Solitamente è costituito da sali di litio e solventi organici.

Il separatore, che fornisce una barriera tra l’anodo e il catodo consentendo al contempo lo scambio di ioni di litio da un lato all’altro, è solitamente costituito da un materiale polimerico poroso.

Reazioni

In una batteria al litio ferro fosfato avvengono diverse reazioni elettrochimiche che si verificano durante i cicli di carica e scarica.

Nel processo di carica il litio ferro fosfato perde uno ione litio e il ferro (II) si trasforma in ferro (III). Gli ioni litio si spostano attraverso l’elettrolita fino all’anodo, dove vengono intercalati nella struttura della grafite.

Questo processo determina lo spostamento di elettroni (e-) dal catodo all’anodo, creando una corrente elettrica.
catodo: LiFePO₄ → x FePO₄ +(1-x) LiFePO₄ + -x Li⁺ + x e^–
anodo: x Li⁺+x e^– + C₆→ LiC₆

Durante la scarica, gli ioni di litio immagazzinati nell’anodo tornano al catodo e nel corso di questo processo  si verifica un rilascio di energia che alimenta dispositivi o sistemi esterni:
FePO₄ +  x e^– + x Li⁺ → x LiFePO₄ +  (1- x) FePO₄

Preparazione del litio ferro fosfato

Il processo di preparazione del litio ferro fosfato può essere realizzato tramite un metodo in fase solida e un metodo in fase liquida. Tra i metodi in fase solida vi sono, tra gli altri, il metodo di reazione in fase solida ad alta temperatura, il metodo di riduzione carbotermica e metodo di sintesi a microonde.

Il metodo in fase liquida include quello di precipitazione in fase liquida, il processo sol-gel e quello di sintesi idrotermica. Uno dei metodi di sintesi prevede la reazione del carbonato di litio o idrossido di litio in una fonte di litio.

I composti a base di ferro come il fosfato di ferro (II) triidrato Fe₃(PO₄)₂ · 3 H₂O sono usati come fonti di ferro, mentre le fonti di carbonio sono costituite da glucosio, grafene e nanotubi di carbonio. Sono disciolti in solventi singoli o misti come acqua ultrapura, glicole etilenico, glicole propilenico e ammine organiche secondo un determinato rapporto.

Successivamente è regolato il valore del pH aggiungendo sostanze alcaline come ammoniaca o idrossido di sodio, in modo che Fe³⁺ reagisca con il fosfato per produrre fosfato di ferro mentre gli ioni litio iniziano a essere incorporati.

Il precipitato è lavato più volte con una quantità appropriata di solvente per rimuovere le impurità, poi essiccato per rimuovere il solvente residuo e calcinato a 700/800 °C, temperatura alla quale si formano cristalli di litio ferro fosfato. Infine, i prodotti ottenuti vengono frantumati, macinati e setacciati e  il ferro  viene rimosso  per ottenere un prodotto su scala micrometrica o nanometrica con dimensioni delle particelle uniformi.

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