ترکیب فسفات آهن لیتیوم، در سالهای اخیر محبوبیت زیادی در صنعت باتری یافته است. مهمترین نقطه ضعف این ترکیب، ظرفیت ذخیره انرژی کمتر آن نسبت به کاتدهای حاوی نیکل و کبالت است. اما ورود یک فلز مانند منگنز به این ساختار و ایجاد ساختار LMFP، چگالی انرژی فسفات آهن لیتیوم (LFP) را بهبود میبخشد درحالیکه ساختار کمهزینهای را نیز حفظ میکند. این ترکیب عمدتاً جایگزین کاتدهای حاوی نیکل در خودروهای الکتریکی سایز متوسط میشود.
فرایند تولید هیدروترمال در ساخت LFP بهطور عمده برای تهیه ی LMFP نیز قابل اجرا است، هرچند روش تولید حالت جامد درحالحاضر مسیر اصلی تولید این ترکیب در چین است. در بخش خودروهای الکتریکی، LMFP جایگزین مناسبی برای ترکیب NCM532/622 در خودروهای سایز متوسط است، درحالیکه همزمان بخشی از سهم بازار LFP را نیز بهخود اختصاص میدهد. جدول 1 نشاندهندۀ روش و منبع منگنز استفاده شده برای تولید LMFP توسط هریک از فناوران اصلی مستقر در چین است.
نسبت بین آهن و منگنز متغیر کلیدی در عملکرد این ماده است. با نسبت بالای منگنز و اعوجاج بیش از حد شبکۀ کریستالی، عمر چرخه و پایداری کاتد کاهش مییابد. از طرف دیگر، نسبت پایین منگنز نمیتواند بهاندازه کافی چگالی انرژی را افزایش دهد، که مهمترین مزیت LMFP نسبت به LFP است.
بنابراین حداقل مقدار استاندارد منگنز در ساختار، حدود 50% اتمی است، اما تولیدکنندگان چینی کاتد، قادر به دستیابی به کاتدهای حاوی 60 تا 65% منگنز نیز هستند. تحقیق این شرکتها در مورد نمونههایی با میزان منگنز 70 تا 80% نیز در حال انجام است. روشهای مختلفی که برای بهبود ظرفیت مواد LMFP به کار میروند در جدول 2 نمایش داده شدهاند.
| جدول 2- روشهای بهبود کاتد LMFP | |
| اصلاح سطحی و رسانایی یونی | شرکت Dynanonic با جایگزینی روش حالت جامد با روش هیدروترمال، عمر چرخهای کاتد LMFP را از 1000 چرخه به حدود 3000 چرخه بهبود داده است. |
| استفاده از نانوفناوری | کاهش اندازه ذرات، با کوتاه کردن مسیر نفوذ، عملکرد الکتروشیمیایی کاتد را بهبود میدهد. اما هزینه تولید نانوذرات همچنان مهمترین دغدغه در این روش است. |
| پوشش کربنی | منجر به افزایش رسانایی الکتریکی کاتد میشود همچنین به بهبود عملکرد آن در دماهای بالاتر کمک میکند. |
| آلایش یونی (Doping) | با اصلاح ابعاد شبکۀ کریستالی، رسانش یونی در ماده را ارتقا میدهد. یونهای معمول استفاده شده شامل Mg2+، Cu2+ و V3+ میشوند. |
| کامپوزیتسازی با ترکیب NCM | برخلاف ولتاژ ثابت LFP، رفتار ولتاژی LMFP و NCM مشابه با یکدیگرند. لذا میتوان از ایمنی و پایداری LMFP و چگالی انرژی بالای NCM در کنار یکدیگر استفاده کرد. |
چگالی انرژی، چرخه عمر و طراحی باتریها برای کاربرد ساکن، تا حدودی از خودروهای الکتریکی (EV) متفاوت است.
لذا LMFP احتمالاً برای کاربرد ذخیرهسازی ساکن، گزینۀ مناسبی نخواهد بود و کاربرد اصلی LMFP در خودروهای الکتریکی (EV) است. علیرغم بهبودهای فنی عمده در LFP که در چند سال گذشته نشان داده شده است، بسیاری از خودروسازان همچنان به محدودیتهای آن در چگالی انرژی اشاره کرده و در استفاده از آن در خودروهای گرانقیمتتر و یا با برد بیشتر مانند وسایل نقلیۀ عمومی تردید دارند. LMFP چگالی انرژی 10-20٪ بالاتری را ارائه میدهد که بهدلیل افزایش ولتاژ عملیاتی از 2/3 ولت تا 9/3 ولت میباشد. به همین دلیل، انتظار میرود LMFP بهطور عمده برای خودروهای سایز متوسط استفاده شود که بزرگترین بخش تقاضا را تشکیل میدهند. بنابراین، LMFP احتمالاً سهم بازار NMC 532/622 را تا پایان دهۀ میلادی جایگزین خواهد کرد. باتریها
با کاتد LMFP در سلهای با اندازۀ بزرگ و با پیکربندیهای سل به بسته (Cell-to-Pack) و بهینهسازی فضای پک باتری، LMFP حتی میتواند با شیمیهای نیکل بالا رقابت کنند. بهعلاوه افزایش 20٪ در چگالی انرژی، کاهش 13٪ هزینه باتری بر اساس هر کیلووات ساعت را بههمراه خواهد داشت.
همانطور که در بالا ذکر شد، ترکیب LMFP با NMC نیز در کنار استفاده از LMFP خالص عملی شده است. تولیدکنندگان مخلوطهایی با نسبتهای 70:30 و 60:40 NMC به LMFP تولید میکنند.
نبود ظرفیت پردازش قابل توجه در خارج از چین به این معنی است که کاربران نهایی اروپایی تا زمانی که پروژههای جدید آنلاین شوند، به تأمین از چین متکی خواهند بود و این مانعی برای رشد LMFP در بقیه جهان در این میان محسوب میشود. یک خودروی الکتریکی دارای باتری معمولی 60 کیلووات ساعت با کاتد LMFP بهطور متوسط 30 کیلوگرم منگنز نیاز دارد. این به معنای نیاز اضافی به 147 هزار تن منگنز (460 هزار تن سولفات منگنز با خلوص بالا) در سال 2030 است.
بیشتر بخوانید:
فسفریک اسید، گلوگاه تولید انبوه LFP
استفاده تسلا از LFP در باتری کامیونهای برقی
