Voir la source de Phosphate de fer et de lithium

{{Ébauche|composé chimique}}
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Le '''phosphate de fer et de lithium''', également appelé '''phosphate de fer lithié''' voire '''lithium fer phosphate''' ([[calque (linguistique)|calque]] de l'[[anglais]] ''{{langue|en|lithium iron phosphate}}''), est un [[phosphate]] mixte de [[fer]] et de [[lithium]], [[composé inorganique]] de [[formule brute|formule]] LiFePO<sub>4</sub>.

On l'utilise comme [[composant]] de [[Batterie d'accumulateurs|batteries]], les [[Accumulateur lithium-fer-phosphate|accumulateurs lithium-fer-phosphate]].

La plupart des [[Accumulateur lithium-ion|batteries au lithium-ion]] (Li-ion) utilisées dans les produits électroniques grand public utilisent des [[cathode]]s constituées de composés de lithium tels que l'[[oxyde de cobalt et de lithium]] (LiCoO{{ind|2}}), l'oxyde de manganèse et de lithium ({{Fchim|LiMn|2|O|4}}) et l’oxyde de nickel et de lithium (LiNiO{{ind|2}}). Les [[anode]]s sont généralement en [[graphite]].

Le phosphate de fer et lithium existe naturellement sous forme de [[triphylite]], mais ce minéral n’a pas une pureté suffisante pour être utilisé dans les batteries.

== Composés {{Fchim|LiMPO|4}} ==
Avec une formule chimique générale {{Fchim|LiMPO|4}}, les composés de la famille {{Fchim|LiFePO|4}} adoptent la structure [[olivine]]. M comprend non seulement Fe mais également Co, Mn et Ti<ref>{{Article|nom1=Fedotov|prénom1=Stanislav S.|nom2=Luchinin|prénom2=Nikita D.|nom3=Aksyonov|prénom3=Dmitry A.|nom4=Morozov|prénom4=Anatoly V.|nom5=Ryazantsev|prénom5=Sergey V.|nom6=Gaboardi|prénom6=Mattia|nom7=Plaisier|prénom7=Jasper R.|nom8=Stevenson|prénom8=Keith J.|nom9=Abakumov|prénom9=Artem M.|nom10=Antipov|prénom10=Evgeny V.|date=2020-03-20|titre=Titanium-based potassium-ion battery positive electrode with extraordinarily high redox potential|périodique=Nature Communications|langue=en|volume=11|numéro=1|page=1484|doi=10.1038/s41467-020-15244-6|pmid=32198379|pmc=7083823|bibcode=2020NatCo..11.1484F|issn=2041-1723|citation=LiTiPO4F|accès doi=libre}}</ref>. Comme le premier composé commercial de type {{Fchim|LiMPO|4}} était C/{{Fchim|LiFePO|4}}, l'ensemble du groupe {{Fchim|LiMPO|4}} est appelé informellement “phosphate de fer et de lithium” ou “{{Fchim|LiFePO|4}}”. Cependant, plus d'une phase de type olivine peut être utilisée comme matériau de cathode. Les composés à structure olivine tels que {{Fchim|A|''y''|MPO|4}}, {{Fchim|Li|1−''x''|MFePO|4}}, et {{Fchim|LiFePO|4−''z''|M}} ont les mêmes structures cristallines que {{Fchim|LiMPO|4}}, et peuvent le remplacer dans une cathode.

== Histoire et production ==
{{Lien|Arumugam Manthiram}} et [[John B. Goodenough]] ont été les premiers à identifier la classe des [[polyanion]]s pour les matériaux de cathode des batteries lithium-ion<ref>{{Article |langue=en|nom1=Masquelier |prénom1=Christian |nom2=Croguennec |prénom2=Laurence |titre=Polyanionic (Phosphates, Silicates, Sulfates) Frameworks as Electrode Materials for Rechargeable Li (or Na) Batteries |doi=10.1021/cr3001862 |périodique=Chemical Reviews |volume=113 |numéro=8 |pages=6552–6591 |année=2013|pmid=23742145 }}</ref>{{,}}<ref>{{Article | langue=en|nom1 = Manthiram | prénom1 = A. | nom2 = Goodenough | prénom2 = J. B. | doi = 10.1016/0378-7753(89)80153-3 | titre = Lithium insertion into Fe<sub>2</sub>(SO<sub>4</sub>)<sub>3</sub> frameworks | périodique = Journal of Power Sources | volume = 26 | numéro = 3–4 | pages = 403–408 | année = 1989 | bibcode = 1989JPS....26..403M }}</ref>{{,}}<ref>{{Article | langue=en|nom1 = Manthiram | prénom1 = A. | nom2 = Goodenough | prénom2 = J. B. | doi = 10.1016/0022-4596(87)90242-8 | titre = Lithium insertion into Fe<sub>2</sub>(MO<sub>4</sub>)<sub>3</sub> frameworks: Comparison of M = W with M = Mo | périodique = Journal of Solid State Chemistry | volume = 71 | numéro = 2 | pages = 349–360 | année = 1987 | bibcode = 1987JSSCh..71..349M | accès doi = libre }}</ref>. Le {{Fchim|LiFePO|4}} a ensuite été identifié par Padhi et al. en 1996 comme matériau cathodique appartenant à la classe des polyanions pour une utilisation dans les batteries<ref>"{{Article|langue=en|titre={{chem|LiFePO|4}}: A Novel Cathode Material for Rechargeable Batteries"|auteur1=A.K. Padhi|auteur2=K.S. Nanjundaswamy|auteur3=J.B. Goodenough|périodique=Electrochemical Society Meeting Abstracts|volume=96-1|date=mai 1996|pages=73}}</ref>{{,}}<ref>{{Article|langue=en|titre=“Phospho-olivines as Positive-Electrode Materials for Rechargeable Lithium Batteries”|auteur1=A. K. Padhi|auteur2=K. S. Nanjundaswamy|auteur3=J. B. Goodenough| périodique=J. Electrochem. Soc.|volume=144|numéro=4|pages=1188–1194|date=avril 1997}}</ref>. L'extraction réversible du lithium à partir du {{Fchim|LiFePO|4}} et l’insertion du lithium dans le {{Fchim|FePO|4}} ont été démontrées. La [[diffraction des neutrons]] a confirmé que le LFP était en mesure d’assurer la sécurité des courants d’entrée/sortie importants des batteries au lithium<ref>Nature Materials, 2008, 7, 707-711.</ref>.

Le matériau peut être produit en chauffant une variété de sels de fer et de lithium avec des phosphates ou de l’[[acide phosphorique]]. De nombreuses voies connexes ont été décrites, y compris celles qui utilisent la [[synthèse hydrothermale]]<ref>{{Article|langue=en| doi = 10.1016/j.jpowsour.2009.01.074| issn = 0378-7753| volume = 190| numéro = 2| pages = 538–544| nom1 = Jugović| prénom1 = Dragana| nom2 = Uskoković| prénom2 = Dragan| titre = A review of recent developments in the synthesis procedures of lithium iron phosphate powders|périodique = Journal of Power Sources| date = 2009-05-15| url =http://itn.sanu.ac.rs/opus4/files/1199/Jugovic%20et%20al_revised%20manuscript_doi_10%201016_jjpowsour200901074.pdf| bibcode = 2009JPS...190..538J}}</ref>.

== Propriétés physiques et chimiques ==
Dans {{Fchim|LiFePO|4}}, le lithium a une charge +1 et le fer une charge +2, équilibrant la charge −3 du phosphate. Lors de l'extraction de Li, le matériau se convertit dans la forme ferrique {{Fchim|FePO|4}}<ref name= Love>{{Article|langue=en| titre=Review of {{chem|LiFePO|4}} phase transition mechanisms and new observations from X-ray absorption spectroscopy| author1=Love, Corey T.|author2=Korovina, Anna|author3=Patridge, Christopher J.|author4=Swider-Lyons|author5=Karen E.|author6=Twigg, Mark E.|author7=Ramaker, David E.|périodique= Journal of the Electrochemical Society|année=2013| volume=160|numéro=5|pages=A3153–A3161|doi=10.1149/2.023305jes|accès doi=libre}}</ref>.

L'atome de fer et les 6 atomes d'oxygène forment une [[octaèdre|sphère de coordination octaédrique]], décrite comme {{Fchim|FeO|6}}, avec l'ion Fe ion au centre. Les groupes phosphate {{Fchim|PO|4}} sont tétraédriques. Le réseau tridimensionnel est formé par les octaèdres {{chem|FeO|6}} partageant les coins O. Les ions lithium résident au sein de canaux octaédriques dans un arrangement en zigzag. En [[cristallographie]], cette structure est supposée appartenir au [[groupe d'espace]] P<sub>mnb</sub> du [[système cristallin orthorhombique]]. Le [[Paramètre cristallin|paramètres cristallins]] sont : ''a'' = 6.008 Å, ''b'' = 10.334 Å, et ''c'' = 4.693 Å. Le volume de la [[Maille (cristallographie)|maille]] vaut 291,4 Å<sup>3</sup>.

En contraste avec les deux matériaux traditionnels de cathode, {{Fchim|LiMnO|4}} et {{Fchim|LiCoO|2}}, les ions lithium de {{Fchim|LiFePO|4}} migrent dans le volume libre unidimensionnel du réseau. Lors de la charge/décharge, les ions lithium sont extraits en même temps que l'oxydation de Fe :
:<chem>LiFe^{II}PO4 <=> Fe^{III}PO4 + Li+ + e-</chem>

L'extraction du lithium de {{Fchim|LiFePO|4}} produit du {{Fchim|FePO|4}} qui a une structure similaire. {{Fchim|FePO|4}} possède un groupe d'espace P<sub>mnb</sub> avec un volume de cellule unitaire de 272,4 Å<sup>3</sup>, légèrement plus petit que celui de son précurseur lithié. L'extraction des ions lithium réduit le volume de la maille, comme c'est le cas avec les oxydes de lithium. Les octaèdres {{Fchim|FeO|6}} à coins partagés de {{Fchim|LiFePO|4}} sont séparés par les atomes d'oxygène des tétraèdres {{Fchim|PO|4|{{exp|3-}}}} et ne peuvent former un réseau continu {{Fchim|FeO|6}}, réduisant la conductivité.

Un réseau presque hexagonal compact de centres oxyde fournit un volume libre relativement petit pour que les ions Li{{exp|+}} puissent migrer. Pour cette raison, la [[conductivité électrique|conductivité ionique]] de Li{{exp|+}} est relativement faible à température ambiante. Les détails de la lithiation de {{Fchim|FePO|4}} et de la délithiation de {{Fchim|LiFePO|4}} ont été examinés. Deux phases du matériau lithié sont impliquées<ref name= Love/>{{,}}<ref>{{Article|langue=en|auteur1=Malik, R.|auteur2= Abdellahi, A.|auteur3=Ceder, G.|titre="A Critical Review of the Li Insertion Mechanisms in {{Fchim|LiFePO|4}} Electrodes"|périodique=J. Electrochem. Soc.|année=2013|volume=160|pages=A3179-A3197|doi=10.1149/2.029305jes}}</ref>.

== Notes et références ==
{{Références}}

{{Palette|Composés du fer|Composés du lithium}}
{{Portail|chimie}}

[[Catégorie:Phosphate|fer lithium]]
[[Catégorie:Composé du fer]]
[[Catégorie:Composé du lithium]]