Phosphate de fer et de lithium

Modèle:Ébauche Modèle:Infobox Chimie Le phosphate de fer et de lithium, également appelé phosphate de fer lithié voire lithium fer phosphate (calque de l'anglais Modèle:Langue), est un phosphate mixte de fer et de lithium, composé inorganique de formule LiFePO₄.

On l'utilise comme composant de batteries, les accumulateurs lithium-fer-phosphate.

La plupart des batteries au lithium-ion (Li-ion) utilisées dans les produits électroniques grand public utilisent des cathodes constituées de composés de lithium tels que l'oxyde de cobalt et de lithium (LiCoOModèle:Ind), l'oxyde de manganèse et de lithium (Modèle:Fchim) et l’oxyde de nickel et de lithium (LiNiOModèle:Ind). Les anodes 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 Modèle:Fchim

Avec une formule chimique générale Modèle:Fchim, les composés de la famille Modèle:Fchim adoptent la structure olivine. M comprend non seulement Fe mais également Co, Mn et Ti. Comme le premier composé commercial de type Modèle:Fchim était C/Modèle:Fchim, l'ensemble du groupe Modèle:Fchim est appelé informellement “phosphate de fer et de lithium” ou “Modèle:Fchim”. Cependant, plus d'une phase de type olivine peut être utilisée comme matériau de cathode. Les composés à structure olivine tels que Modèle:Fchim, Modèle:Fchim, et Modèle:Fchim ont les mêmes structures cristallines que Modèle:Fchim, et peuvent le remplacer dans une cathode.

Histoire et production

Modèle:Lien et John B. Goodenough ont été les premiers à identifier la classe des polyanions pour les matériaux de cathode des batteries lithium-ionModèle:,Modèle:,. Le Modèle:Fchim a ensuite été identifié par Padhi et al. en 1996 comme matériau cathodique appartenant à la classe des polyanions pour une utilisation dans les batteriesModèle:,. L'extraction réversible du lithium à partir du Modèle:Fchim et l’insertion du lithium dans le Modèle:Fchim 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.

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.

Propriétés physiques et chimiques

Dans Modèle:Fchim, 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 Modèle:Fchim.

L'atome de fer et les 6 atomes d'oxygène forment une sphère de coordination octaédrique, décrite comme Modèle:Fchim, avec l'ion Fe ion au centre. Les groupes phosphate Modèle:Fchim sont tétraédriques. Le réseau tridimensionnel est formé par les octaèdres Modèle:Chem 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_mnb du système cristallin orthorhombique. Le paramètres cristallins sont : a = 6.008 Å, b = 10.334 Å, et c = 4.693 Å. Le volume de la maille vaut 291,4 ų.

En contraste avec les deux matériaux traditionnels de cathode, Modèle:Fchim et Modèle:Fchim, les ions lithium de Modèle:Fchim 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 :

$\mathrm{L}\mathrm{i}\mathrm{F}\mathrm{e}{\phantom{A}}^{\mathrm{I}\mathrm{I}}\mathrm{P}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4\stackrel{-\rightharpoonup }{\leftharpoondown -}\mathrm{F}\mathrm{e}{\phantom{A}}^{\mathrm{I}\mathrm{I}\mathrm{I}}\mathrm{P}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4+\mathrm{L}\mathrm{i}{\phantom{A}}^{+}+\mathrm{e}{\phantom{A}}^{-}$

L'extraction du lithium de Modèle:Fchim produit du Modèle:Fchim qui a une structure similaire. Modèle:Fchim possède un groupe d'espace P_mnb avec un volume de cellule unitaire de 272,4 ų, 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 Modèle:Fchim à coins partagés de Modèle:Fchim sont séparés par les atomes d'oxygène des tétraèdres Modèle:Fchim et ne peuvent former un réseau continu Modèle:Fchim, réduisant la conductivité.

Un réseau presque hexagonal compact de centres oxyde fournit un volume libre relativement petit pour que les ions LiModèle:Exp puissent migrer. Pour cette raison, la conductivité ionique de LiModèle:Exp est relativement faible à température ambiante. Les détails de la lithiation de Modèle:Fchim et de la délithiation de Modèle:Fchim ont été examinés. Deux phases du matériau lithié sont impliquéesModèle:,.