Il litio ferro fosfato (LFP), con formula chimica LiFePO4, è un sale in cui il ferro presenta un numero di ossidazione di +2. Questo composto si trova nella trifilite, un minerale scoperto nel 1834 dal chimico e mineralogista tedesco Johann Nepomuk von Fuchs.
Caratteristiche del litio ferro fosfato
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Il litio ferro fosfato si presenta in forma di solido cristallino, con una bassa solubilità in acqua, acidi diluiti e nella maggior parte dei solventi organici. Manifesta una gamma di colori che può variare dal grigio al nero, con una densità di circa 3.6 g/cm³ e un punto di fusione superiore ai 300°C. La sua struttura cristallina appartiene al sistema ortorombico.
Il LFP dimostra una notevole resistenza alle alte temperature senza subire decomposizione, risultando quindi incombustibile. Le sue eccellenti proprietà di sicurezza lo rendono particolarmente adatto per l’accumulo di energia, grazie alla stabilità termica che fornisce rispetto ad altre sostanze chimiche. Inoltre, è considerato un materiale sicuro per l’ambiente.
Vantaggi delle batterie al litio ferro fosfato
Le batterie che utilizzano litio ferro fosfato appartengono alla famiglia delle batterie a ioni di litio. Tuttavia, queste ultime hanno suscitato un forte interesse per la loro sicurezza, in quanto sono meno inclini a surriscaldamenti e fenomeni di thermal runaway.
Una delle loro caratteristiche distintive è la durata del ciclo, superiore rispetto ad altre batterie agli ioni di litio, rendendole ideali per applicazioni che richiedono frequenti cicli di carica e scarica. Tali applicazioni includono veicoli elettrici, sistemi di accumulo di energia e apparecchiature di comunicazione, dove la robustezza è fondamentale.
Le batterie LFP offrono anche un’alta stabilità termica e possono operare in condizioni ambientali estreme, con una densità energetica apprezzabile. Grazie alla disponibilità e al costo contenuto di ferro e fosfato, rispetto a materiali più costosi come cobalto o nichel, questi dispositivi presentano costi inferiori.
Un’altra caratteristica importante è la capacità di ricarica rapida. Ciò è cruciale in applicazioni dove è richiesta una risposta immediata, come nel caso dei veicoli elettrici e dei dispositivi elettronici portatili. Gli LFP presentano anche un tasso di autoscarica più basso rispetto ad altre batterie ricaricabili, il che significa che mantengono la carica per periodi più lunghi quando non vengono utilizzate.
Inoltre, possono erogare elevate correnti di scarica, risultando così adatte a situazioni in cui è richiesto un rilascio immediato di energia. Tuttavia, rispetto ad altre batterie, la loro densità energetica è inferiore, il che implica una maggiore dimensione per una data capacità energetica. Presentano anche una tensione nominalmente inferiore rispetto ad altre batterie, per cui i sistemi progettati per tensioni più elevate potrebbero necessitare di celle addizionali in serie, il che complica la progettazione complessiva.
Componenti delle batterie al litio ferro fosfato
Le batterie LFP impiegano LiFePO4 come materiale catodico, affiancato da un elettrodo di carbonio in grafite che funge da anodo. Il litio rappresenta l’elemento cruciale per le reazioni elettrochimiche all’interno della batteria; gli ioni di litio caricati positivamente si spostano tra anodo e catodo durante i cicli di carica e scarica.
Il ferro, sotto forma di Fe2+, partecipa alla reazione redox con gli ioni di ferro Fe2+/Fe3+, fondamentale per il movimento degli elettroni, necessario al flusso di corrente. Per migliorarne la conduttività elettrica, nel catodo viene spesso aggiunto carbonio conduttivo, ottimizzando il trasferimento di elettroni all’interno del materiale. Questo contribuisce a rendere più efficienti sia il processo di carica che quello di scarica.
L’elettrolita svolge un ruolo essenziale nella batteria, influenzando significativamente le sue prestazioni, la sicurezza e la longevità. Composto generalmente da sali di litio e solventi organici, permette il movimento degli ioni di litio tra i due elettrodi. Inoltre, il separatore, che crea una barriera tra anodo e catodo, è normalmente realizzato in un materiale polimerico poroso, permettendo lo scambio degli ioni di litio.
Processo di carica e scarica
Nel processo di carica, il litio ferro fosfato cede uno ione litio, trasformando il ferro (II) in ferro (III). Gli ioni di litio si muovono attraverso l’elettrolita fino all’anodo, dove si intercalano nella grafite, portando a uno spostamento di elettroni dal catodo all’anodo e generando corrente elettrica.
Durante il processo di scarica, gli ioni di litio immagazzinati nell’anodo ritornano al catodo, liberando energia che alimenta i dispositivi esterni.
Metodi di preparazione del litio ferro fosfato
La preparazione del litio ferro fosfato può avvenire attraverso metodologie in fase solida e liquida. Nei metodi in fase solida, si utilizzano la reazione ad alta temperatura o la riduzione carbotermica, insieme alla sintesi a microonde.
I metodi in fase liquida comprendono la precipitazione, il processo sol-gel e la sintesi idrotermica. Tra le tecniche di sintesi, la reazione del carbonato o dell’idrossido di litio è frequentemente impiegata, associando composti a base di ferro come il fosfato di ferro (II) triidrato.
Le fonti di carbonio possono includere glucosio, grafene e nanotubi di carbonio, disciolti in solventi appropriati. Durante il processo, viene regolato il pH mediante l’aggiunta di sostanze alcaline, affinché il ferro reagisca con il fosfato per generare il fosfato di ferro e integrare gli ioni di litio.
Il precipitato risultante viene purificato mediante ripetuti lavaggi e successivamente essiccato e calcinato a temperature elevate, dove si formano i cristalli di litio ferro fosfato. Il prodotto finale è quindi frantumato, macinato e setacciato per ottenere un materiale di dimensioni uniformi, sia su scala micrometrica che nanometrica.
