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Lithiumeisenphosphat

chemische Verbindung

Lithiumeisenphosphat ist eine anorganische Verbindung, die in Lithium-Eisenphosphat-Akkumulatoren zur Ladungsspeicherung verwendet wird. Sie ist ein gemischtes Phosphat des Eisens und des Lithiums und kommt zumeist als kohlenstoffhaltiges graues bis schwarzes Pulver in den Handel.

Strukturformel
Struktur des Fe2+-Ions PhosphationLithiumion
Allgemeines
Name Lithiumeisenphosphat
Andere Namen
  • Eisenlithiumphosphat
  • Lithium-Ferrophosphat
  • Eisen(II)-lithiumphosphat
  • Lithium-Eisen-Phosphat
  • lithium iron phosphate
  • LFP
Summenformel LiFePO4
Kurzbeschreibung

graues bis schwarzes Pulver (Handelsform)[1]

Externe Identifikatoren/Datenbanken
CAS-Nummer 15365-14-7
EG-Nummer 604-917-2
ECHA-InfoCard 100.124.705
PubChem 15320824
Wikidata Q3042400
Eigenschaften
Molare Masse 157,759 g·mol−1
Aggregatzustand

fest

Dichte

0,8 – 1,4 g·cm−3 (Schüttdichte)[2]

Schmelzpunkt

> 300 °C[1]

Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung [1]
keine GHS-Piktogramme
H- und P-Sätze H: keine H-Sätze
P: keine P-Sätze [1]
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

BenennungBearbeiten

Nach den Regeln der anorganischen Nomenklatur werden bei Verbindungen mit mehreren Kationen diese in alphabetischer Reihenfolge aufgeführt; demnach müsste die Verbindung eigentlich Eisenlithiumphosphat heißen. Das ist aber nicht üblich. Das Material oder die damit ausgestatteten Batterien werden manchmal mit der Abkürzung LFP bezeichnet, die von der Summenformel LiFePO4 abgeleitet ist.

VorkommenBearbeiten

Lithiumeisenphosphat kommt in Form des eher seltenen Minerals Triphylin auch in der Natur vor.

GeschichteBearbeiten

Lithiumeisenphosphat wurde zuerst in Form des oben genannten Minerals Triphylin entdeckt. Dieses wurde 1834 vom deutschen Mineralogen Johann Nepomuk von Fuchs im Bayerischen Wald gefunden. Er untersuchte es und stellte dabei fest, dass Eisen, Lithium und Phosphat enthalten ist, außerdem fand er auch Mangan. Er benannte das neue Mineral.[3][4]

Eine von John B. Goodenough geführte Arbeitsgruppe schlug 1997 als erste die Verwendung von Lithiumeisenphosphat als Kathodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien vor.[5]

Gewinnung und DarstellungBearbeiten

Ausgangsstoffe zur Darstellung von Lithiumeisenphosphat sind Lithiumcarbonat, Lithiumhydroxid oder Lithiumphosphat, sowie Eisensalze wie Eisencarbonat, Eisensulfat oder Eisenphosphat. Ein Beispiel für eine solche Umsetzung ist die Reaktion

 .

Aufgrund der steigenden technischen Bedeutung von LiFePO4 wurden viele verschiedene Herstellungsverfahren entwickelt[6]: Festkörpersynthesen mit einem Kalzinierungsschritt bei 400–800 °C, oft ergänzt mit Mahlen in der Kugelmühle zur besseren Durchmischung, Hydrothermalverfahren, bei denen wässrige Lösungen unter hohem Druck verwendet warden, so dass Temperaturen oberhalb 100 °C erreicht werden können, und Sol-Gel-Prozesse. Bei genügend hohen Synthesetemperaturen können auch die preiswerteren Eisen(III)-Salze verwendet werden, da Fe3+ durch Kohlenstoff in der Hitze zu Fe2+ reduziert werden kann (carbothermische Reduktion), z. B.:[7]

  oder
 .

Lithiumeisenphosphat wird großtechnisch hergestellt, unter anderem von der Firma Phostech Lithium, die eine Tochter der Süd-Chemie wurde, welche ihrerseits 2011 von Clariant übernommen worden ist. Phostech Lithium kann allein an seinem Standort Candiac in der kanadischen Provinz Québec 2500 Tonnen LiFePO4 pro Jahr herstellen.[8] Die BASF hat 2014 eine Anlage in Weimar mit einer Produktionskapazität von 3000 Tonnen LFP pro Jahr in Betrieb genommen.[9][10]

EigenschaftenBearbeiten

Physikalische EigenschaftenBearbeiten

 
Lithiumeisenphosphat hat die Kristallstruktur des hier gezeigten Olivins, (Mg, Fe)2SiO4, wobei statt der SiO4-Tetraeder PO4-Tetraeder auftreten.

Die elektrische Leitfähigkeit von LiFePO4 ist sehr gering.

Lithiumeisenphosphat kristallisiert in der Olivinstruktur.

Bei tiefen Temperaturen unterhalb 50 K ist LiFePO4 antiferromagnetisch.[11]

Chemische EigenschaftenBearbeiten

Lithiumeisenphosphat ist in Salzsäure löslich. Lithium kann unter Erhalt des Kristallgitters aus Lithiumeisenphosphat extrahiert werden, dabei entsteht Eisen(III)phosphat FePO4.

LiFePO4 ist thermodynamisch sehr stabil, es gibt beim Erhitzen – im Gegensatz zu Lithiumkobaltoxid – keinen Sauerstoff ab.

VerwendungBearbeiten

Lithiumeisenphosphat ist das Lithium-Speichermaterial (Kathodenmaterial) am Pluspol der Lithium-Eisenphosphat-Akkumulatoren. Beim Laden der Batterie entsteht Eisen(III)-phosphat, das beim Entladen wieder in Lithiumeisen(II)phosphat überführt wird:

  • vollständiges Laden:  .
  • vollständige Entladung:  .

Die Spannung der Lithiumeisenphosphatakkumulatoren ist mit 3,3 V etwas kleiner als die anderer Lithiumionenakkumulatoren.

Aufgrund der hohen Stabilität von LiFePO4 gelten Batterien mit diesem Material als besonders sicher. Daher werden die entsprechenden Akkumulatoren auch in Elektrofahrzeugen, z. B. in Elektrofahrrädern verwendet. Auch in einigen Elektroautos wird Lithiumeisenphosphat eingesetzt, z. B. im BYD e6.

SicherheitshinweiseBearbeiten

Lithiumeisenphosphat gilt als ungiftig und daher als umweltfreundlich.

LiteraturBearbeiten

  • Gouri Cheruvally: Lithium Iron Phosphate: A Promising Cathode-Active Material for Lithium Secondary Batteries. Trans Tech Publications Ltd, 2008, ISBN 978-0-87849-477-4 (126 Seiten).
  • Pier Paolo Prosini: Iron Phosphate Materials as Cathodes for Lithium Batteries - The Use of Environmentally Friendly Iron in Lithium Batteries. Springer, London 2011, ISBN 978-0-85729-744-0.

EinzelnachweiseBearbeiten

  1. a b c d Datenblatt Lithium iron(II) phosphate, powder, <5 μm particle size (BET), >97% (XRF) bei Sigma-Aldrich, abgerufen am 4. Februar 2014 (PDF).
  2. Jian Wang, Yuan Chen, Lu Qi: The Development of Silicon Nanocomposite Materials for Li-Ion Secondary Batteries
  3. Johann Nepomuk von Fuchs: Ueber ein neues Mineral (Triphylin). In: Journal für Praktische Chemie. Band 3, Nr. 1, 1834, S. 98–104, doi:10.1002/prac.18340030120.
  4. Johann Nepomuk von Fuchs: Vermischte Notizen, 3. Triphylin. In: Journal für Praktische Chemie. Band 5, Nr. 1, 1835, S. 319–320, doi:10.1002/prac.18350050138.
  5. Akshaya K. Padhi, K. S. Nanjundaswamy, John B. Goodenough: Phospho-Olivines as Positive Electrode Materials for Rechargeable Lithium Batteries. In: Journal of the Electrochemical Society. Band 144, Nr. 4, 1997, S. 1188–1194, doi:10.1149/1.1837571.
  6. :Dragana Jugović, Dragan Uskoković: A review of recent developments in the synthesis procedures of lithium iron phosphate powders. In: Journal of Power Sources. Band 190, 2009, S. 538–544, doi:10.1016/j.jpowsour.2009.01.074.
  7. Jing Du, Ling-Bin Kong, Hong Liu, Jin-Bei Liu, Mao-Cheng Liu, Peng Zhang, Yong-Chun Luo, Long Kang: Template-free synthesis of porous–LiFePO4/C nanocomposite for high power lithium-ion batteries. In: Electrochimica Acta. Band 123, 2014, S. 1–6, doi:10.1016/j.electacta.2013.12.157.
  8. Clariant Innovation Spotlight: Kathodenmaterial für Batterien – die sichere Brücke zur E-Mobilität. (Nicht mehr online verfügbar.) Clariant international ltd, archiviert vom Original am 21. Februar 2014; abgerufen am 3. Februar 2014.   Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/www.clariant.de
  9. Angelina Hofacker: BASF startet kommerzielle Produktion von LFP-Kathodenmaterial. Produktion. In: Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH (Hrsg.): Nachrichten aus Automobil- und Motorentechnik. 22. Mai 2014 (springerprofessional.de [abgerufen am 2. November 2014]).
  10. Matthias Bartmann: BASF kündigt den Start der kommerziellen Produktion von LFP-Kathodenmaterialien in Deutschland an. 19. Mai 2014 (basf.com [abgerufen am 2. November 2014]).
  11. R. P. Santoro and R. E. Newnham: Antiferromagnetism in LiFePO4. In: Acta Crystallographica. Band 22, Nr. 3, März 1967, S. 344–347, doi:10.1107/S0365110X67000672.