กล่าวถึงฟอสเฟตเหล็กในเบื้องต้น

Thread Content

สำหรับเพื่อนๆ ที่สนใจ สามารถเข้าไปดูบทความอื่นๆ ของผมได้ที่ http://www.haolin.biz/UserForum/blog/bloghome.html ใครก็ตามที่สนใจเรื่องรถยนต์พลังงานใหม่ ย่อมรู้ดีถึงการแข่งขันกันระหว่างวัสดุลิเธียมฟอสเฟตกับวัสดุแบบไตรเมทัล ที่จริงแล้ว การจะได้โลหะฟอสเฟตลิเธียมที่มีคุณภาพสูงนั้นไม่ใช่เรื่องง่ายเลย นอกจากการปรับและควบคุมเงื่อนไขในกระบวนการผลิตแล้ว ข้อกำหนดต่อวัตถุดิบก็มีความเข้มงวดอย่างมากเช่นกัน ในความเป็นจริง หากต้องการสร้างวัสดุลิเธียมฟอสเฟตที่มีคุณสมบัติยอดเยี่ยม ก็จำเป็นต้องสร้างสารตั้งต้นที่มีประสิทธิภาพสูงก่อน และการใช้ฟอสเฟตของลิเธียมในการสร้างสารตั้งต้นถือเป็นทางเลือกที่ดีมาก อย่างไรก็ตาม ในปัจจุบันยังคงมีปัญหาต่างๆ เช่น กระบวนการผลิตฟอสเฟตเหล็กที่ยังไม่สมบูรณ์ และคุณสมบัติของผลิตภัณฑ์ที่ยังไม่คงที่ คุณสมบัติทางฟิสิกส์และเคมี ฟอสเฟตเหล็ก FePO4 หรือที่เรียกอีกชื่อว่าไฟร์รัสฟอสเฟต มีความหนาแน่น 2.74 ส่วนฟอสเฟตเหล็กที่พบในธรรมชาตินั้นเรียกว่าไบโอไทต์ โดยในฟอสเฟตเหล็กนั้น เหล็กจะอยู่ในรูปของเหล็กที่มีประจุ +3 และมักพบในรูปของไฮเดรตสองน้ำ นอกจากกรดซัลฟิวริกแล้ว ฟอสเฟตเหล็กยังละลายได้ยากในกรดชนิดอื่นๆ และแทบจะไม่ละลายในน้ำ กรดอะซิติก หรือแอลกอฮอล์เลย เป็นผงคริสตัลแบบโมโนคลินิกสีขาวหรือสีเทาอ่อน ซึ่งเกิดจากการทำปฏิกิริยาระหว่างสารละลายเกลือเหล็กกับโซเดียมฟอสเฟต โดยในสารนี้ เหล็กอยู่ในรูปของไอออนที่มีประจุบวก +3 มีคุณสมบัติเช่น ไม่เป็นพิษ มีต้นทุนต่ำ และมีโครงสร้างที่มั่นคง รูปภาพ SEM ของฟอสเฟตเหล็กที่ได้จากการสังเคราะห์ด้วยอัตราส่วนโมลของเหล็กต่อฟอสฟอรัสที่แตกต่างกัน (ข้อมูลจากเอกสารวิชาการ) ฟอสเฟตเหล็กมีโครงสร้างที่หลากหลาย โดยส่วนใหญ่แล้วจะมีโครงสร้างแบบไอโซฟอสเฟตแมงกานีส โครงสร้างแบบโมโนคลินิก โครงสร้างแบบควอตซ์ a โครงสร้างแบบออร์โธรอมบิก และโครงสร้างที่ไม่มีรูปแบบที่แน่นอน เป็นต้น ส่วนฟอสเฟตเหล็กที่มีโครงสร้างคล้ายกับไพโรฟอสเฟตเหล็กแมงกานีสนั้น ก็คือผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากการกำจัดลิเธียมออกจาก LiFePO4 โดยทั้งสองมีโครงสร้างคล้ายกัน และอยู่ในระบบผลึกแบบออร์โธรอนัลเช่นกัน โครงสร้างผลึกของแร่ฟอสเฟไรต์ในระบบคริสตัลโมร์โฟอิก คือ FePO4·2H2O โดยมีโครงสร้างแบบกรอบสามมิติที่เกิดจากการร่วมกันของทรงสี่หน้า PO4 และทรงแปดหน้า FeO6 ซึ่งทำให้ FePO4·2H2O ในระบบคริสตัลโมร์โฟอิกมีความเสถียรทางความร้อนที่ต่ำกว่าเมื่อเทียบกับระบบคริสตัลทริกลินิก ผลการวิจัยพบว่า สาร FePO4·2H2O ในรูปแบบผลึกแบบมอนโทคลีนัลมีคุณสมบัติทางไฟฟ้าเคมีที่ดีกว่าสารในรูปแบบผลึกแบบทริกลีนัล ในสาร FePO4·2H2O แบบมอนโทคลีนัลนั้น เนื่องจากมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างพันธะ Fe-O-Fe ทำให้สารมีคุณสมบัติต้านแม่เหล็กที่แข็งแกร่ง คุณสมบัติทางไฟฟ้าเคมีและคุณสมบัติทางแม่เหล็กของสารนี้ล้วนเกี่ยวข้องกับโครงสร้างของมัน (ข้อมูลมาจากเอกสารวิชาการ) ด้านการประยุกต์ใช้ การใช้เหล็กนั้นมีมานานหลายพันปีแล้ว ส่วนการนำเกลือเหล็กมาใช้อย่างเต็มที่นั้น เป็นเรื่องที่เกิดขึ้นหลังจากยุคปฏิวัติอุตสาหกรรมเท่านั้น หลังจากการพัฒนาและนำมาใช้งานมาเป็นเวลาหลายปี ฟอสเฟตเหล็กก็มีการนำไปใช้ในหลากหลายด้าน เช่น ในฐานะสารเร่งปฏิกิริยา สารเติมแต่ง และวัตถุดิบสำหรับการสังเคราะห์วัสดุขั้วไฟฟ้า เป็นต้น ในฐานะตัวเร่งปฏิกิริยา ฟอสเฟตเหล็กในระดับนาโนสามารถนำมาใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาได้ โดยมีประสิทธิภาพอย่างมากในการกำจัดออกซิเจน และสามารถทำให้เกิดการออกซิเดชันแบบเลือกสรรได้ จึงมีศักยภาพในการนำไปใช้ในด้านการสังเคราะห์สารอินทรีย์ ในฐานะสารเติมแต่ง ฟอสเฟตเหล็กสามารถใช้เป็นสารเติมแต่งในปูนซีเมนต์ หรือใช้เป็นสารเสริมความแข็งแรงให้กับโลหะเหล็กได้เช่นกัน เมื่อเติมฟอสเฟตเหล็กลงในปูนซีเมนต์แมกนีเซียม ก็จะได้สารเรซินแมกนีเซียมและปูนซีเมนต์ โดยปูนซีเมนต์ชนิดนี้มีคุณสมบัติทนน้ำได้ดี เนื่องจากเหล็กมีค่าประจุ +3 จึงไม่ถูกออกซิไดซ์ได้ง่ายในอากาศ ดังนั้นจึงสามารถเติม FePO4 เข้าไปในอาหารได้ เพื่อให้อาหารสามารถเก็บรักษาไว้ได้เป็นเวลานาน นอกจากนี้ยังช่วยเสริมธาตุเหล็กให้กับร่างกาย ทำให้ฮีโมโกลบินสามารถจับออกซิเจนได้ดีขึ้น และช่วยป้องกันอาการโลหิตจางจากการขาดธาตุเหล็กได้อีกด้วย ในฐานะวัสดุสำหรับทำขั้วไฟฟ้าและวัตถุดิบ FePO4 ที่มีประจุ +3 นั้น มีต้นทุนที่ต่ำ มีแหล่งผลิตมากมาย อีกทั้งยังมีแรงดันไฟฟ้าที่เหมาะสม และมีความจุทางทฤษฎีที่สูง จึงถือเป็นวัสดุสำหรับขั้วลบของแบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออนที่มีศักยภาพสูงมาก แต่ FePO4 มีรูปแบบผลึกหลายรูปแบบ และมีความสามารถทางอิเล็กโทรเคมีที่แตกต่างกันไป หากต้องการให้มีความจุต่อหน่วยมวลสูงขึ้น การลดขนาดของอนุภาคก็เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพ FePO4 ใช้เป็นวัสดุสำหรับขั้วไฟฟ้า ซึ่งถือเป็นการนำไปใช้งานหลักในอุตสาหกรรม มันคือผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากการกำจัดลิเธียมออกจาก LiFePO4 ดังนั้นจึงสามารถใช้เป็นวัตถุดิบในการสังเคราะห์วัสดุนี้ได้ ในฐานะสีกันสนิม ฟอสเฟตเหล็กสามารถใช้แทนวัสดุที่มีพิษอย่างเรดเดน (Pb3O4) ฟอสเฟตสังกะสี สีเหลืองตะกั่วโครเมียม (PbCrO4) และสีเหลืองสังกะสีโครเมียม (ซึ่งมีส่วนประกอบหลักคือ ZnCrO4) ได้ โดยมักถูกนำมาใช้เป็นสีกันสนิมในผลิตภัณฑ์เหล็กอย่างแพร่หลาย กลไกในการป้องกันสนิมสามารถอธิบายได้ว่า ฟอสเฟตเหล็กไดไฮเดรตจะถูกทำให้เกิดปฏิกิริยากับไอออนฟอสเฟต ซึ่งเกิดจากการย่อยสลาย และไอออนเหล็กชนิดสามค่าบนพื้นผิวของโลหะเหล็ก ทำให้เกิดฟิล์มป้องกันชนิด FePO4 ขึ้นมา ซึ่งช่วยป้องกันไม่ให้อากาศและความชื้นสัมผัสกับพื้นผิวของโลหะเหล็กโดยตรง และนี่ก็คือวิธีการป้องกันสนิมนั่นเอง หมายเหตุจากบรรณาธิการ: ตามลักษณะของความสมมาตรที่ปรากฏในรูปร่างอันเหมาะสมของผลึก หรือจากคุณสมบัติทางฟิสิกส์ในระดับมหภาค ผลึกสามารถแบ่งออกได้เป็น 7 ประเภท ได้แก่ รูปลูกบาศก์ รูปหกเหลี่ยม รูปสามเหลี่ยม รูปสี่เหลี่ยม รูปตั้งฉาก รูปเอียงเดี่ยว และรูปเอียงสามเหลี่ยม ซึ่งก็คือ 7 ระบบผลึกนั่นเอง โดยระบบผลึกเหล่านี้จัดอยู่ใน 3 กลุ่มผลึกที่แตกต่างกันออกไป ในกลุ่มผลึกระดับสูงนั้น มีเพียงระบบผลึกแบบคิวบิกเท่านั้น ； ในกลุ่มผลึกระดับกลาง มีระบบผลึกสามรูปแบบ ได้แก่ ระบบผลึกหกเหลี่ยม ระบบผลึกสี่เหลี่ยม และระ ； ในกลุ่มผลึกระดับต่ำ มีระบบผลึกอยู่ 3 ระบบ ได้แก่ ระบบออร์โธรอนัล ระบบมอนโทโคไฮอัล และระบบ วัสดุขั้วบวก: องค์ประกอบหลักของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ได้แก่ อิเล็กโทรไลต์ วัสดุกั้น และวัสดุขั้วบวก/ขั้วลบ เป็นต้น วัสดุขั้วบวกมีสัดส่วนที่สูง (อัตราส่วนของน้ำหนักวัสดุขั้วบวกต่อขั้วลบอยู่ที่ 3:1 ถึง 4:1) เนื่องจากคุณสมบัติของวัสดุขั้วบวกมีผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน และต้นทุนของวัสดุขั้วบวกก็เป็นตัวกำหนดต้นทุนโดยรวมของแบตเตอรี่ด้วยเช่นกัน