Synteza materiałów makro i mezoporowatych

Jednym z podejść do nowych materiałów na elektrody dodatnie do zastosowań wymagających dużej szybkości jest synteza trójwymiarowo uporządkowanych makroporowatych lub mezoporowatych ciał stałych. Materiały takie składają się z cząstek wielkości mikrometra, w obrębie których występują identyczne uporządkowane pory o średnicy 2–50 nm i ściankach o grubości 2–8 nm. W przeciwieństwie do nanocząstek, które mogą odłączać się od siebie w miarę rozszerzania się lub kurczenia pod wpływem cyklicznych zmian, materiały mezoporowate, ponieważ mają takie same wymiary jak katody interkalacyjne w konwencjonalnych ogniwach litowych, mniej cierpią z powodu problemu rozłączania. Co więcej, można je wytwarzać w taki sam sposób, jak materiały konwencjonalne, jednak porowatość wewnętrzna pozwala na zalanie cząstek elektrolitem, zapewniając dużą powierzchnię styku, a tym samym łatwy transfer litu przez powierzchnię styku, a także krótkie odległości dyfuzji dla transportu Li+ w obrębie ścian, gdzie zachodzi interkalacja [Bruce, PG (2008a)].

Uporządkowane mezoporowate ciała stałe można budować ze struktur krzemionkowych [Bruce, PG i in. (2008b)]. Pierwszy przykład uporządkowanego mezoporowatego tlenku metalu przejściowego litu, niskotemperaturowego polimorfu LiCoO2, został zsyntetyzowany i wykazał lepsze właściwości jako katoda w porównaniu z tym samym związkiem w postaci nanocząstek. Materiał ten wykazywał pory o wielkości 40 Å i grubość ścianki 70 Å. Synteza tej próbki obejmowała zastosowanie krzemionki KIT-6 jako matrycy. Impregnacja krzemionki w roztworze prekursora Co, późniejsze wyżarzanie i rozpuszczanie matrycy krzemionkowej pozwoliło uzyskać mezostrukturalny Co3O4. Ten porowaty tlenek przereagował z LiOH w stanie stałym, otrzymując LiCoO2. Uporządkowany mezoporowaty materiał wykazuje lepszą cykliczność litu podczas ciągłej interkalacji/usuwania przez 50 cykli [Jiao, F. et al. (2005)].

Struktury mezoporowate można również przygotować, stosując miękkie kryształy koloidalne jako szablony. W 1997 Velev po raz pierwszy doniósł o zastosowaniu koloidalnych kulek lateksowych w zakresie od 150 nm do 1 µm jako szablonów do wytwarzania makroporowatych struktur krzemionkowych [Velev, OD i in. (1997)].Kryształ koloidalny składa się z uporządkowanego układu cząstek koloidalnych, który jest analogiczny do kryształu standardowego, którego powtarzającymi się podjednostkami są atomy lub cząsteczki [Pierański, P. (1983)]. Zwykle powstają z zamkniętych kulek, takich jak mikrokulki lateksu, poli(styrenu) (PS), krzemionki lub PMMA (poli(metakrylanu metylu)). Po infiltracji roztworu prekursorów do struktury opalu, zespół zwykle kalcynuje się na powietrzu w temperaturze od 500 do 700°C. W ten sposób puste przestrzenie pomiędzy cząstkami wypełniają się płynnymi prekursorami, które przed usunięciem przekształcają się w substancję stałą materiału szablonu.

Szablony kryształów koloidalnych po raz pierwszy opisano jako dodatek do materiałów elektrodowych do akumulatorów Liion w 2002 r. [Sakamoto, JS, Dunn, B. (2002)], a także wykorzystano je do przygotowania uporządkowanego trójwymiarowo makroporowatego spinelu LiMn2O4 [Tonti, D. i in. (2008)]. Fosforan litowo-żelazowy został pomyślnie szablonowany przy użyciu matryc z kryształów koloidalnych PMMA o kulkach o średnicy 100, 140 i 270 nm w celu wytworzenia porowatych materiałów elektrodowych o otwartej siatce, które zawierały pory w mezoporowatych (10-50 nm), mezo-makroporowatych (20- 80 nm) i odpowiednio makroporowaty (50-120 nm) [Doherty, CM i in. (2009)]. Dobrze ułożone kryształy koloidalne PMMA zapewniły solidne rusztowanie, w którym infiltrowano, a następnie kondensowano roztwór prekursora LiFePO4. Po usunięciu kulek PMMA w procesie kalcynacji w różnych temperaturach wyżarzania w zakresie od 320 do 800°C, LiFePO4 charakteryzował się otwartą strukturą siatkową z resztkowym węglem pozostałym po rozłożonej matrycy kryształu koloidalnego. Rycina 6 przedstawia krystaliczne układy koloidalne zastosowane w tych badaniach, z dobrze zorganizowanymi, ułożonymi w stos kulkami o jednorodnej średnicy, a także otwarte porowate struktury matrycy LiFePO4, z ciągłą otwartą strukturą sieciową o uporządkowaniu dalekiego zasięgu. Rys.
Gorące Tagi : LiFePO4 Bateria litowo-jonowa