Bortsett från de klassiska förberedande metoderna har en mängd olika syntetiska metoder utvecklats för att förbättra materialhastigheten. Det hastighetsbestämmande steget i elektroderna i litiumjonbatterier är tänkt att vara diffusion i fast tillstånd. Snabbare kinetik förväntas med mindre partikelstorlek eftersom diffusionslängden är kortare. För detta ändamål har Li-ion batterielektrodmaterial byggts i mycket olika nanoarchitectures, såsom nanorör, nanobälten, nanotrådar, nanosfärer, nanoflower och nanopartiklar. Dessa syntesmetoder har fokuserats på att erhålla nanostrukturerade elektrodmaterial (figur 3).

Fig. 3. Schematisk över syntesmetoderna som används för att framställa nanostrukturerade elektrodmaterial för litiumjonbatterier.

Frystorkande syntesmetod ger fördelar såsom homogenitet av reaktanter, möjligheten att införa en kolkälla och användning av lägre kalcinationstemperaturer [Palomares, V. et al. (2009a)]. Rojo et al. tillämpade denna syntesprocess för att förbereda LiFePO4/C-kompositer för första gången och fick nanosiserade fosfatpartiklar på 40 nm helt omgivna av en kolhaltig bana med 141 mAh · g-1 specifik kapacitet vid 1C-hastighet [Palomares, V. et al. (2007)].

Frystorkningsprocessen består i eliminering av lösningsmedel från en frusen lösning genom sublimering. Sublimeringsprocessen gynnas termodynamiskt jämfört med fusion eller avdunstning under lösningsmedels trippelpunktstryck och temperaturförhållanden (figur 4). Först måste reaktantlösningen frysas (från A till B -punkt), och under låg temperatur och lågtrycksförhållanden kan en direkt sublimeringsprocess vara möjlig (från C till E -punkter).
Närvaron av löst ämne ändrar emellertid trippelpunktens placering. Frystorkningsteknik gör det möjligt att bibehålla stökiometri och homogenitet för en multikomponentlösning i den slutliga torkade produkten [Paulus, M. (1980)], och ger också främjar små partiklar. Utgångslösningen fryses så millimeterstora droppar med högt specifikt område är bildas. Dessa droppar torkas under låga temperatur- och vakuumförhållanden för att få ett svampigt fast ämne som kalcineras vid låg temperatur för att erhålla den riktade föreningen.

Optimering av denna syntesmetod har lett till 10 nm LiFePO4 -partiklar inbäddade i en kolhaltig bana som förbättrar den elektrokemiska prestandan på grund av större ytarea av nanosiserade partiklar och till en homogen kolbeläggning som förbinder det aktiva materialet [Palomares et al, (2011)] .

Fig. 4. Vattenfasdiagram. Frystorkningsprocessen markeras med pilar.

Fig. 5. LiFePO4/C-nanokompositer framställda genom frystorkning. [Palomares et al. (2007)]

Även om kolhaltig beläggning för dessa frystorkade material är mycket homogen, har det visats att den endast kan ersätta en liten andel av de ledande koltillsatserna som används för att framställa positiva elektroder baserade på LiFePO4-förening [Palomares, V. et al. (2009b)]. Djup karakterisering av in situ producerat kol visade att det, trots sin höga specifika yta, uppvisar hög störning, vilket inte är gynnsamt för en bra elektrokemisk prestanda, och inte har tillräckligt med konduktivitet för att fungera som ledande tillsats i dessa katoder.

Svullna miceller och mikroemulsioner utgör en annan syntesmetod som leder till diskreta nanopartiklar med kontrollerad kemisk sammansättning och storleksfördelning [Li, M. et al. (1999)]. I denna syntesmetod utförs kemiska reaktioner i ett vattenhaltigt medium inom en begränsad volym, begränsad av uppsättningen ytaktiva och co-ytaktiva molekyler.

Mångsidigheten hos denna teknik möjliggör användning vid framställning av olika elektrodmaterial för litiumjonbatterier. De erhållna fasta produkterna uppvisar en kontrollerad storlek och form, förblir väl dispergerade på grund av deras isolering från andra partiklar av de ytaktiva molekylerna under syntesen [Aragón, M.J. et al. (2010)]. Det finns tre olika processer för att erhålla nanopartiklar med omvända micellmetoder. Den första består i att blanda olika emulsioner som innehåller de nödvändiga reagensen i vattenlösning, så koalescens av par droppar resulterar i bildandet av de fasta ämnena i en begränsad volym.

Den andra innefattar reaktion genom diffusion av ett av reagensen genom oljefasen och det ytaktiva molekylskiktet. Den sista kräver termolys inom enskilda droppar för att få målföreningen av en kontrollerad storlek. LiCoO2 katodmaterial har framställts genom den senaste processen, vilket ger 140 mAh · g-1. Termisk sönderdelning av micellerna uppnåddes genom att sätta emulsionen i kontakt med ett hett organiskt lösningsmedel, såsom fotogen vid 180 LiMn2O4 erhölls också med samma metod, vilket ledde till partiklar med 200 nm diameter med god elektrokemisk prestanda.

Stavliknande LiFePO4/C-sammansatta katoder har också syntetiserats med omvänd micellmetod, med användning av fotogen med Tween#80 ytaktivt ämne som oljefas, och glödgning av den erhållna prekursorn vid 650 ° C i N2-atmosfär [Hwang, B-J. et al. (2009)]. Morfologi för denna komposit bestod av stavliknande porösa aggregat gjorda av små primära nanopartiklar. Detta speciella arrangemang av primära partiklar gav bättre anpassning till volymförändringar under cykling, bättre elektrisk anslutning till strömkollektorn och effektiv elektrontransport. Galvanostatisk cykling av denna komposit visade mycket goda resultat för denna stavliknande komposit, med en specifik kapacitet på 150 respektive 95 mAh · g-1 vid C/30 respektive 5C.