Ett tillvägagångssätt för nya positiva elektrodmaterial för applikationer med hög hastighet är att syntetisera tre dimensionellt ordnade makroporösa eller mesoporösa fasta ämnen. Sådana material består av mikrometerstora partiklar inom vilka identiska ordnade porer med diameter 2 – 50 nm finns med väggar med 2-8 nm tjocklek. Till skillnad från nanopartiklar, som kan kopplas från varandra när de expanderar eller drar ihop sig på cykling, lider mesoporösa material, eftersom de har samma dimensioner som interkalkationskatoderna i konventionella litiumceller, mindre av problemet med frånkoppling. Vidare kan de tillverkas på samma sätt som konventionella material, men den inre porositeten tillåter elektrolyten att översvämma partiklarna vilket garanterar en hög kontaktyta och därmed en lätt litiumöverföring över gränssnittet, samt korta diffusionsavstånd för Li+ -transport inom väggarna, där intercalation sker [Bruce, PG (2008a)].

Beställda mesoporösa fasta ämnen kan byggas med silikastrukturer [Bruce, P.G. et al. (2008b)]. Det första exemplet på en ordnad mesoporös litiumövergångsmetalloxid, lågtemperaturpolymorfen av LiCoO2, har syntetiserats och visat sig uppvisa överlägsna egenskaper som en katod jämfört med samma förening i nanopartikelform. Detta material visade 40 Å porer och en väggtjocklek på 70 Å. Syntesen av detta prov omfattade användningen av KIT-6-kiseldioxid som mall. Impregnering av kiseldioxiden i Co -prekursorlösning, efterföljande glödgning och upplösning av kiseldioxidmall producerade mesostrukturerad Co3O4. Denna porösa oxid reagerade med LiOH genom fast tillståndsreaktion för att få LiCoO2. Det beställda mesoporösa materialet visar överlägsen litiumcykling under kontinuerlig interkalering/borttagning i 50 cykler [Jiao, F. Et al. (2005)].

Mesoporösa strukturer kan också framställas genom att använda mjuka kolloidala kristaller som mallar. År 1997 rapporterade Velev först användningen av kolloidala latex sfärer, i intervallet 150 nm till 1 asm som mallar för att producera makroporösa kiseldioxidstrukturer [Velev, O.D. et al. (1997)]. En kolloidal kristall består av en ordnad uppsättning kolloidpartiklar som är analog med en standardkristall vars upprepade underenheter är atomer eller molekyler [Pieranski, P. (1983)]. De bildas vanligtvis av slutna packade sfärer som latex, poly (styren) (PS), kiseldioxid eller PMMA (poly (metylmetakrylat)) mikropärlor. Efter infiltrering av prekursorlösningen i opalstrukturen kalcineras aggregatet vanligtvis i luft vid temperaturer mellan 500 och 700º C. På så sätt fylls tomrum mellan partiklar av vätskeprekursorerna, och dessa omvandlas till ett fast ämne före avlägsnande av mallmaterialet.

Kolloidala kristallmallar rapporterades först som tillsats för att bilda elektrodmaterial för Liion-batterier 2002 [Sakamoto, JS, Dunn, B. (2002)], och har också använts för framställning av 3D-beställt makroporöst LiMn2O4-spinel [Tonti, D. et al. (2008)]. Litiumjärnfosfat har framgångsrikt mallats med hjälp av kolloidala kristallmallar av PMMA med sfärer med 100, 140 och 270 nm diameter för att producera porösa, öppna gitterelektrodmaterial, som innehöll porer i mesoporösa (10-50 nm), meso-makroporösa (20- 80 nm) och makroporösa (50-120 nm) intervall, respektive [Doherty, CM et al. (2009)]. De välstaplade PMMA-kolloidala kristallerna gav robusta ställningar där LiFePO4-föregångarlösningen infiltrerades och sedan kondenserades. När PMMA -sfärerna avlägsnats genom kalcineringsprocessen vid olika glödgningstemperaturer från 320 till 800 ° C, hade LiFePO4 en öppen gitterstruktur med kvarvarande kol kvar från den sönderdelade kolloidala kristallmallen. Figur 6 visar de kristallkolloidala systemen som används för denna forskning, med välorganiserade, staplade sfärer med homogen diameter, och även de öppna porösa strukturerna i mallen LiFePO4, med en kontinuerlig öppen gitterstruktur med lång räckvidd. Fikon.

Fig. 6. a) Mikrograf av det använda kolloidala kristallsystemet; b) LiFePO4 mallad med 270 nm PMMA -sfärer; och c) Regelbundna kanaler bildade av de förslutna pärlorna, som möjliggör god elektrolytåtkomst till LiFePO4-ytorna. (Doherty, C.M. et al. (2009)).

Allt producerat material drabbades av krympning av den porösa strukturen, varvid pordiametrarna för vart och ett av proven var cirka 40% av den ursprungliga pärldiametern. Växande kristallitstorlekar registrerades när kalcinationstemperaturen ökades från 500 till 800º C. Trots materialets högre ytarea från den minsta pärldiametern (100 nm) var dess elektrokemiska prestanda den sämsta av dem tre. Detta kan bero på begränsning av tillgången till elektrolyt orsakad av dålig sammankoppling mellan porerna som lämnar en del LiFePO4 -yta elektrokemiskt inaktiv. Mikrografer av provet visade några områden där de små porerna hade kollapsat och blockerats under termisk behandling och därmed var det inte öppet gitter. Av denna anledning kan det sägas att sammankoppling av porstrukturen är väsentlig för god elektrolytpenetration samt effektiv laddningsöverföring. På så sätt skulle de mallprover som preparerats med de större sfärerna (270 nm) erbjuda både god sammankoppling och bättre elektrolytåtkomst till ytor inom stora mikrometerstora LiFePO4-partiklar. Fördelen med att använda kolloidal kristallmall för att producera högeffekts LiFePO4 -elektroder är att det gör att porstorlekarna kan skräddarsys samtidigt som syntesförhållandena kontrolleras. Det ökar ytan och minskar diffusionsavståndet samtidigt som den bibehåller en sammankopplad porös struktur för att ge effektiv laddningsöverföring och minskad impedans.

Mesoporösa elektrodmaterial har också tillverkats med användning av ett katjoniskt ytaktivt medel i fluoridmedium, såsom Li3Fe2 (PO4) 3 [Zhu, S. et al. (2004)]. Detta material visade en genomsnittlig pordiameter på 3,2 nm och en väggtjocklek på 2,2 nm. I detta fall baserades självmonteringsprocessen som ledde till mesoporöst material på Coulombic-interaktioner mellan ytgrupperna hos tensiden (cetyltrimetylammonium CTMA+) och F-joner, som inkapslar Fe2+ -arter. Fe2+-joner finns mellan jonpar [LiPO4Fe2+] och [F-CTMA+].
Katodprestanda för detta självmonterade Li3Fe2 (PO4) 3-material var bättre än vad som observerats i andra studier som beskrivs i litteraturen, med en specifik kapacitet över 100 mAh · g-1 vid 200 mA · g-1.