Syntes av makro- eller mesoporösa material

Ett tillvägagångssätt för nya positiva elektrodmaterial för höghastighetstillämpningar är att syntetisera tredimensionellt ordnade makroporösa eller mesoporösa fasta ämnen. Sådana material är sammansatta av mikrometerstora partiklar inom vilka identiska ordnade porer med diameter 2–50 nm finns med väggar av 2-8 nm tjocklek. Till skillnad från nanopartiklar, som kan kopplas bort från varandra när de expanderar eller drar ihop sig vid cykling, lider mesoporösa material, eftersom de har samma dimensioner som interkalationskatoderna i konventionella litiumceller, mindre av problemet med frånkoppling. Dessutom kan de tillverkas på samma sätt som konventionella material, men den inre porositeten tillåter elektrolyten att svämma över partiklarna, vilket säkerställer en hög kontaktyta och därmed en enkel litiumöverföring över gränsytan, såväl som korta diffusionsavstånd för Li+-transport inom väggarna, där interkalering äger rum [Bruce, PG (2008a)].

Ordnade mesoporösa fasta ämnen kan byggas med kiseldioxidstrukturer [Bruce, PG et al. (2008b)]. Det första exemplet på en ordnad mesoporös litiumövergångsmetalloxid, lågtemperaturpolymorfen av LiCoO2, har syntetiserats och visat sig uppvisa överlägsna egenskaper som katod jämfört med samma förening i nanopartikelform. Detta material visade 40 Å storlek porer och en väggtjocklek på 70 Å. Syntesen av detta prov innefattade användningen av KIT-6-kiseldioxid som mall. Impregnering av kiseldioxiden i Co-prekursorlösning, efterföljande glödgning och kiseldioxidmallupplösning gav mesostrukturerad Co3O4. Denna porösa oxid reagerade med LiOH genom reaktion i fast tillstånd för att få LiCoO2. Det ordnade mesoporösa materialet uppvisar överlägsen litiumcykling under kontinuerlig interkalering/borttagning under 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 latexsfärer, i intervallet 150 nm till 1 m som mallar för att producera makroporösa kiseldioxidstrukturer [Velev, OD et al. (1997)]. En kolloidal kristall består av en ordnad uppsättning kolloidpartiklar som är analog med en standardkristall vars repeterande subenheter är atomer eller molekyler [Pieranski, P. (1983)]. De är vanligtvis bildade av slutna sfärer som latex, poly(styren) (PS), kiseldioxid eller PMMA (poly(metylmetakrylat)) mikropärlor. Efter infiltration av prekursorlösningen i den opala strukturen, kalcineras aggregatet vanligtvis i luft vid temperaturer mellan 500 och 700ºC. På detta sätt fylls tomrum mellan partiklar av vätskeprekursorerna, och dessa senare omvandlas till en fast substans innan de avlägsnas 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 3-D-ordnad makroporös LiMn2O4-spinell [Tonti, D. et al. (2008)]. Litiumjärnfosfat har framgångsrikt malts med hjälp av kolloidala kristallmallar av PMMA med sfärer med diametern 100, 140 och 270 nm för att producera porösa, öppna gitterelektrodmaterial, som har porer i mesoporösa (10-50 nm), meso-makroporösa (20- 80 nm) respektive makroporösa (50-120 nm) områden [Doherty, CM et al. (2009)]. De väl staplade kolloidala PMMA-kristallerna gav robusta ställningar där LiFePO4-prekursorlösningen infiltrerades och sedan kondenserades. När väl PMMA-sfärerna tagits bort genom kalcineringsprocessen vid olika glödgningstemperaturer från 320 till 800 ºC, uppvisade LiFePO4 en öppen gitterstruktur med kvarvarande kol kvar från den sönderdelade kolloidala kristallmallen. Figur 6 visar de kolloidala kristallsystemen 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. Fig.
Hot Tags : LiFePO4 Li-ion batteri