Síntesis de materiales macro o mesoporosos.

Un enfoque para nuevos materiales de electrodos positivos para aplicaciones de alta velocidad es sintetizar sólidos macroporosos o mesoporosos ordenados tridimensionalmente. Dichos materiales están compuestos de partículas de tamaño micrométrico dentro de las cuales existen poros ordenados idénticos con un diámetro de 2 a 50 nm y paredes de 2 a 8 nm de espesor. A diferencia de las nanopartículas, que pueden desconectarse unas de otras a medida que se expanden o contraen durante el ciclo, los materiales mesoporosos, dado que tienen las mismas dimensiones que los cátodos de intercalación en las celdas de litio convencionales, sufren menos el problema de la desconexión. Además, pueden fabricarse de la misma manera que los materiales convencionales, pero la porosidad interna permite que el electrolito inunde las partículas, lo que garantiza una alta área de contacto y, por lo tanto, una fácil transferencia de litio a través de la interfaz, así como distancias de difusión cortas para el transporte de Li+ dentro. las paredes, donde tiene lugar la intercalación [Bruce, PG (2008a)].

Se pueden construir sólidos mesoporosos ordenados con estructuras de sílice [Bruce, PG et al. (2008b)]. Se ha sintetizado el primer ejemplo de un óxido de metal de transición de litio mesoporoso ordenado, el polimorfo de baja temperatura de LiCoO2, y se ha demostrado que exhibe propiedades superiores como cátodo en comparación con el mismo compuesto en forma de nanopartículas. Este material mostró poros de tamaño 40 Å y un espesor de pared de 70 Å. La síntesis de esta muestra comprendió el uso de sílice KIT-6 como plantilla. La impregnación de la sílice en la solución precursora de Co, el posterior recocido y la disolución de la plantilla de sílice produjeron Co3O4 mesoestructurado. Este óxido poroso reaccionó con LiOH mediante una reacción en estado sólido para obtener LiCoO2. El material mesoporoso ordenado demuestra un ciclo superior del litio durante la intercalación/eliminación continua durante 50 ciclos [Jiao, F. et al. (2005)].

También se pueden preparar estructuras mesoporosas utilizando cristales coloidales blandos como plantillas. En 1997, Velev informó por primera vez sobre el uso de esferas de látex coloidal, en el rango de 150 nm a 1 m, como plantillas para producir estructuras macroporosas de sílice [Velev, OD et al. (1997)]. Un cristal coloidal consiste en una matriz ordenada de partículas coloides que es análoga a un cristal estándar cuyas subunidades repetidas son átomos o moléculas [Pieranski, P. (1983)]. Por lo general, se forman a partir de esferas cerradas, como microperlas de látex, poliestireno (PS), sílice o PMMA (poli(metacrilato de metilo)). Después de la infiltración de la solución de precursores en la estructura de ópalo, el conjunto generalmente se calcina en aire a temperaturas entre 500 y 700º C. De esta manera, los espacios vacíos entre las partículas se llenan con los precursores fluidos y estos últimos se convierten en sólidos antes de su eliminación. del material de la plantilla.

Las plantillas de cristal coloidal se informaron por primera vez como aditivos para formar materiales de electrodos para baterías de iones de litio en 2002 [Sakamoto, JS, Dunn, B. (2002)], y también se han utilizado para la preparación de espinela LiMn2O4 macroporosa ordenada en 3-D [Tonti, D. et al. (2008)]. Se ha modelado con éxito fosfato de hierro y litio utilizando plantillas de cristal coloidal de PMMA de esferas de 100, 140 y 270 nm de diámetro para producir materiales de electrodos de celosía abierta y porosos, que presentaban poros en las capas mesoporosa (10-50 nm), meso-macroporosa (20- 80 nm) y macroporoso (50-120 nm), respectivamente [Doherty, CM et al. (2009)]. Los cristales coloidales de PMMA bien apilados proporcionaron un andamiaje robusto en el que se infiltró y luego se condensó la solución precursora de LiFePO4. Una vez que las esferas de PMMA se eliminaron mediante el proceso de calcinación a diferentes temperaturas de recocido que oscilaban entre 320 y 800 °C, el LiFePO4 presentó una estructura reticular abierta con carbono residual sobrante de la plantilla de cristal coloidal descompuesta. La Figura 6 muestra los sistemas cristalinos coloidales utilizados para esta investigación, con esferas de diámetro homogéneo apiladas y bien organizadas, y también las estructuras porosas abiertas de la plantilla LiFePO4, con una estructura reticular abierta continua con orden de largo alcance. Figura
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