Synthèse de matériaux macro ou mésoporeux

Une approche des nouveaux matériaux d'électrode positive pour les applications à haut débit consiste à synthétiser des solides macroporeux ou mésoporeux ordonnés en trois dimensions. De tels matériaux sont composés de particules de taille micrométrique à l'intérieur desquelles existent des pores ordonnés identiques d'un diamètre de 2 à 50 nm avec des parois de 2 à 8 nm d'épaisseur. Contrairement aux nanoparticules, qui peuvent se déconnecter les unes des autres au fur et à mesure de leur expansion ou de leur contraction lors du cycle, les matériaux mésoporeux, puisqu'ils ont les mêmes dimensions que les cathodes d'intercalation des piles au lithium conventionnelles, souffrent moins du problème de déconnexion. De plus, ils peuvent être fabriqués de la même manière que les matériaux conventionnels, mais la porosité interne permet à l'électrolyte d'inonder les particules, assurant une zone de contact élevée et donc un transfert facile du lithium à travers l'interface, ainsi que de courtes distances de diffusion pour le transport du Li+ au sein de l'interface. les murs, où s'effectue l'intercalation [Bruce, PG (2008a)].

Les solides mésoporeux ordonnés peuvent être construits avec des structures de silice [Bruce, PG et al. (2008b)]. Le premier exemple d’oxyde de métal de transition mésoporeux ordonné au lithium, le polymorphe à basse température de LiCoO2, a été synthétisé et il a été démontré qu’il présente des propriétés supérieures en tant que cathode par rapport au même composé sous forme de nanoparticules. Ce matériau présentait des pores de 40 Å et une épaisseur de paroi de 70 Å. La synthèse de cet échantillon comprenait l'utilisation de silice KIT-6 comme modèle. L'imprégnation de la silice dans une solution de précurseur de Co, le recuit ultérieur et la dissolution du modèle de silice ont produit du Co3O4 mésostructuré. Cet oxyde poreux a réagi avec LiOH par réaction à l'état solide pour obtenir LiCoO2. Le matériau mésoporeux ordonné démontre un cycle de lithium supérieur pendant une intercalation/élimination continue pendant 50 cycles [Jiao, F. Et al. (2005)].

Les structures mésoporeuses peuvent également être préparées en utilisant des cristaux colloïdaux mous comme modèles. En 1997, Velev a signalé pour la première fois l'utilisation de sphères de latex colloïdal, dans la plage de 150 nm à 1 m, comme modèles pour produire des structures macroporeuses de silice [Velev, OD et al. (1997)].Un cristal colloïdal consiste en un ensemble ordonné de particules colloïdales analogue à un cristal standard dont les sous-unités répétitives sont des atomes ou des molécules [Pieranski, P. (1983)]. Ils sont généralement formés de sphères fermées telles que des microbilles de latex, de poly(styrène) (PS), de silice ou de PMMA (poly(méthacrylate de méthyle)). Après infiltration de la solution de précurseurs dans la structure de l'opale, l'assemblage est généralement calciné dans l'air à des températures comprises entre 500 et 700º C. De cette façon, les espaces vides entre les particules sont remplis par les précurseurs fluides, et ces derniers sont transformés en solide avant élimination. du matériel du modèle.

Les modèles de cristaux colloïdaux ont été signalés pour la première fois comme additifs pour former des matériaux d'électrode pour les batteries Liion en 2002 [Sakamoto, JS, Dunn, B. (2002)], et ont également été utilisés pour la préparation de spinelle LiMn2O4 macroporeux ordonné en 3D [Tonti, D. et coll. (2008)]. Le phosphate de fer et de lithium a été modélisé avec succès à l'aide de modèles de cristaux colloïdaux de PMMA de sphères de 100, 140 et 270 nm de diamètre pour produire des matériaux d'électrode poreux à réseau ouvert, qui présentaient des pores mésoporeux (10-50 nm), méso-macroporeux (20- 80 nm) et macroporeuse (50-120 nm), respectivement [Doherty, CM et al. (2009)]. Les cristaux colloïdaux de PMMA bien empilés constituaient un échafaudage robuste dans lequel la solution de précurseur LiFePO4 était infiltrée puis condensée. Une fois les sphères de PMMA retirées par le processus de calcination à différentes températures de recuit allant de 320 à 800 °C, le LiFePO4 présentait une structure en réseau ouvert avec du carbone résiduel provenant du modèle de cristal colloïdal décomposé. La figure 6 montre les systèmes cristallins colloïdaux utilisés pour cette recherche, avec des sphères de diamètre homogène empilées et bien organisées, ainsi que les structures poreuses ouvertes du modèle LiFePO4, avec une structure de réseau ouvert continu avec un ordre à longue portée. Figure
Balises chaudes : LiFePO4 Batterie Li-ion