マクロまたはメソ多孔質材料の合成

高速用途向けの新しい正極材料へのアプローチの 1 つは、三次元的に秩序化されたマクロ多孔質またはメソ多孔質固体を合成することです。このような材料はマイクロメートルサイズの粒子で構成されており、その中に直径 2 ～ 50 nm の同一の規則的な細孔が存在し、壁の厚さは 2 ～ 8 nm です。サイクル中に膨張または収縮するときに互いに切断される可能性があるナノ粒子とは異なり、メソポーラス材料は従来のリチウム電池のインターカレーションカソードと同じ寸法を有するため、切断の問題が少なくなります。さらに、これらは従来の材料と同じ方法で製造できますが、内部多孔性により電解液が粒子に浸透し、高い接触面積が確保されるため、界面全体でのリチウム移動が容易になり、内部での Li+ 輸送の拡散距離も短くなります。インターカレーションが起こる壁 [Bruce, PG (2008a)]。

規則正しいメソ多孔質固体はシリカ構造で構築することができる [Bruce, PG et al. (2008b)]。規則的メソ多孔質リチウム遷移金属酸化物の最初の例であるLiCoO2の低温多形体が合成され、ナノ粒子形態の同じ化合物と比較してカソードとして優れた特性を示すことが示された。この材料は、40 Å サイズの細孔と 70 Å の壁厚を示しました。このサンプルの合成には、テンプレートとして KIT-6 シリカを使用することが含まれていました。 Co 前駆体溶液へのシリカの含浸、その後のアニーリングおよびシリカ テンプレートの溶解により、メソ構造化された Co3O4 が生成されました。この多孔質酸化物は固相反応によって LiOH と反応し、LiCoO2 が得られました。規則正しいメソ多孔質材料は、50 サイクルにわたる連続挿入/除去中に優れたリチウム サイクルを示します [Jiao, F. et al. （2005）]。

メソポーラス構造は、ソフトコロイド結晶をテンプレートとして使用することによっても調製できます。 1997 年に、Velev は、シリカのマクロ多孔質構造を生成するためのテンプレートとして 150 nm ～ 1 μm の範囲のコロイド状ラテックス球を使用することを初めて報告しました [Velev, OD et al.コロイド結晶は、繰り返しサブユニットが原子または分子である標準結晶に類似したコロイド粒子の規則正しい配列から構成されます [Pieranski, P. (1983)]。これらは通常、ラテックス、ポリ（スチレン）（PS）、シリカ、または PMMA（ポリ（メタクリル酸メチル））マイクロビーズなどの最密充填球体から形成されます。前駆体溶液をオパール構造に浸透させた後、アセンブリは通常、空気中で 500 ～ 700 ℃の温度で焼成されます。このようにして、粒子間の空隙が流体前駆体によって満たされ、後者は除去前に固体に変換されます。テンプレート素材のこと。

コロイド結晶テンプレートは、2002 年にリチウムイオン電池用の電極材料を形成するための添加剤として初めて報告され [Sakamoto, JS, Dunn, B. (2002)]、3 次元規則性マクロ多孔質 LiMn2O4 スピネルの調製にも使用されています [Tonti, D.ら。 （2008年）]。リン酸鉄リチウムは、直径 100、140、および 270 nm の球状の PMMA のコロイド結晶テンプレートを使用してテンプレート化することに成功し、メソ多孔質 (10 ～ 50 nm)、メソマクロ多孔質 (20 ～ 50 nm) の細孔を特徴とする多孔質の開格子電極材料を生成しました。 ８０ｎｍ）、およびマクロ多孔質（５０〜１２０ｎｍ）の範囲をそれぞれ［Ｄｏｈｅｒｔｙ，ＣＭ ｅｔ ａｌ． （2009年）]。十分に積み重ねられた PMMA コロイド結晶は、LiFePO4 前駆体溶液が浸透し、その後凝縮する強固な足場を提供しました。 320 ～ 800℃の範囲のさまざまなアニーリング温度での焼成プロセスを通じて PMMA 球体が除去されると、LiFePO4 は、分解したコロイド結晶テンプレートから残った残留炭素を含む開格子構造を特徴としました。図6は、この研究に使用された結晶コロイド系を示しています。よく組織化され、積み重ねられた均一な直径の球体と、長距離秩序を持つ連続した開放格子構造を持つテンプレートLiFePO4の開放多孔質構造も示しています。図
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