Ein Ansatz für neue positive Elektrodenmaterialien für Hochgeschwindigkeitsanwendungen besteht darin, dreidimensional geordnete makroporöse oder mesoporöse Feststoffe zu synthetisieren. Solche Materialien bestehen aus mikrometergroßen Partikeln, in denen identische geordnete Poren mit einem Durchmesser von 2–50 nm mit Wänden von 2-8 nm Dicke existieren. Im Gegensatz zu Nanopartikeln, die sich beim Ausdehnen oder Zusammenziehen bei Zyklen voneinander lösen können, leiden mesoporöse Materialien, da sie die gleichen Abmessungen wie die Interkalationskathoden in herkömmlichen Lithiumzellen haben, weniger unter dem Problem der Trennung. Darüber hinaus können sie wie herkömmliche Materialien hergestellt werden, jedoch ermöglicht die innere Porosität dem Elektrolyten, die Partikel zu fluten, was eine hohe Kontaktfläche und damit einen leichten Lithiumtransfer über die Grenzfläche sowie kurze Diffusionsstrecken für den Li+-Transport innerhalb von die Wände, wo die Interkalation stattfindet [Bruce, PG (2008a)].

Geordnete mesoporöse Feststoffe können mit Siliciumdioxidstrukturen aufgebaut werden [Bruce, P.G. et al. (2008b)]. Das erste Beispiel für ein geordnetes mesoporöses Lithium-Übergangsmetalloxid, das Tieftemperaturpolymorph von LiCoO2, wurde synthetisiert und zeigt überlegene Eigenschaften als Kathode im Vergleich zu derselben Verbindung in Nanopartikelform. Dieses Material zeigte 40 große Poren und eine Wandstärke von 70 . Die Synthese dieser Probe umfasste die Verwendung von KIT-6-Siliciumdioxid als Templat. Durch Imprägnieren des Siliciumdioxids in Co-Vorläuferlösung, anschließendes Tempern und Auflösen des Siliciumdioxidtemplats wurde mesostrukturiertes Co3O4 erzeugt. Dieses poröse Oxid reagierte mit LiOH durch eine Festkörperreaktion, um LiCoO2 zu erhalten. Das geordnete mesoporöse Material zeigt einen überlegenen Lithium-Zyklus während der kontinuierlichen Interkalation/Entfernung für 50 Zyklen [Jiao, F. et al. (2005)].

Mesoporöse Strukturen können auch hergestellt werden, indem weiche kolloidale Kristalle als Template verwendet werden. 1997 berichtete Velev erstmals über die Verwendung kolloidaler Latexkugeln im Bereich von 150 nm bis 1 µm als Templat, um makroporöse Siliciumdioxidstrukturen herzustellen [Velev, O.D. et al. (1997)].Ein kolloidaler Kristall besteht aus einer geordneten Anordnung kolloidaler Partikel, die einem Standardkristall analog ist, dessen sich wiederholende Untereinheiten Atome oder Moleküle sind [Pieranski, P. (1983)]. Sie werden normalerweise aus geschlossen gepackten Kugeln wie Latex-, Poly(styrol) (PS), Kieselsäure oder PMMA (Poly(methylmethacrylat))-Mikrokügelchen gebildet. Nach der Infiltration der Precursor-Lösung in die Opalstruktur wird die Anordnung in der Regel an Luft bei Temperaturen zwischen 500 und 700 °C kalziniert. Auf diese Weise werden Hohlräume zwischen den Partikeln durch die flüssigen Precursor gefüllt, und diese letzteren werden vor der Entfernung in einen Feststoff umgewandelt des Vorlagenmaterials.

Kolloidale Kristalltemplate wurden erstmals 2002 als Additiv zur Bildung von Elektrodenmaterialien für Li-Ionen-Batterien beschrieben [Sakamoto, JS, Dunn, B. (2002)] und wurden auch zur Herstellung von 3-D-geordnetem makroporösem LiMn2O4-Spinell verwendet [Tonti, D.et al. (2008)]. Lithiumeisenphosphat wurde erfolgreich unter Verwendung von kolloidalen Kristalltemplaten aus PMMA mit Kugeln mit einem Durchmesser von 100, 140 und 270 nm hergestellt, um poröse, offene Gitterelektrodenmaterialien herzustellen, die Poren im mesoporösen (10-50 nm), mesomakroporösen (20- 80 nm) bzw. makroporöse (50-120 nm) Bereiche [Doherty, CM et al. (2009)]. Die gut gestapelten kolloidalen PMMA-Kristalle lieferten ein robustes Gerüst, in das die LiFePO4-Vorläuferlösung infiltriert und dann kondensiert wurde. Nachdem die PMMA-Kugeln durch den Kalzinierungsprozess bei verschiedenen Glühtemperaturen von 320 bis 800 °C entfernt wurden, wies das LiFePO4 eine offene Gitterstruktur mit Restkohlenstoff aus dem zersetzten kolloidalen Kristalltemplat auf. Abbildung 6 zeigt die für diese Forschung verwendeten kolloidalen Kristallsysteme mit gut organisierten, gestapelten Kugeln mit homogenem Durchmesser sowie die offenporigen Strukturen des Templats LiFePO4 mit einer kontinuierlichen offenen Gitterstruktur mit Fernordnung. Feige.

Abb. 6. a) Schliffbild des verwendeten kolloidalen Kristallsystems; b) LiFePO4 templatiert mit 270 nm großen PMMA-Kugeln; und c) Regelmäßige Kanäle, die aus den geschlossen gepackten Kügelchen gebildet werden, die einen guten Elektrolytzugang zu den LiFePO4-Oberflächen ermöglichen. (Doherty, C. M. et al. (2009)).

Alle hergestellten Materialien litten unter einer Schrumpfung der porösen Struktur, wobei die Porendurchmesser für jede der Proben ungefähr 40% des anfänglichen Kügelchendurchmessers betrugen. Wachsende Kristallitgrößen wurden aufgezeichnet, wenn die Kalzinierungstemperatur von 500 auf 800 °C erhöht wurde. Trotz der größeren Oberfläche des Materials aus dem kleinsten Perlendurchmesser (100 nm) war seine elektrochemische Leistung die schlechteste von allen dreien. Dies kann auf eine Einschränkung des Elektrolytzugangs zurückzuführen sein, die durch eine schlechte Interkonnektivität zwischen den Poren verursacht wird, wodurch ein Teil der LiFePO4-Oberfläche elektrochemisch inaktiv bleibt. Mikroskopaufnahmen der Probe zeigten einige Bereiche, in denen die kleinen Poren zusammengebrochen waren und während der thermischen Behandlung blockiert wurden und somit kein offenes Gitter vorhanden war. Aus diesem Grund kann gesagt werden, dass die Interkonnektivität der Porenstruktur für eine gute Elektrolytpenetration sowie einen effizienten Ladungstransfer unerlässlich ist. Auf diese Weise würden die mit den größeren Kugeln (270 nm) hergestellten templatierten Proben sowohl eine gute Interkonnektivität als auch einen besseren Elektrolytzugang zu Oberflächen innerhalb großer mikrometergroßer LiFePO4-Partikel bieten. Der Vorteil der Verwendung von kolloidalen Kristalltemplaten zur Herstellung von Hochleistungs-LiFePO4-Elektroden besteht darin, dass die Porengrößen angepasst werden können, während die Synthesebedingungen kontrolliert werden. Es vergrößert die Oberfläche und verringert die Diffusionsstrecke, während eine verbundene poröse Struktur beibehalten wird, um einen effizienten Ladungstransfer und eine reduzierte Impedanz zu gewährleisten.

Mesoporöse Elektrodenmaterialien wurden auch unter Verwendung eines kationischen Tensids in einem Fluoridmedium wie Li3Fe2(PO4)3 hergestellt [Zhu, S. et al. (2004)]. Dieses Material zeigte einen mittleren Porendurchmesser von 3,2 nm und eine Wandstärke von 2,2 nm. In diesem Fall beruhte der Selbstorganisationsprozess, der zu mesoporösem Material führte, auf Coulomb-Wechselwirkungen zwischen den Kopfgruppen des Tensids (Cetyltrimethylammonium CTMA+) und F--Ionen, die Fe2+-Spezies einkapseln. Fe2+-Ionen befinden sich zwischen den Ionenpaaren [LiPO4Fe2+] und [F-CTMA+].
Die Kathodenleistung dieses selbstorganisierten Li3Fe2(PO4)3-Materials war besser als die in anderen in der Literatur beschriebenen Studien beobachteten, mit einer spezifischen Kapazität von über 100 mAh·g-1 bei 200 mA·g-1.