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蓋世汽車訊 據外媒報道，研究人員開發出一種簡便高效的合成方案，可用於製備各種鈷基過渡金屬氧化物（TMOs）奈米管，包括Co3O4、MnCo2O4和NiCo2O4，而不需要額外使用模板。
（圖片來源：AZOM）
鋰離子電池（LIBs）具有能量密度高、壽命長、環保等優點，已成為電動汽車和混合動力汽車中最具發展前景的儲能裝置。然而，電子工業的快速發展，要求鋰離子電池具有更高的能量密度，以滿足高效能電子器件的需求。
電極通常決定著鋰離子電池的容量。在商用鋰離子電池裝置中，碳質材料（尤其是石墨）已得到廣泛應用，但傳統負極的理論容量僅為372 mAhg-1。
為了取代石墨，提高鋰離子電池的能量密度，研究人員已開發了若干其他型別的負極材料，如金屬氧化物、金屬硫化物和合金。在這些材料中，過渡金屬氧化物（TMOs）的理論容量比石墨高2-3倍，是地的石墨替代品，也是鋰離子電池最有前途的負極材料。然而，在反覆迴圈過程中，TMOs普遍存在嚴重的體積膨脹問題。這會導致電極粉化，迴圈穩定性較差。為了提高其結構穩定性和電化學效能，需要合理設計負極材料。
中空結構TMOs是更好的鋰離子電池負極材料
研究人員開發了具有中空、介孔和分級結構的TMOs，用作鋰離子電池的高效能負極。這種獨特的結構具有巨大的優勢，因此備受關注。
中空的內部可以作為緩衝空間，以適應充放電過程中較大的體積變化，有效防止結構坍塌。因此，可以大大提高負極材料的迴圈效能。
此外，這種空心結構能夠提供較大的表面積，從而為電極材料提供足夠的鋰儲存位點。與塊狀材料相比，具有中空結構的材料，可以為鋰離子和電子提供更短的擴散路徑。這可以有效促進動力學過程，大大提高速率能力。
基於模板和無模板合成TMOs
基於模板的方法簡便、通用性強，是製備空心結構材料的常用方法。通常情況下，製備具有核-殼結構的前體，並透過熱分解或化學腐蝕除核，是透過基於模板的方法構建空心結構的兩個必要步驟。但是，這種方法成本高，而且會造成環境汙染。
此外，基於模板方法制備的空心結構，其幾何構型通常是球形的。這是因為在具有高曲率表面的核心基板上，很難均勻沉積外殼材料。
幾種無模板方法基於水熱/溶劑熱法、柯肯達爾效應、奧氏熟化和靜電紡絲技術，均存在反應週期長、產率低等缺點，嚴重影響其應用。因此，很有必要開發一種簡便高效的合成方案，以便可控制備多種TMOs中空結構，如鈷基TMOs奈米管。
兩步無模板法合成鈷基TMOs
該合成方案只需要簡單的兩步，包括製備固態前體的溼化學反應，以及煅燒過程，從而有效避免使用額外的模板。透過該工藝，使用不同的金屬鹽，很容易製備Co3O4和二元鈷基TMOs（包括MnCo2O4和NiCo2O4）。
採用透射電子顯微鏡（TEM）、X射線衍射（XRD）和X射線光電子能譜（XPS）等表徵技術，對所製備的鈷基TMOs的結構和成分進行分析。結果表明，所有樣品均為空心管狀結構。
追蹤在不同溫度下煅燒的Co3O4奈米管前體的形態演變，可以發現在煅燒過程中TMOs 結晶和去除有機化合物同時進行，這對形成所需的中空管狀結構具有關鍵性影響。
透過簡單的煅燒處理，可以在不額外新增模板的情況下合成空心結構。在煅燒過程中，TMOs的結晶和有機化合物熱分解，共同促進形成理想的空心管狀結構。透過在不同溫度下煅燒的固態奈米棒前體的形貌演變，可以看到這一點。
無模板Co3O4奈米管具有增強效能
作為鋰離子電池的負極，與固態Co3O4奈米管相比，無模板Co3O4奈米管具有更好的迴圈效能和倍率效能。這種電化學效能的提升，可以歸功於良好的空心管狀結構。這為電化學重複充放電過程提供了足夠的活性位點、更短的擴散路徑和足夠的緩衝空間。
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