（圖片來(lái)源：AZOM）

鋰離子電池（LIBs）具有能量密度高、壽命長(zhǎng)、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，已成為電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車中最具發(fā)展前景的儲(chǔ)能設(shè)備。然而，電子工業(yè)的快速發(fā)展，要求鋰離子電池具有更高的能量密度，以滿足高性能電子器件的需求。

電極通常決定著鋰離子電池的容量。在商用鋰離子電池設(shè)備中，碳質(zhì)材料（尤其是石墨）已得到廣泛應(yīng)用，但傳統(tǒng)負(fù)極的理論容量?jī)H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(kāi)發(fā)了若干其他類型的負(fù)極材料，如金屬氧化物、金屬硫化物和合金。在這些材料中，過(guò)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(fù)極材料。然而，在反復(fù)循環(huán)過(guò)程中，TMOs普遍存在嚴(yán)重的體積膨脹問(wèn)題。這會(huì)導(dǎo)致電極粉化，循環(huán)穩(wěn)定性較差。為了提高其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電化學(xué)性能，需要合理設(shè)計(jì)負(fù)極材料。

中空結(jié)構(gòu)TMOs是更好的鋰離子電池負(fù)極材料

研究人員開(kāi)發(fā)了具有中空、介孔和分級(jí)結(jié)構(gòu)的TMOs，用作鋰離子電池的高性能負(fù)極。這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)具有巨大的優(yōu)勢(shì)，因此備受關(guān)注。

中空的內(nèi)部可以作為緩沖空間，以適應(yīng)充放電過(guò)程中較大的體積變化，有效防止結(jié)構(gòu)坍塌。因此，可以大大提高負(fù)極材料的循環(huán)性能。

此外，這種空心結(jié)構(gòu)能夠提供較大的表面積，從而為電極材料提供足夠的鋰存儲(chǔ)位點(diǎn)。與塊狀材料相比，具有中空結(jié)構(gòu)的材料，可以為鋰離子和電子提供更短的擴(kuò)散路徑。這可以有效促進(jìn)動(dòng)力學(xué)過(guò)程，大大提高速率能力。

基于模板和無(wú)模板合成TMOs

基于模板的方法簡(jiǎn)便、通用性強(qiáng)，是制備空心結(jié)構(gòu)材料的常用方法。通常情況下，制備具有核-殼結(jié)構(gòu)的前體，并通過(guò)熱分解或化學(xué)腐蝕除核，是通過(guò)基于模板的方法構(gòu)建空心結(jié)構(gòu)的兩個(gè)必要步驟。但是，這種方法成本高，而且會(huì)造成環(huán)境污染。

此外，基于模板方法制備的空心結(jié)構(gòu)，其幾何構(gòu)型通常是球形的。這是因?yàn)樵诰哂懈咔时砻娴暮诵幕迳希茈y均勻沉積外殼材料。

幾種無(wú)模板方法基于水熱/溶劑熱法、柯肯達(dá)爾效應(yīng)、奧氏熟化和靜電紡絲技術(shù)，均存在反應(yīng)周期長(zhǎng)、產(chǎn)率低等缺點(diǎn)，嚴(yán)重影響其應(yīng)用。因此，很有必要開(kāi)發(fā)一種簡(jiǎn)便高效的合成方案，以便可控制備多種TMOs中空結(jié)構(gòu)，如鈷基TMOs納米管。

兩步無(wú)模板法合成鈷基TMOs

該合成方案只需要簡(jiǎn)單的兩步，包括制備固態(tài)前體的濕化學(xué)反應(yīng)，以及煅燒過(guò)程，從而有效避免使用額外的模板。通過(guò)該工藝，使用不同的金屬鹽，很容易制備Co3O4和二元鈷基TMOs（包括MnCo2O4和NiCo2O4）。

采用透射電子顯微鏡（TEM）、X射線衍射（XRD）和X射線光電子能譜（XPS）等表征技術(shù)，對(duì)所制備的鈷基TMOs的結(jié)構(gòu)和成分進(jìn)行分析。結(jié)果表明，所有樣品均為空心管狀結(jié)構(gòu)。

追蹤在不同溫度下煅燒的Co3O4納米管前體的形態(tài)演變，可以發(fā)現(xiàn)在煅燒過(guò)程中TMOs 結(jié)晶和去除有機(jī)化合物同時(shí)進(jìn)行，這對(duì)形成所需的中空管狀結(jié)構(gòu)具有關(guān)鍵性影響。

通過(guò)簡(jiǎn)單的煅燒處理，可以在不額外添加模板的情況下合成空心結(jié)構(gòu)。在煅燒過(guò)程中，TMOs的結(jié)晶和有機(jī)化合物熱分解，共同促進(jìn)形成理想的空心管狀結(jié)構(gòu)。通過(guò)在不同溫度下煅燒的固態(tài)納米棒前體的形貌演變，可以看到這一點(diǎn)。

無(wú)模板Co3O4納米管具有增強(qiáng)性能

作為鋰離子電池的負(fù)極，與固態(tài)Co3O4納米管相比，無(wú)模板Co3O4納米管具有更好的循環(huán)性能和倍率性能。這種電化學(xué)性能的提升，可以歸功于良好的空心管狀結(jié)構(gòu)。這為電化學(xué)重復(fù)充放電過(guò)程提供了足夠的活性位點(diǎn)、更短的擴(kuò)散路徑和足夠的緩沖空間。