锂离子电池：在负极中使用无模板合成的钴基氧化物纳米管

据国外媒体报道，研究人员开发了一种简单高效的合成方案，可用于制备各种钴基过渡金属氧化物(TMOs)纳米管，包括Co3O4、MnCo2O4和NiCo2O4，无需使用额外的模板。

(来源:AZOM)

锂离子电池具有能量密度高、寿命长、环保等优点，已成为电动汽车和混合动力汽车中最有前途的储能设备。然而，随着电子工业的快速发展，要求锂离子电池具有更高的能量密度，以满足高性能电子设备的需求。

电极通常决定锂离子电池的容量。碳质材料(尤其是石墨)已广泛应用于商用锂离子电池设备，但传统负极的理论容量仅为372 mAhg-1。

为了替代石墨，提高锂离子电池的能量密度，研究人员开发了其他几种类型的负极材料，如金属氧化物、金属硫化物和合金。在这些材料中，过渡金属氧化物(TMOs)的理论容量比石墨高2-3倍，是研磨石墨的替代品，也是最有前途的锂离子电池负极材料。但在反复循环的过程中，TMOs一般会出现严重的体积膨胀问题。这将导致电极粉化和循环稳定性差。为了提高其结构稳定性和电化学性能，有必要合理设计正极材料。

中空结构的氧化钼是一种较好的锂离子电池负极材料。

研究人员开发了具有中空、介孔和分级结构的TMOs，用作锂离子电池的高性能负极。这种独特的结构有很大的优势，所以备受关注。

中空的内部可以作为缓冲空间，适应充放电时的大体积变化，有效防止结构坍塌。因此，正极材料的循环性能可以大大提高。

此外，这种中空结构可以提供大的表面积，从而为电极材料提供足够的锂储存位置。与块体材料相比，具有中空结构的材料可以为锂离子和电子提供更短的扩散路径。这可以有效地促进动态过程，大大提高速度能力。

基于模板和无模板的TMOs综合

模板法简单、通用，是制备空心结构材料的常用方法。通常，制备具有核壳结构的前驱体和通过热分解或化学腐蚀去除核是通过基于模板的方法构建中空结构的两个必要步骤。但是，这种方法成本高，而且会造成环境污染。

此外，模板法制备的中空结构的几何构型通常为球形。这是因为很难将壳材料均匀地沉积在具有高曲率表面的芯基板上。

几种无模板法基于水热/溶剂热法、Kohler-Kendal效应、等温淬火和静电纺丝技术，都存在反应周期长、产率低的缺点，严重影响了它们的应用。因此，有必要开发一种简单有效的合成方案，以便可控地制备各种空心TMOs结构，例如钴基TMOs纳米管。

两步无模板法合成钴基TMOs

该合成方案只需要简单的两步，包括湿化学反应制备固体前驱体和煅烧过程，有效避免了额外模板的使用。Co3O4和二元钴基TMOs(包括MnCo2O4和NiCo2O4)可以通过使用不同的金属盐容易地制备。

用透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)分析了制备的钴基TMOs的结构和组成。结果表明，所有样品均为空心管状结构。

追踪在不同温度下煅烧的Co3O4纳米管前体的形态演变可以发现，TMOs的结晶和有机化合物的去除在煅烧过程中同时进行，这对所需中空管状结构的形成具有关键影响。

通过简单的煅烧处理，可以合成空心结构……无需添加额外的模板。在煅烧过程中，TMOs的结晶和有机化合物的热分解共同促进了理想中空管状结构的形成。这可以通过在不同温度下煅烧的固体纳米棒前体的形态演变看出。

无模板的Co3O4纳米管具有增强的性能。

作为锂离子电池负极，无模板Co3O4纳米管比实心Co3O4纳米管具有更好的循环性能和倍率性能。电化学性能的这种改善可归因于良好的中空管状结构。这为电化学重复充放电过程提供了足够的活性位点、更短的扩散路径和足够的缓冲空间。据国外媒体报道，研究人员开发了一种简单高效的合成方案，可用于制备各种钴基过渡金属氧化物(TMOs)纳米管，包括Co3O4、MnCo2O4和NiCo2O4，无需使用额外的模板。

(来源:AZOM)

锂离子电池具有能量密度高、寿命长、环保等优点，已成为电动汽车和混合动力汽车中最有前途的储能设备。然而，随着电子工业的快速发展，要求锂离子电池具有更高的能量密度，以满足高性能电子设备的需求。

电极通常决定锂离子电池的容量。碳质材料(尤其是石墨)已广泛应用于商用锂离子电池设备，但传统负极的理论容量仅为372 mAhg-1。

为了替代石墨，提高锂离子电池的能量密度，研究人员开发了其他几种类型的负极材料，如金属氧化物、金属硫化物和合金。在这些材料中，过渡金属氧化物(TMOs)的理论容量比石墨高2-3倍，是研磨石墨的替代品，也是最有前途的锂离子电池负极材料。但在反复循环的过程中，TMOs一般会出现严重的体积膨胀问题。这将导致电极粉化和循环稳定性差。为了提高其结构稳定性和电化学性能，有必要合理设计正极材料。

中空结构的氧化钼是一种较好的锂离子电池负极材料。

研究人员开发了具有中空、介孔和分级结构的TMOs，用作锂离子电池的高性能负极。这种独特的结构有很大的优势，所以备受关注。

中空的内部可以作为缓冲空间，适应充放电时的大体积变化，有效防止结构坍塌。因此，正极材料的循环性能可以大大提高。

此外，这种中空结构可以提供大的表面积，从而为电极材料提供足够的锂储存位置。与块体材料相比，具有中空结构的材料可以为锂离子和电子提供更短的扩散路径。这可以有效地促进动态过程，大大提高速度能力。

基于模板和无模板的TMOs综合

模板法简单、通用，是制备空心结构材料的常用方法。通常，制备具有核壳结构的前驱体和通过热分解或化学腐蚀去除核是通过基于模板的方法构建中空结构的两个必要步骤。但是，这种方法成本高，而且会造成环境污染。

此外，模板法制备的中空结构的几何构型通常为球形。这是因为很难将壳材料均匀地沉积在具有高曲率表面的芯基板上。

几种无模板法基于水热/溶剂热法、Kohler-Kendal效应、等温淬火和静电纺丝技术，都存在反应周期长、产率低的缺点，严重影响了它们的应用。因此，有必要开发一种简单有效的合成方案，以便可控地制备各种空心TMOs结构，例如钴基TMOs纳米管。

两步无模板法合成钴基TMOs

该合成方案只需要两步简单的步骤，包括湿化学反应制备固体前驱体和煅烧过程，从而有效地避免了使用额外的……模板。Co3O4和二元钴基TMOs(包括MnCo2O4和NiCo2O4)可以通过使用不同的金属盐容易地制备。

用透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)分析了制备的钴基TMOs的结构和组成。结果表明，所有样品均为空心管状结构。

追踪在不同温度下煅烧的Co3O4纳米管前体的形态演变可以发现，TMOs的结晶和有机化合物的去除在煅烧过程中同时进行，这对所需中空管状结构的形成具有关键影响。

通过简单的煅烧处理，可以在不添加额外模板的情况下合成中空结构。在煅烧过程中，TMOs的结晶和有机化合物的热分解共同促进了理想中空管状结构的形成。这可以通过在不同温度下煅烧的固体纳米棒前体的形态演变看出。

无模板的Co3O4纳米管具有增强的性能。

作为锂离子电池负极，无模板Co3O4纳米管比实心Co3O4纳米管具有更好的循环性能和倍率性能。电化学性能的这种改善可归因于良好的中空管状结构。这为电化学重复充放电过程提供了足够的活性位点、更短的扩散路径和足够的缓冲空间。

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