研究人員開發(fā)出一種簡便高效的合成方案，可用于制備各種鈷基過渡金屬氧化物（TMOs）納米管，包括Co3O4、MnCo2O4和NiCo2O4，而不需要額外使用模板。

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鋰離子電池（LIBs）具有能量密度高、壽命長、環(huán)保等優(yōu)點，已成為電動汽車和混合動力汽車中最具發(fā)展前景的儲能設(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(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)過程中，TMOs普遍存在嚴(yán)重的體積膨脹問題。這會導(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

研究人員開發(fā)了具有中空、介孔和分級結(jié)構(gòu)的TMOs，用作鋰離子電池的高性能負(fù)極。這種獨特的結(jié)構(gòu)具有巨大的優(yōu)勢，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位點。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)動力學(xué)過程，大大提高速率能力。

基于模板和無模板合成TMOs

基于模板的方法簡便、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，并通過熱分解或化學(xué)腐蝕除核，是通過基于模板的方法構(gòu)建空心結(jié)構(gòu)的兩個必要步驟。但是，這種方法成本高，而且會造成環(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、產(chǎn)率低等缺點，嚴(yán)重影響其應(yīng)用。因此，很有必要開發(fā)一種簡便高效的合成方案，以便可控制備多種TMOs中空結(jié)構(gòu)，如鈷基TMOs納米管。

兩步無模板法合成鈷基TMOs

該合成方案只需要簡單的兩步，包括制備固態(tài)前體的濕化學(xué)反應(yīng)，以及煅燒過程，從而有效避免使用額外的模板。通過該工藝，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)在煅燒過程中TMOs 結(jié)晶和去除有機(jī)化合物同時進(jìn)行，這對形成所需的中空管狀結(jié)構(gòu)具有關(guān)鍵性影響。

通過簡單的煅燒處理，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。

無模板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)充放電過程提供了足夠的活性位點、更短的擴(kuò)散路徑和足夠的緩沖空間。