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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

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58京牌 ,研究人员开发出一种简便高效的合成方案,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,而不需要额外使用模板。

(图片来源:AZOM)

锂离子电池(LIBs)具有能量密度高、寿命长、环保等优点,已成为和混合动力汽车中最具发展前景的储能设备。然而,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,以满足高性能电子器件的需求。

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

为了取代石墨,提高锂离子电池的能量密度,研究人员已开发了若干其他类型的负极材料,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,是地的石墨替代品,也是锂离子电池最有前途的负极材料。然而,在反复循环过程中,TMOs普遍存在严重的体积膨胀问题。这会导致电极粉化,循环稳定性较差。为了提高其结构稳定性和电化学性能,需要合理设计负极材料。

中空结构TMOs是更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。这种独特的结构具有巨大的优势,因此备受关注。

中空的内部可以作为缓冲空间,以适应充放电过程中较大的体积变化,有效防止结构坍塌。因此,可以大大提高负极材料的循环性能。

此外,这种空心结构能够提供较大的表面积,从而为电极材料提供足够的锂存储位点。与块状材料相比,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。这可以有效促进动力学过程,大大提高速率能力。

基于模板和无模板合成TMOs

基于模板的方法简便、通用性强,是制备空心结构材料的常用方法。通常情况下,制备具有核-壳结构的前体,并通过热分解或化学腐蚀除核,是通过基于模板的方法构建空心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,基于模板方法制备的空心结构,其几何构型通常是球形的。这是因为在具有高曲率表面的核心基板上,很难均匀沉积外壳材料。

几种无模板方法基于水热/溶剂热法、柯肯达尔效应、奥氏熟化和静电纺丝技术,均存在反应周期长、产率低等缺点,严重影响其应用。因此,很有必要开发一种简便高效的合成方案,以便可控制备多种TMOs中空结构,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,包括制备固态前体的湿化学反应,以及煅烧过程,从而有效避免使用额外的模板。通过该工艺,使用不同的金属盐,很容易制备Co3O4和二元钴基TMOs(包括MnCo2O4和NiCo2O4)。

采用透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)等表征技术,对所制备的钴基TMOs的结构和成分进行分析。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,可以发现在煅烧过程中TMOs 结晶和去除有机化合物同时进行,这对形成所需的中空管状结构具有关键性影响。

通过简单的煅烧处理,可以在不额外添加模板的情况下合成空心结构。在煅烧过程中,TMOs的结晶和有机化合物热分解,共同促进形成理想的空心管状结构。通过在不同温度下煅烧的固态纳米棒前体的形貌演变,可以看到这一点。

无模板Co3O4纳米管具有增强性能

作为锂离子电池的负极,与固态Co3O4纳米管相比,无模板Co3O4纳米管具有更好的循环性能和倍率性能。这种电化学性能的提升,可以归功于良好的空心管状结构。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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