中空Co3O4纳米颗粒镶嵌的介孔碳纳米盒用于锂离子电池学术资讯

来源：X一MOL资讯

随着便携式电子设备、电动汽车等产业的壮大发展，人们对高容量和优异倍率的锂离子电池电极材料的需求日益迫切。过渡金属氧化物是一类价格低廉并具有较高理论比容量的材料，被认为是新一代锂离子电池电极材料的理想选择。但是，过渡金属氧化物材料在充放电过程中产生的较大体积变化、严重的团聚以及缓慢的离子/电荷传输导致较低的容量和差的循环稳定性，对其实际应用产生了极大地影响。中空结构材料由于其能有效缓解充放电过程中的体积变化、充分暴露活性位点以及缩短离子扩散距离等优点而受到了广泛关注。此外，将纳米结构的活性材料与高导电性碳复合，不仅能够有效缓解充放电过程中活性材料的体积变化和团聚，而且有利于提高电子/离子的传输效率。然而，如何将中空结构的过渡金属氧化物活性材料均匀地限域在纳米结构的高导电性碳材料中仍然是材料合成领域的一大挑战。
近期，新加坡南洋理工大学楼雄文教授课题组以ZIF-67纳米立方块为模板，通过刻蚀-热解-氧化策略，合成了中空Co3O4纳米颗粒镶嵌的介孔碳纳米盒（H-Co3O4@MCNBs），并将其用于锂离子电池的负极材料。构筑的H-Co3O4@MCNBs拥有独特的结构和组成优势，超小的中空Co3O4纳米颗粒（小于20 nm）能有效缓解充放电过程中的体积变化，极大地缩短Li+的扩散距离，提供较大的活性组分与电解液的接触面以利于快速的电子/离子传输；中空介孔碳纳米盒能够有效地缓解材料在充放电过程中因体积变化而引起的机械应力，提高整体结构稳定性，并且多孔结构能促进Li+的快速传输；超小的中空Co3O4纳米颗粒均匀地镶嵌于介孔碳纳米盒壁中，使得Co3O4活性组分和导电碳有更良好的导电接触，有利于Co3O4活性组分的电化学性能得到更充分利用。作为锂离子电池负极材料，H-Co3O4@MCNBs展现出高的比容量、优异的倍率性能和良好的循环稳定性。这一研究结果提供了一种制备高性能中空结构过渡金属氧化物锂离子电池负极材料的新策略，为构建复合中空结构材料提供了新的思路和方向。

图1. H-Co3O4@MCNBs的合成过程：Ⅰ) 刻蚀；Ⅱ) 热解；Ⅲ) 氧化。

图2. 扫描和透射电镜表征：(a,b)、(c) TA-Co NBs的扫描、透射电镜照片；(d)、(e-l) Co@MCNBs的扫描、透射电镜照片和组成表征。

图3. H-Co3O4@MCNBs的形貌和组成表征。

图4. H-Co3O4@MCNBs的锂离子电池性能评估。

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