空心復合結構材料因其自身獨特的結構特點在諸如光、電、磁、催化、生物醫(yī)學、能源存儲與轉換等眾多領域中具有廣闊的應用前景。通過對空腔殼層的組分、結構、表面特性的合理調(diào)控，可以實現(xiàn)對功能材料性能的設計，從而滿足不同領域的特殊需求。對于鋰離子電池電極材料的設計與應用優(yōu)化而言，充分利用空腔結構在電解液浸潤、鋰離子傳輸、復合結構設計方面的優(yōu)勢，構筑具有空腔結構的微納復合材料已經(jīng)成為提高電極材料倍率性能、穩(wěn)定性的有效途徑，而如何克服傳統(tǒng)空腔結構構筑中存在的工藝繁瑣、耗時長、污染嚴重、成本高等一系列缺陷，基于新的機理和路徑實現(xiàn)電極材料空腔結構的大規(guī)模可控制備已經(jīng)成為相關研究的一個重要挑戰(zhàn)。

在中國科學院先導專項的大力支持下，中科院化學研究所分子納米結構與納米技術院重點實驗室曹安民課題組科研人員在空心復合結構的可控構筑研究方面取得新進展。他們從聚合誘導膠體凝聚法出發(fā)，首次提出了基于實心顆粒內(nèi)部梯度結晶的獨特方式來直接在顆粒內(nèi)部構筑空心復合結構。在實驗中，他們通過對具有較低結晶度的有機-無機復合前驅(qū)體結晶過程的精確控制，實現(xiàn)了實心顆粒由外及里的逐步結晶，并通過顆粒內(nèi)部應力的累積及調(diào)控使得顆粒的內(nèi)核自動分裂而直接產(chǎn)生空腔（見圖1）。此方法操作簡單、綠色環(huán)保、成本低、可規(guī)模化生產(chǎn)且具有普適性，可以成功制備一系列不同氧化物的復合空心結構（如TiO2-C、SnO2-C、CeO2-C、ZrO2-C、Li4Ti5O12-C等，見圖2）。基于相關方法制備的Li4Ti5O12-C空心復合微球可作為鋰離子電池負極材料，并表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和高倍率性能。該結果以全文形式發(fā)表在《美國化學會志》（J.Am.Chem.Soc.2016,138,5916-5922）上。