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First‐principles Screening of Transition‐Metal Doped FeS2 As Sulfur Cathode Host for Sulfur Redox Chemistry

化学 硫黄 无机化学 氧化还原 阴极 多硫化物 电化学 过渡金属 吉布斯自由能 物理化学 催化作用 电解质 电极 热力学 物理 有机化学 生物化学
作者
Cheng‐Dong Wei,Hongtao Xue,Ruo‐Jiao Yin,Hongyi Zhang,Zhijun Zhang,Fuling Tang
出处
期刊:Chemcatchem [Wiley]
卷期号:15 (17) 被引量:4
标识
DOI:10.1002/cctc.202300569
摘要

Abstract The sulfur cathode host Fe 1‐ x M x S 2 (M=transition‐metal; x =0, 0.125, and 0.25) for the sulfur redox chemistry is essential to facilitate the fast charge‐discharge kinetics of lithium‐sulfur‐batteries (LSBs). Applying first‐principles calculations, the formation energy, conductivity, work function, charge redistribution, chemical adsorption, and catalytic performance of Fe 1‐ x M x S 2 are systematically investigated. Ti/V‐doped FeS 2 has low lattice distortion and formation energy, and facilitates the Li + diffusion due to charge redistribution. Chemical adsorption for polysulfides (LiPSs) is closely related to d ‐band center of Fe 1‐ x M x S 2 . Li 2 S's activation begins with the transfer of electrons from the electron‐rich metal center to the empty orbitals of Li 2 S. Gibbs free energy change of Li 2 S 4 to Li 2 S determines the catalytic efficiency. Li 2 S deposition and decomposition affects the redox kinetics of sulfur. Ti/V‐doped FeS 2 has superior conductivity, chemical adsorption, and has low thermodynamic barrier of Li 2 S deposition. Li 2 S decomposition tends to occur on Fe 0.875 Ti 0.125 S 2 (001) surface. In general, Ti/V‐doped FeS 2 , as the host material of the sulfur cathode, is more beneficial to the cycle performance of LSBs. The electrochemical properties of sulfur cathode host materials can be controlled by doping, and can be manipulated and optimized in a certain range through electronic structure and chemical composition design in LSBs.
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