Multi-ion Modulated Single-Step Synthesis of a Nanocarbon Embedded with a Defect-Rich Nanoparticle Catalyst for a High Loading Sulfur Cathode

材料科学 硫黄 催化作用 阴极 纳米颗粒 化学工程 离子 纳米技术 化学 有机化学 物理化学 冶金 工程类
作者
Jian Wang,Lujie Jia,Haitao Liu,Chong Wang,Jun Zhong,Qingbo Xiao,Jin Yang,Shaorong Duan,Kun Feng,Na Liu,Wenhui Duan,Hongzhen Lin,Yuegang Zhang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:12 (11): 12727-12735 被引量:33
标识
DOI:10.1021/acsami.9b21509
摘要

Oxygen defect-rich iron oxide (ODFO) nanoparticle catalyst on nanocarbon is in situ synthesized with the assistance of multi-ion modulation in one pot. The nanoparticle catalyst is employed to propel electrochemical kinetics in lithium/sulfur batteries. Electrochemical analysis and theoretical simulation evidently verify the critical role of defect sites on catalyzing conversion reactions of sulfur species and reducing energy barriers. As a consequence, the ODFO-enhanced sulfur cathode exhibits a high specific capacity of 1489 mA h g–1 at 0.1 C, an excellent rate performance of 644 mA h g–1 at 10 C, and a superior cycling stability with an average capacity fading rate of as low as 0.055% per cycle under an ultrahigh rate of 10 C. More importantly, even with a high sulfur loading of 11.02 mg cm–2, the Li/S cell can still deliver an areal capacity of 8.7 mA h cm–2 at 0.5 C (9.23 mA cm–2). Such performance is the highest among reported metal oxide-catalyzed sulfur cathodes. This work opens a new route to boosting conversion reaction kinetics by introduction of active oxygen defect sites in electrodes of various emerging ultrafast batteries.
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