Amorphous bimetallic polysulfide for all-solid-state batteries with superior capacity and low-temperature tolerance

多硫化物 无定形固体 材料科学 双金属片 动力学 化学工程 容量损失 金属 阳极 冶金 结晶学 化学 物理化学 物理 电极 量子力学 电解质 工程类
作者
Pushun Lu,Sheng Gong,Fuliang Guo,Xiang Zhu,Yuli Huang,Yue Wang,Weitao He,Ming Yang,Liquan Chen,Hong Li,Fan Wu
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier BV]
卷期号:118: 109029-109029 被引量:13
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2023.109029
摘要

Transition-metal sulfides with high capacity and low cost have been widely acknowledged as promising cathode candidate for all-solid-state batteries (ASSBs). However, the solid-solid conversion reaction mechanism based on ordered crystal structures and the high concentration of metal element result in sluggish reaction kinetics and sacrificed specific capacity. Herein, an amorphous bimetallic polysulfide (Mo0.5Ti0.5S4) is designed to create abundant reaction sites, improve diffusion kinetics and attain sulfur-equivalent capacity. As a result of the decreased elastic modulus through the introduction of Ti, the amorphization of crystalline MoS2 is accelerated during ball milling. Compared with its counterpart (MoS4, 757 mAh g−1), Mo0.5Ti0.5S4 ASSB delivers a much higher reversible capacity (914 mAh g−1), thanks to the abundant reaction sites and suppressed S/Li2S separation from amorphous Mo-Sx matrix. Moreover, due to the improved diffusion kinetics and pseudocapacitive contribution, the capacity retention of Mo0.5Ti0.5S4 at 4 C current rate increases from 47.2 % to 65.8 %. In addition, Mo0.5Ti0.5S4 shows excellent low-temperature performances, including good long-term cycle stability and rate capability (with a capacity retention of 50.5 % at 0.5 C) at −20 ℃, and increased capacity retention (from 35.1 % to 50.7 %) at −40 ℃. Therefore, Mo0.5Ti0.5S4 with bimetallic amorphous structure and enriched sulfur anions has enormous potential on high-rate and low-temperature ASSB applications.
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