Isolated Single-Atom Ni–N5 Catalytic Site in Hollow Porous Carbon Capsules for Efficient Lithium–Sulfur Batteries

催化作用 硫黄 电化学 碳纤维 阴极 材料科学 锂(药物) 部分 化学工程 氧化还原 无机化学 纳米技术 电极 化学 物理化学 有机化学 复合材料 内分泌学 工程类 冶金 复合数 医学
作者
Shaolong Zhang,Xin Ao,Jing Huang,Bin Wei,Yanliang Zhai,Dong Zhai,Wei Deng,Chenliang Su,Dingsheng Wang,Yadong Li
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:21 (22): 9691-9698 被引量:194
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.1c03499
摘要

Lithium-sulfur (Li-S) batteries suffer from multiple complex and often interwoven issues, such as the low electronic conductivity of sulfur and Li2S/Li2S2, shuttle effect, and sluggish electrochemical kinetics of lithium polysulfides (LiPSs). Guided by theoretical calculations, a multifunctional catalyst of isolated single-atom nickel in an optimal Ni-N5 active moiety incorporated in hollow nitrogen-doped porous carbon (Ni-N5/HNPC) is constructed and acts as an ideal host for a sulfur cathode. The host improved electrical conductivity, enhanced physical-chemical dual restricting capability toward LiPSs, and, more importantly, boosted the redox reaction kinetics by the Ni-N5 active moiety. Therefore, the Ni-N5/HNPC/S cathode exhibits superior rate performance, long-term cycling stability, and good areal capacity at high sulfur loading. This work highlights the important role of the coordination number of active centers in single-atom catalysts and provides a strategy to design a hollow nanoarchitecture with single-atom active sites for high-performance Li-S batteries.
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