Entropy‐Driven Highly Chaotic MXene‐Based Heterostructures as an Efficient Sulfur Redox Electrocatalysts for Li‐S Battery

材料科学 氧化还原 异质结 电池(电) 混乱的 硫黄 电化学 纳米技术 化学工程 电极 光电子学 功率(物理) 计算机科学 物理化学 热力学 化学 物理 人工智能 工程类 冶金
作者
Kai Wu,Guodong Lu,Bin Huang,Zewei Hu,Yang Lv,Hussein A. Younus,Xiwen Wang,Zhixiao Liu,Shiguo Zhang
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:34 (45) 被引量:31
标识
DOI:10.1002/adfm.202404976
摘要

Abstract Both the sluggish sulfur redox reaction (SRR) kinetics and lithium polysulfides (LiPSs) shuttle effect limit the practical application of Li‐S batteries. Designing heterostructure sulfur hosts has emerged as an effective way to address these two issues with one material. However, the principles of heterostructures reinforced Li‐S batteries remain inadequately understood. Here, it is demonstrated for the first time that increasing the entropy of heterostructure can promote its SRR catalytic activity and alleviate the LiPSs shuttling. By a simple solution‐based strategy, a highly chaotic MXene‐based heterostructure (HCMH, TiS 2 /TiN/TiO 2 /Ti 3 C 2 T x ) is fabricated. The smart integration of “high entropy”, heterostructure, and MXene endow the HCMH catalyst with significantly improved performance, demonstrated by a much smaller Tafel slope of 62.9 mV dec −1 and a higher electron transfer number of 7.10, compared with the moderately chaotic MXene‐based heterostructure (MCMH, TiO 2 /TiN/Ti 3 C 2 T x ) and MXene. DFT theoretical calculations reveal that introducing new phases lowers the Gibbs energy barriers of both rate‐limiting Li 2 S 2 /Li 2 S reduction and Li 2 S decomposition. Upon the addition of only 5 wt.% HCMH to the sulfur cathode, both the reversible capacity and rate capability of Li‐S cells are greatly improved, which further highlights the importance of the high entropy “cocktail effect” in the design of SRR electrocatalysts in the future.
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