Effective Bidirectional Mott–Schottky Catalysts Derived from Spent LiFePO4 Cathodes for Robust Lithium−Sulfur Batteries

材料科学 催化作用 硫黄 碳热反应 阴极 电解质 溶解 化学工程 成核 锂(药物) 碳纤维 无机化学 电极 化学 碳化物 冶金 物理化学 有机化学 复合材料 医学 工程类 内分泌学 复合数
作者
Mengjie Zhang,Zhongshuai Zhang,Fengshun Wu,Mengxiao Wang,Xiaoyuan Yu
出处
期刊:Small [Wiley]
标识
DOI:10.1002/smll.202309146
摘要

It is deemed as a tough yet profound project to comprehensively cope with a range of detrimental problems of lithium-sulfur batteries (LSBs), mainly pertaining to the shuttle effect of lithium polysulfides (LiPSs) and sluggish sulfur conversion. Herein, a Co2 P-Fe2 P@N-doped carbon (Co2 P-Fe2 P@NC) Mott-Schottky catalyst is introduced to enable bidirectionally stimulated sulfur conversion. This catalyst is prepared by simple carbothermal reduction of spent LiFePO4 cathode and LiCoO2 . The experimental and theoretical calculation results indicate that thanks to unique surface/interface properties derived from the Mott-Schottky effect, full anchoring of LiPSs, mediated Li2 S nucleation/dissolution, and bidirectionally expedited "solid⇌liquid⇌solid" kinetics can be harvested. Consequently, the S/Co2 P-Fe2 P@NC manifests high reversible capacity (1569.9 mAh g-1 ), superb rate response (808.9 mAh g-1 at 3C), and stable cycling (a low decay rate of 0.06% within 600 cycles at 3C). Moreover, desirable capacity (5.35 mAh cm-2 ) and cycle stability are still available under high sulfur loadings (4-5 mg cm-2 ) and lean electrolyte (8 µL mg-1 ) conditions. Furthermore, the as-proposed universal synthetic route can be extended to the preparation of other catalysts such as Mn2 P-Fe2 P@NC from spent LiFePO4 and MnO2 . This work unlocks the potential of carbothermal reduction phosphating to synthesize bidirectional catalysts for robust LSBs.

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