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Iodine-doped carbon nanotubes boosting the adsorption effect and conversion kinetics of lithium-sulfur batteries

介电谱 电化学 碳纳米管 电化学动力学 材料科学 化学工程 锂(药物) 吸附 无机化学 化学 纳米技术 电极 有机化学 物理化学 医学 内分泌学 工程类
作者
Yong Jiang,Wenzhuo Li,Xue Li,Yalan Liao,Xiaoyu Liu,Jiaqi Yu,Shuixin Xia,Wenrong Li,Bing Zhao,Jiujun Zhang
出处
期刊:Journal of Colloid and Interface Science [Elsevier BV]
卷期号:672: 287-298 被引量:9
标识
DOI:10.1016/j.jcis.2024.05.161
摘要

Compared with lithium-ion batteries (LIBs), lithium-sulfur batteries (LSBs), based on electrochemical reactions involving multi-step 16-electron transformations provide higher specific capacity (1672 mAh g−1) and specific energy (2600 Wh kg−1), exhibiting great potential in the field of energy storage. However, the inherent insulation of sulfur, slow electrochemical reaction kinetics and detrimental shuttle-effect of lithium polysulfides (LiPSs) restrict the development of LSBs in practical applications. Herein, the iodine-doped carbon nanotubes (I-CNTs) is firstly reported as sulfur host material to the enhance the adsorption-conversion kinetics of LSBs. Iodine doping can significantly improve the polarity of I-CNTs. Iodine atoms with lone pair electrons (Lewis base) in iodine-doped CNTs can interact with lithium cations (Lewis acidic) in LiPSs, thereby anchoring polysulfides and suppressing subsequent shuttling behavior. Moreover, the charge transfer between iodine species (electron acceptor) and CNTs (electron donor) decreases the gap band and subsequently improves the conductivity of I-CNTs. The enhanced adsorption effect and conductivity are beneficial for accelerating reaction kinetics and enhancing electrocatalytic activity. The in-situ Raman spectroscopy, quasi in-situ electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and Li2S potentiostatic deposition current–time (i-t) curves were conducted to verify mechanism of complex sulfur reduction reaction (SRR). Owing to above advantages, the I-CNTs@S composite cathode exhibits an ultrahigh initial capacity of 1326 mAh g−1 as well as outstanding cyclicability and rate performance. Our research results provide inspirations for the design of multifunctional host material for sulfur/carbon composite cathodes in LSBs.
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