Engineering single-atom catalysts as multifunctional polysulfide and lithium regulators toward kinetically accelerated and durable lithium-sulfur batteries

多硫化物 催化作用 电催化剂 硫黄 化学 氧化还原 电化学动力学 材料科学 纳米技术 有机化学 化学工程 无机化学 物理化学 工程类 电化学 电极 电解质 冶金
作者
Donghua Wang,Kaikai Ma,Jiamao Hao,Wenyuan Zhang,Haofeng Shi,Chengdeng Wang,Zhihao Xiong,Zhiming Bai,Fu‐Rong Chen,Junjie Guo,Bingshe Xu,Xiaoqin Yan,Yousong Gu
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:466: 143182-143182 被引量:33
标识
DOI:10.1016/j.cej.2023.143182
摘要

Developing electrocatalyst to ameliorate the shuttling effect of lithium polysulfides (LiPSs), sluggish sulfur redox reaction kinetics and the rampant dendrite growth is of paramount importance for lithium-sulfur (Li-S) batteries. Yet still, the utilization of the most mainstream traditional metal electrocatalytic nanoparticles is far below expectation. Herein, we engineer an exclusive single-atom catalyst with planar Co-N4 coupling of nitrogen-doped graphene mesh (SA-Co/NGM) to achieve exceptional atom utilization efficiency for catalytic conversion of LiPSs. High surface area and ultra-thin two-dimensional texture can not only accommodate high concentration monodispersed lithiophilic atomic Co sites, but also guarantee homogenize high-flux Li ion transport, alleviating the formation of Li-dendrites. Critically, the maximized exposure of Co-N4 as a regulator in sulfur electrochemistry can conspicuously suppress the shuttle effect and accelerate bidirectional sulfur redox kinetics via electron delocalization, as demonstrated by a judicious combination of electro-kinetic analysis, in situ spectroscopy and density functional theory (DFT) computations. As expected, the batteries based on a SA-Co/NGM modified separator achieve an ultrahigh rate capability, exceptionally long cycle life and a distinguished favorable areal capacity under high sulfur loading. This work provides a rational design of single-atom catalysts for kinetics-boosted electrocatalysis towards long-lasting Li-S batteries.
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