Expediting Stepwise Sulfur Conversion via Spontaneous Built‐In Electric Field and Binary Sulfiphilic Effect of Conductive NbB2‐MXene Heterostructure in Lithium–Sulfur Batteries

多硫化物 材料科学 硫黄 异质结 化学工程 电解质 纳米技术 光电子学 化学 冶金 物理化学 电极 工程类
作者
Dongzhen Lu,Xinying Wang,Yanjie Hu,Liguo Yue,Zhuhang Shao,Weiliang Zhou,Li Chen,Wei Wang,Yunyong Li
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:33 (15) 被引量:128
标识
DOI:10.1002/adfm.202212689
摘要

Abstract Fabricating metal boride heterostructures and deciphering their interface interaction mechanism on accelerating polysulfide conversion at atomic levels are meaningful yet challenging in lithium–sulfur batteries (LSBs). Herein, novel highly‐conductive and binary sulfiphilic NbB 2 ‐MXene heterostructures are elaborately designed with spontaneous built‐in electric field (BIEF) via a simple one‐step borothermal reduction strategy. Experimental and theoretical results reveal that Nb and B atoms can chemically bond with polysulfides, thereby enriching chemical anchor and catalytic active sites. Meanwhile, the spontaneous BIEF induces interfacial charge redistribution to make more electrons transferred to surface NbB 2 sites, thereby weakening its strong adsorption property yet accelerating polysulfide transfer and electron diffusion on hetero‐interface, so providing moderate polysulfide adsorb‐ability yet decreasing sulfur‐species conversion energy barriers, further boosting the intrinsically catalytic activity of NbB 2 ‐MXene for accelerated bidirectional sulfur conversion. Thus, S/NbB 2 ‐MXene cathode presents high initial capacity of 1310.1 mAh g −1 at 0.1 C, stable long‐term lifespan with 500 cycles (0.076% capacity decay per cycle) at 1 C, and large areal capacity of 6.5 mAh cm −2 (sulfur loading: 7.0 mg cm −2 in lean electrolyte of 5 µL mg s −1 ) at 0.1 C. This work clearly unveils the mechanism of interfacial BIEF and binary sulfiphilic effect on accelerating stepwise sulfur conversion at atomic levels.
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