Design of ZnSe-CoSe heterostructure decorated in hollow N-doped carbon nanocage with generous adsorption and catalysis sites for the reversibly fast kinetics of polysulfide conversion

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作者
Junan Feng,Chuan Shi,Hanghang Dong,Chaoyue Zhang,Wendong Liu,Yu Liu,Tianyi Wang,Xiaoxian Zhao,Shuangqiang Chen,Jianjun Song
出处
期刊:Journal of Energy Chemistry [Elsevier]
卷期号:86: 135-145 被引量:59
标识
DOI:10.1016/j.jechem.2023.07.007
摘要

Although lithium-sulfur batteries (LiSBs) are regarded as one of the most promising candidates for the next-generation energy storage system, the actual industrial application is hindered by the sluggish solid–liquid phase conversion kinetics, severe shuttle effect, and low sulfur loadings. Herein, a zeolitic imidazolate framework (ZIF) derived heterogeneous ZnSe-CoSe nanoparticles encapsulated in hollow N-doped carbon nanocage (ZnSe-CoSe-HNC) was designed by etching with tannic acid as a multifunctional electrocatalyst to boost the polysulfide conversion kinetics in LiSBs. The hollow structure in ZIF ensures large inner voids for sulfur and buffering volume expansions. Abundant exposed ZnSe-CoSe heterogeneous interfaces serve as bifunctional adsorption-catalytic centers to accelerate the conversion kinetics and alleviate the shuttle effect. Together with the highly conductive framework, the ZnSe-CoSe-HNC/S cathode exhibits a high initial reversible capacity of 1305.3 mA h g−1 at 0.2 C, high-rate capability, and reliable cycling stability under high sulfur loading and lean electrolyte (maintaining at 745 mA h g−1 after 200 cycles with a high sulfur loading of 6.4 mg cm−2 and a low electrolyte/sulfur ratio of 6 μL mg−1). Theoretical calculations have demonstrated the heterostructures of ZnSe-CoSe offer higher binding energy to lithium polysulfides than that of ZnSe or CoSe, facilitating the electron transfer to lithium polysulfides. This work provides a novel heterostructure with superior catalytic ability and hollow conductive architecture, paving the way for the practical application of functional sulfur electrodes.
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