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Ultrathin nanosheets of FeOOH with oxygen vacancies as efficient polysulfide electrocatalyst for advanced lithium–sulfur batteries

材料科学 多硫化物 催化作用 电催化剂 化学工程 阴极 纳米片 无定形固体 硫黄 电解质 电化学 锂(药物) 纳米技术 无机化学 电极 冶金 化学 物理化学 有机化学 结晶学 内分泌学 工程类 医学
作者
Jianhao Lu,Zilong Wang,Yang Guo,Zhaoqing Jin,Gaoping Cao,Jingyi Qiu,Fang Lian,Anbang Wang,Weikun Wang
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier BV]
卷期号:47: 561-568 被引量:45
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2022.02.008
摘要

Developing high effectively affinitive to lithium polysulfides (LiPSs) conversion, permanent electrochemical stability, and cost-effective electrocatalyst for sulfur reduction reaction (SRR) in a high‐sulfur‐loading and lean-electrolyte condition is highly desired for the application of lithium–sulfur batteries (LSBs). Here, an amorphous FeOOH (A-FeOOH) with nanosheet architecture is obtained by a mild oxidation transformation process at room temperature, which is constructed as a practical catalyst to facilitate the conversion of LiPSs. A systematic structure analysises and calculation simulations reveal that the enhanced surface electron transfer dynamics of the as-formed A-FeOOH is modulated by a loss of oxygen coordination, and retention ligand oxygens are also found to be activated as co-catalysts to boost SRR process. Unsaturated Fe-O bondings tuning of catalysts via shifting of d band centers, leading to an elevated interaction between Fe 3d orbitals and S 2p orbitals, which much more effectively accelerate the breaking of S-S bonds in LiPSs. Meanwhile, enhanced electrical conductivity originated from oxygen vacancies accelerates electron repopulation, thereby promoting the smooth conversion reaction of sulfur. Additionally, A-FeOOH acts as non-carbon-based catalysts, which alleviates short circuits while reducing non-catalytic domains. The amorphous nanosheets are also uniformly and spontaneously coating on the surface of cathodes, inhibiting the shuttle effect and buffering volumetric expansion. A-FeOOH based Li-S cathode (A-FeOOH@SCM) exhibits a reversible capacity of 723 mAh . g −1 over 250 cycles at 1C and delivers a high energy density of 363 wh . kg −1 at 0.2C on multilayer-pouch cell level under lean electrolyte of 3.2 g . g −1 Sulfur and high loading of 9.36 mg . cm −2 .
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