Ordered macroporous V-doped ZnO framework impregnated with microporous carbon nanocages as multifunctional sulfur reservoir in lithium-sulfur batteries

纳米笼 微型多孔材料 硫黄 化学工程 材料科学 阴极 电化学 碳纤维 无机化学 催化作用 纳米技术 化学 电极 复合数 复合材料 有机化学 冶金 物理化学 工程类
作者
Ximeng Zhao,Yani Guan,Xiaohang Du,Guihua Liu,Jingde Li,Gaoran Li
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:431: 134242-134242 被引量:30
标识
DOI:10.1016/j.cej.2021.134242
摘要

Lithium-sulfur (Li-S) batteries are considered as a promising energy storage device. However, their practical application is still hindered by the unsatisfactory cyclability and slow reaction kinetics. Here, we propose a conductive oxide-based macro-microporous framework, where ZIF-8-derived N-doped carbon (NC) nanocages are embedded within the three-dimensionally ordered macroporous (3DOM) V-doped ZnO matrix, as a high-performance sulfur host for Li-S batteries. The unique framework provides large surface area and high porosity for sulfur accommodation, while the V-doped ZnO skeleton enables a highly conducive substrate for electrochemical reactions. More importantly, such hybrid structure imposes strong fixation and effective catalysis of polysulfides, rendering reversible and rapid sulfur redox reactions. Due to these synergistic effects, the 3DOM [email protected]/S cathode exhibits an excellent cycling stability with a low capacity fading rate of 0.043 % per cycle during 500 cycles at 1C and a good rate capability of 767.6 mAh g−1 at 3C. Moreover, a high initial areal capacity of 4.4 mAh cm−2 was also achieved under a high sulfur loading of 5.8 mg cm−2 with a low E/S ratio of 4.4 μL mg−1 in coin cells, as well as decent flexibility and stable cycling in Li-S pouch cell configuration.
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