Three-Dimensional Nitrogen-Doped Carbonaceous Networks Anchored with Cobalt as Separator Modification Layers for Low-Polarization and Long-Lifespan Aluminum–Sulfur Batteries

分离器(采油) 材料科学 极化(电化学) 化学工程 氮气 硫黄 兴奋剂 纳米技术 光电子学 复合材料 化学 冶金 有机化学 物理化学 工程类 物理 热力学
作者
Cheng Xu,Maider Zarrabeitia,Yueliang Li,Johannes Biskupek,Ute Kaiser,Xu Liu,Stefano Passerini
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:17 (24): 25234-25242 被引量:18
标识
DOI:10.1021/acsnano.3c08476
摘要

Aluminum-sulfur (Al-S) batteries have attracted extensive interest due to their high theoretical energy density, inherent safety, and low cost. However, severe polarization and poor cycling performance significantly limit the development of Al-S batteries. Herein, three-dimensional (3D) nitrogen-doped carbonaceous networks anchored with cobalt (Co@CMel-ZIF) is proposed as a separator modification layer to mitigate these issues, prepared via carbonizations of a mixture of ZIF-7, melamine, and CoCl2. It exhibits a 3D network structure with a moderate surface area and high average pore diameter, which is demonstrated to be effective in adsorbing the aluminum polysulfides and hindering the mobility of polysulfides across the separator for enhanced cyclic stability of Al-S batteries. Meanwhile, Co@CMel-ZIF are characterized by abundant catalytic pyridinic-N and Co-Nx active sites that effectively eliminate the barrier of sulfides' conversion and thereby facilitate the polarization reduction. As a result, Al-S cells based on the separator modified with Co@CMel-ZIF exhibit a low voltage polarization of 0.47 V under the current density of 50 mA g-1 at 20 °C and a high discharge specific capacity of 503 mAh g-1 after 150 cycles. In contrast, the cell employing a bare separator exhibits a polarization of 1.01 V and a discharge capacity of 300 mAh g-1 after 70 cycles under the same conditions. This work demonstrates that modifying the separators is a promising strategy to mitigate the high polarization and poor cyclability of Al-S batteries.
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