Fe-single-atom catalyst nanocages linked by bacterial cellulose-derived carbon nanofiber aerogel for Li-S batteries

纳米笼 气凝胶 催化作用 化学工程 碳纤维 材料科学 阴极 纳米技术 化学 复合材料 有机化学 物理化学 复合数 工程类
作者
Xueyan Lin,Wenyue Li,Vy T. Nguyen,Shu Wang,Shize Yang,Lu Ma,Yonghua Du,Bin Wang,Zhaoyang Fan
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier]
卷期号:477: 146977-146977 被引量:10
标识
DOI:10.1016/j.cej.2023.146977
摘要

Li-S battery (LSB) is promising for achieving high capacity. Still, its development is hindered by the complex redox process with sluggish kinetics and particularly the resulting lithium polysulfides (LiPS) shuttle effects. Single-atom catalysts (SACs), with their maximized atom utilization, could effectively chemisorb soluble LiPSs and expedite the sulfide conversion reaction kinetics. Here we report incorporating Fe single metal atom catalyst (Fe-SAC) in the sulfur cathode design and its electrocatalytic effects. Fe-doped ZIF-8 nanocages were introduced into a cheap biomass bacteria cellulose. A pyrolysis process converted them into an aerogel structure with Fe-SAC-functionalized N-doped carbon nanocages linked by a carbon nanofiber network (FeSA-NC@CBC), which was applied as a scaffold to fabricate freestanding and binder-free sulfur cathodes. We conducted electrochemical measurements to reveal Fe-SAC functions including lowering energy barriers for S8 reduction to liquid-phase LiPSs and further to solid-phase Li2S2/Li2S and accelerating Li2S2/Li2S nucleation and deposition, as corroborated by our theoretical calculation results. Benefiting from the synergistic effects of highly active Fe-SAC and three-dimensional conductive network, the sulfide reaction kinetics is improved, which can diminish LiPS shuttle effects and therefore improve LBS rate performance and cycling stability. Accordingly, the fabricated FeSA-NC@CBC composite cathode delivers an excellent rate capability at 2C with a reversible capacity of 840 mAh/g and a long-term cyclic stability of 800 mAh/g at 1C after 500 cycles.
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