Covalent Sulfur Confined in Mesoporous Hollow Carbon Spheres for Effective Kinetic Regulation of Room-Temperature Sodium-Sulfur Batteries

硫黄 介孔材料 共价键 球体 动能 碳纤维 化学 化学工程 材料科学 无机化学 催化作用 有机化学 复合材料 复合数 物理 工程类 量子力学 天文
作者
Jianmin Luo,Ke Wang,Yue Qian,Peiyu Wang,Huadong Yuan,Ouwei Sheng,Baiheng Li,Huan Wang,Yao Wang,Yujing Liu,Jianwei Nai,Jianmin Luo,Weiyang Li
标识
DOI:10.2139/ssrn.4528925
摘要

Room-temperature sodium-sulfur batteries have attracted extensive attention as a cost-effective and high theoretical energy density next-generation energy storage systems. However, the insulating nature of sulfur, the sluggish reactivity of sulfur with sodium, and severe dissolution of polysulfide are the main challenges of this technology. Here, we propose a covalent sulfur bond breakage mechanism by bonding of sulfur chain onto the inner cavity of the sulfydryl-functionalized mesoporous hollow carbon spheres (MHCS) to efficiently promote the generation of short-chain sodium polysulfide and accelerate polysulfide redox kinetics. The covalent sulfur confined MHCS (S@MHCS) cathode delivers an unprecedented rate capability (250 mAh g-1 at 5 C) and exhibits excellent long-term cycling stability over 1,000 cycles at 1 C with a high cathode loading of 5 mg cm-2. Moreover, the associated electrochemical reaction mechanism is also revealed by ex-situ X-ray photoelectron spectroscopy and theoretical calculation. This work introduces a novel sulfur cathode design to enhance the performance of room-temperature sodium-sulfur batteries.
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