Design of Novel Transition-Metal-Doped C6N2 with High-Efficiency Polysulfide Anchoring and Catalytic Performances toward Application in Lithium–Sulfur Batteries

多硫化物 材料科学 硫黄 催化作用 锂(药物) 化学工程 单层 过渡金属 无机化学 纳米技术 电解质 电极 化学 物理化学 有机化学 医学 工程类 冶金 内分泌学
作者
Cheng He,Yujun Liang,Wenxue Zhang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:14 (25): 29120-29130 被引量:57
标识
DOI:10.1021/acsami.2c07285
摘要

Lithium-sulfur (Li-S) batteries are highly expected because of their high theoretical specific capacity and energy density. However, its application still faces challenges, including the shuttle effect affecting the sulfur reduction reaction, the high decomposition energy barrier of Li2S during charging, the volume change of sulfur, and the poor conductivity during charging and discharging. Here, combined with density functional theory and particle swarm optimization algorithm for the nitrogen carbide monolayer structural search (CmN8-m, m = 1-8), the surprising discovery is that a single metal-atom-doped C6N2 monolayer could effectively accelerate the conversion of lithium polysulfide and anchor lithium polysulfide during discharging and decrease the decomposition energy barrier of Li2S during charging. This "anchoring and catalyzing" mechanism effectively reduces the shuttle effect and greatly improves the reaction kinetics. Among a series of metal atoms, Cr is the best doping element, and it exhibits suitable adsorption energy for polysulfides and the lowest decomposition energy barrier for Li2S. This work opens up a new way for the development of transition-metal-doped carbon-nitrogen materials with an excellent catalytic activity for lithium polysulfide as cathode materials for Li-S batteries.
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