Multifunctional Cellulose Nanocrystals as a High-Efficient Polysulfide Stopper for Practical Li–S Batteries

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作者
Jie Liu,Yanyan Li,Yuxue Xuan,Liujiang Zhou,Dong Wang,Zhenwei Li,Haifeng Lin,Sergei Tretiak,Hui Wang,Lei Wang,Ziyang Guo,Shanqing Zhang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:12 (15): 17592-17601 被引量:26
标识
DOI:10.1021/acsami.0c00537
摘要

Because of the severe shuttle effect of polysulfides, achieving durable Li-S batteries is still a great challenge, especially under practical operation conditions including the high sulfur content, high loading, and high operation temperature. Herein, for the first time, low-cost, eco-friendly, and hydrophilic cellulose nanocrystals (CNCs) are proposed as a multifunctional polysulfide stopper for Li-S batteries with high performance. CNCs display an intrinsically high aspect ratio and a large surface area and contain a large amount of hydroxyl groups offering a facile platform for chemical interactions. Density functional theory calculations suggest that the electron-rich functional groups on CNCs deliver robust binding energies with polysulfides. In this work, CNCs not only firmly confine sulfur and polysulfides in the cathode as a robust binder, but also further hinder polysulfide shuttling to the Li anode as a polysulfide stopper on a separator. Consequently, the as-prepared Li-S batteries demonstrate outstanding cycling performance even under the conditions of high sulfur content of 90 wt % (63 wt % in the cathode), high loading of 8.5 mg cm-2, and high temperature of 60 °C. These results sufficiently demonstrate that CNCs have significant application potential in Li-S battery technologies.
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