Conductive metal–metal phase and built-in electric field of 1T-VSe2-MXene hetero-structure to accelerate dual-directional sulfur conversion for high-performance Li-S batteries

催化作用 硫黄 电化学 离解(化学) 金属 氧化还原 成核 材料科学 阴极 化学工程 吸附 电子转移 相(物质) 化学 电极 无机化学 光化学 物理化学 有机化学 工程类
作者
Wei Wang,Xinying Wang,Li Chen,Dongzhen Lu,Weiliang Zhou,Yunyong Li
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:461: 142100-142100 被引量:13
标识
DOI:10.1016/j.cej.2023.142100
摘要

The shuttle effect and tardy redox kinetics of lithium-polysulfides (LiPSs) seriously restrict the electrochemical performance of lithium-sulfur batteries (LSBs). Here, 1T-VSe2-MXene hetero-structure catalysts with conductive metal–metal phase and built-in electric field (BIEF) as sulfur hosts are developed to accelerate the catalytic conversion of sulfur species. Theoretical and experimental analysis verify that because the difference of energy-level structure between conductive MXene and 1T-VSe2 drives the electron flow through the hetero-interface to construct the interfacial BIEF of metal–metal phase. In the effect of interfacial BIEF, more electrons are accumulated on Se surface sites, so enhancing Li-Se bonding for strong adsorption with LiPSs/Li2S. Meanwhile, the strengthened Li-Se bonding weakens the competing Li-S bonds in LiPSs/Li2S captured on the heterostructure, thus accelerating the dissociation of Li-S bonds yet reducing Li2S nucleation/decomposition energy barrier. Furthermore, abundant Li+ are quickly propelled at the BIEF of the hetero-interface with metal–metal phase, thereby offering a rapid Li+ transfer and boosting the redox kinetics of sulfur species. As expected, the S/1T-VSe2-MXene cathode displays a high reversible capacity of 1321 mAh g−1 at 0.1C, a superb long cyclic stability with a capacity decay of 0.058% per cycle for over 550 cycles at 0.5C, and a high initials areal capacity of 6.42 mAh cm−2 (sulfur loading: 6.9 mg cm−2) at 0.2C. This work reveals its absorption and catalytic conversion mechanism and offers an effective way to design conductively dual-directional Li-S catalysts for high-performance LSBs.
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