A bi-functional catalyst strategy to selectively regulate sulfur redox kinetics in lithium–sulfur batteries

多硫化物 材料科学 催化作用 磷化物 硫黄 电化学 纳米笼 阴极 化学工程 无机化学 电极 金属 化学 电解质 有机化学 冶金 物理化学 工程类
作者
Yanan Liu,Xiaoxiao Huang,Honglei Zhang,Guangyu Qin,Xiaoshuang Wang,Meixiu Song,Hongbo Liang,Jingzhe Hong,Yudong Huang
出处
期刊:Journal of Materials Science & Technology [Elsevier]
卷期号:173: 54-62 被引量:11
标识
DOI:10.1016/j.jmst.2023.07.024
摘要

Designing electrochemical catalysts has become a research hotspot due to their accelerating the polysulfide conversion of the sulfur cathode to inhibit the “shuttle effect” in lithium-sulfur batteries. However, it is still a great challenge to design the heterogeneous selective electrochemical catalyst for inhibiting the “shuttle effect”. Herein, nickel cobalt phosphide and cobalt phosphide as the heterogeneous catalyst active sites embedded in the nitrogen-doped hollow carbon nanocages (NiCoP@CoP/NC) are reported, used for multi-step and multi-phase sulfur electrode reaction, and it is found that metal-sulfur d-p hybridization can effectively indicate the intrinsic catalytic activity of metal site. Division of labor and cooperation of the bi-active NiCoP@CoP as heterogeneous catalysts propel the stepwise polysulfide conversion. NiCoP and CoP sites preferentially accelerate the long-chain polysulfide conversion reaction (S8⇌LiPSs) and the short-chain polysulfide conversion reactions (LiPSs⇌Li2S), respectively. Moreover, the hollow and porous N-doped carbon structure can successfully suppress the volume effect and improve the conductivity of the sulfur cathode. The unique design can obtain an effective inhibition of the shuttle effect and rapid electrode reaction. As a result, Li-S batteries demonstrate a high initial capacity of 1063 mAh g−1 and a low-capacity decay of 0.04% per cycle within 1000 cycles. Our work provides a feasible idea for the design of host materials in Li-S batteries.
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