Energizing Robust Sulfur/Lithium Electrochemistry via Nanoscale-Asymmetric-Size Synergism

化学 电化学 锂(药物) 纳米尺度 硫黄 纳米技术 无机化学 化学工程 电极 有机化学 物理化学 医学 材料科学 工程类 内分泌学
作者
Youzhang Huang,Jiantao Li,Yinggan Zhang,Liang Lin,Zhefei Sun,Guiyang Gao,Baisheng Sa,Laisen Wang,Lu Ma,Sungsik Lee,Ming‐Sheng Wang,Dong‐Liang Peng,Khalil Amine,Qingshui Xie
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.4c10238
摘要

Sluggish redox kinetics and dendrite growth perplex the fulfillment of efficient electrochemistry in lithium–sulfur (Li–S) batteries. The complicated sulfur phase transformation and sulfur/lithium diversity kinetics necessitate an all-inclusive approach in catalyst design. Herein, a compatible mediator with nanoscale-asymmetric-size configuration by integrating Co single atoms and defective CoTe2–x (CoSA-CoTe2–x@NHCF) is elaborately developed for regulating sulfur/lithium electrochemistry synchronously. Substantial electrochemistry and theoretical analyses reveal that CoTe2–x exhibits higher catalytic activity in long-chain polysulfide transformation and Li2S decomposition, while monodispersed Co sites are more effective in boosting sulfur reduction kinetics to regulate Li2S deposition. Such cascade catalysis endows CoSA-CoTe2–x@NHCF with the all-around service of "trapping-conversion-recuperation" for sulfur species during the whole redox reaction. Furthermore, it is demonstrated by in situ transmission electron microscopy that initially formed electronic-conductive Co and ionic-conductive Li2Te provide sufficient lithiophilic sites to regulate homogeneous Li plating and stripping with markedly suppressed dendrite growth. Consequently, by coupling the CoSA-CoTe2–x@NHCF interlayer and Li@CoSA-CoTe2–x@NHCF anode, the constructed Li–S full batteries deliver superior cycling stability and rate performance, and the flexible pouch cell exhibits stable cycling performance at 0.3 C. The gained insights into the synergistic effect of asymmetric-size structures pave the way for the integrated catalyst design in advanced Li–S systems.
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