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

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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]
卷期号:147 (6): 4752-4765 被引量:31
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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