Engineering the Conductive Network of Metal Oxide‐Based Sulfur Cathode toward Efficient and Longevous Lithium–Sulfur Batteries

材料科学 硫黄 阴极 氧化物 化学工程 多硫化物 催化作用 纳米技术 电解质 电极 化学 有机化学 工程类 物理化学 冶金
作者
Jiayi Wang,Gaoran Li,Dan Luo,Yongguang Zhang,Yan Zhao,Guofu Zhou,Lingling Shui,Xin Wang,Zhongwei Chen
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:10 (41) 被引量:152
标识
DOI:10.1002/aenm.202002076
摘要

Abstract The rational design of sulfur cathode structure to suppress shuttling behaviors and expedite the conversion kinetics of polysulfides plays an essential role for the practical implementation of lithium–sulfur (Li–S) batteries. In this work, a unique consecutive and oxygen‐deficient niobium oxide (Nb 2 O 5− x ) framework featured with 3D ordered macroporous (3DOM) architecture and carbon nanotubes (CNTs) embedding is developed, which serves as a high‐performance sulfur immobilizer and catalytic promoter for polysulfide conversion. The 3DOM architecture affords a robust porous and open framework that favors electrolyte infiltration for fast ion/mass transfer, as well as interface exposure for massive host–guest interactions. More importantly, CNTs are designed as “antennae” embedded within the Nb 2 O 5− x skeleton, which not only contributes to a highly conductive framework but also intensifies the oxygen deficiency with enhanced sulfur immobilization and reaction catalyzation. Benefiting from these advanced features, Li–S cells based on S‐Nb 2 O 5− x /CNTs cathode achieve excellent cyclability with a high capacity retention of 847 mAh g −1 after 500 cycles and remarkable rate capability with 741 mAh g −1 at 5 C. Moreover, a high areal capacity of 6.07 mAh cm −2 can also be achieved under a high sulfur loading of 6 mg cm −2 , illustrating great potential in the development of practical Li–S batteries.
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