Ultrahigh-Volumetric-Energy-Density Lithium–Sulfur Batteries with Lean Electrolyte Enabled by Cobalt-Doped MoSe2/Ti3C2Tx MXene Bifunctional Catalyst

材料科学 电解质 催化作用 阴极 电导率 重量分析 硫黄 化学工程 双功能 无机化学 电极 化学 物理化学 有机化学 冶金 工程类 生物化学
作者
Wei Wang,Liyuan Huai,Shangyou Wu,Jiongwei Shan,Junlu Zhu,Zhonggang Liu,Liguo Yue,Yunyong Li
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:15 (7): 11619-11633 被引量:159
标识
DOI:10.1021/acsnano.1c02047
摘要

It is a significant challenge to design a dense high-sulfur-loaded cathode and meanwhile to acquire fast sulfur redox kinetics and suppress the heavy shuttling in the lean electrolyte, thus to acquire a high volumetric energy density without sacrificing gravimetric performance for realistic Li-S batteries (LSBs). Herein, we develop a cation-doping strategy to tailor the electronic structure and catalytic activity of MoSe2 that in situ hybridized with conductive Ti3C2Tx MXene, thus obtaining a Co-MoSe2/MXene bifunctional catalyst as a high-efficient sulfur host. Combining a smart design of the dense sulfur structure, the as-fabricated highly dense S/Co-MoSe2/MXene monolith cathode (density: 1.88 g cm-3, conductivity: 230 S m-1) achieves a high reversible specific capacity of 1454 mAh g-1 and an ultrahigh volumetric energy density of 3659 Wh L-1 at a routine electrolyte and a high areal capacity of ∼8.0 mAh cm-2 under an extremely lean electrolyte of 3.5 μL mgs-1 at 0.1 C. Experimental and DFT theoretical results uncover that introducing Co element into the MoSe2 plane can form a shorter Co-Se bond, impel the Mo 3d band to approach the Fermi level, and provide strong interactions between polysulfides and Co-MoSe2, thereby enhancing its intrinsic electronic conductivity and catalytic activity for fast redox kinetics and uniform Li2S nucleation in a dense high-sulfur-loaded cathode. This deep work provides a good strategy for constructing high-volumetric-energy-density, high-areal-capacity LSBs with lean electrolytes.
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