Cobalt-embedded hierarchically-porous hollow carbon microspheres as multifunctional confined reactors for high-loading Li-S batteries

材料科学 多硫化物 硫黄 化学工程 电化学 多孔性 阳极 纳米颗粒 阴极 吸附 纳米技术 碳纤维 电极 复合材料 有机化学 化学 电解质 冶金 复合数 物理化学 工程类
作者
Li Su,Jinqiang Zhang,Yi Chen,Yang Wu,Jing Wang,Zhipeng Ma,Guangjie Shao,Guoxiu Wang
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier]
卷期号:85: 105981-105981 被引量:96
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2021.105981
摘要

The shuttle effect of dissolved polysulfides migrating to and depositing on anodes often leads to low round-trip efficiency and short cycle life for lithium-sulfur (Li-S) batteries. Herein, we report the rational design of cobalt-embedded nitrogen-doped hollow carbon microspheres ([email protected]) as a multifunctional sulfur host for Li-S batteries. The hollow carbon microspheres exhibit large central cavities wrapped by a hierarchically porous shell, showing a large surface area of 1954 m2 g−1. Furthermore, the carbon shells display a unique porous architecture, in which small pores are scattered on the outside and large pores are inside, thereby functioning as a selection barrier to confine polysulfides and diffuse Li+ simultaneously. Moreover, the highly dispersed cobalt nanoparticles in the porous shell activate the surrounding N-doped carbon layer, which not only promote chemical adsorption of polysulfides but also catalyze polysulfide conversion. This facilitation effect has been confirmed by Bader charge and density function theory (DFT) calculations. When applied in Li-S batteries, the sulfur-impregnated [email protected] cathode material exhibits excellent electrochemical performances, especially with a high sulfur content of 90.5 wt% and a high areal sulfur loading of 5.1 mg cm−2.
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