ZnS-SnS@NC Heterostructure as Robust Lithiophilicity and Sulfiphilicity Mediator toward High-Rate and Long-Life Lithium–Sulfur Batteries

材料科学 异质结 电化学 阳极 拉曼光谱 硫黄 化学工程 多硫化物 锂(药物) 光电子学 电极 化学 冶金 物理化学 电解质 医学 内分泌学 工程类 物理 光学
作者
Weiqi Yao,Weizhong Zheng,Jie Xu,Chengxiang Tian,Kun Han,Weizhen Sun,Shengxiong Xiao
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:15 (4): 7114-7130 被引量:534
标识
DOI:10.1021/acsnano.1c00270
摘要

Lithium–sulfur (Li–S) batteries are severely hindered by the low sulfur utilization and short cycling life, especially at high rates. One of the effective solutions to address these problems is to improve the sulfiphilicity of lithium polysulfides (LiPSs) and the lithiophilicity of the lithium anode. However, it is a great challenge to simultaneously optimize both aspects. Herein, by incorporating the merits of strong absorbability and high conductivity of SnS with good catalytic capability of ZnS, a ZnS-SnS heterojunction coated with a polydopamine-derived N-doped carbon shell (denoted as ZnS-SnS@NC) with uniform cubic morphology was obtained and compared with the ZnS-SnS2@NC heterostructure and its single-component counterparts (SnS@NC and SnS2@NC). Theoretical calculations, ex situ XANES, and in situ Raman spectrum were utilized to elucidate rapid anchoring-diffusion-transformation of LiPSs, inhibition of the shuttling effect, and improvement of the sulfur electrochemistry of bimetal ZnS-SnS heterostructure at the molecular level. When applied as a modification layer coated on the separator, the ZnS-SnS@NC-based cell with optimized lithiophilicity and sulfiphilicity enables desirable sulfur electrochemistry, including high reversibility of 1149 mAh g–1 for 300 cycles at 0.2 C, high rate performance of 661 mAh g–1 at 10 C, and long cycle life with a low fading rate of 0.0126% each cycle after 2000 cycles at 4 C. Furthermore, a favorable areal capacity of 8.27 mAh cm–2 is maintained under high sulfur mass loading of 10.3 mg cm–2. This work furnishes a feasible scheme to the rational design of bimetal sulfides heterostructures and boosts the development of other electrochemical applications.
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