Binary Atomic Sites Enable a Confined Bidirectional Tandem Electrocatalytic Sulfur Conversion for Low‐Temperature All‐Solid‐State Na−S Batteries

多硫化物 电催化剂 化学 双功能 电化学 催化作用 硫黄 电解质 电池(电) 阴极 化学工程 氧化还原 钝化 无机化学 电极 物理化学 有机化学 功率(物理) 物理 量子力学 图层(电子) 工程类
作者
Weiwei Zhang,Mingli Wang,Hong Zhang,Xiang Huang,Boyuan Shen,Bin Song,Lin Fu,Ke Lu
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:136 (6)
标识
DOI:10.1002/ange.202317776
摘要

Abstract The broader implementation of current all‐solid‐state Na−S batteries is still plagued by high operation temperature and inefficient sulfur utilization. And the uncontrollable sulfur speciation pathway along with the sluggish polysulfide redox kinetics further compromise the theoretical potentials of Na−S chemistry. Herein, we report a confined bidirectional tandem electrocatalysis effect to tune polysulfide electrochemistry in a novel low‐temperature (80 °C) all‐solid‐state Na−S battery that utilizes Na 3 Zr 2 Si 2 PO 12 ceramic membrane as a platform. The bifunctional hollow sulfur matrix consisting binary atomically dispersed MnN 4 and CoN 4 hotspots was fabricated using a sacrificial template process. Upon discharge, CoN 4 sites activate sulfur species and catalyze long‐chain to short‐chain polysulfides reduction, while MnN 4 centers substantially accelerate the low‐kinetic Na 2 S 4 to Na 2 S directly conversion, manipulating the uniform deposition of electroactive Na 2 S and avoiding the formation of irreversible products (e.g., Na 2 S 2 ). The intrinsic synergy of two catalytic centers benefits the Na 2 S decomposition and minimizes its activation barrier during battery recharging and then efficiently mitigate the cathodic passivation. As a result, the stable cycling of all‐solid‐state Na−S cell delivers an attractive reversible capacity of 1060 mAh g −1 with a high CE of 98.5 % and a high energy of 1008 Wh kg cathode −1 , comparable to the liquid electrolyte cells.
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