Hierarchical Confinement and Oxygen‐Vacancy Catalysis for Highly Reversible Room‐Temperature Sodium‐Sulfur Batteries

材料科学 阴极 纳米技术 多硫化物 催化作用 储能 纳米颗粒 电化学 碳纤维 氧化还原 硫黄 化学工程 电极 多孔性 析氧 动力学 导电体 纳米线 纳米结构 合理设计 工作(物理) 设计要素和原则
作者
Wei He,Huiling Fang,Zijing Huo,Jiaqi Yu,Puwu Liang,Mujtaba Aminu Muhammad,Ahmed Abdel‐Aziz,Xiang Ming Hu,Suqin Ci,Zhenhai Wen
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:: e75129-e75129
标识
DOI:10.1002/adma.75129
摘要

ABSTRACT Room‐temperature sodium‐sulfur (RT Na‐S) batteries are attractive for grid‐scale energy storage owing to their high theoretical energy density and elemental abundance, yet their practical application remains severely challenged by sluggish sulfur redox kinetics and the shuttle of sodium polysulfides. Herein, we establish a molten‐salt‐assisted strategy to construct a multifunctional cathode host (PNCNs@CeO 2‐x ), where oxygen‐deficient CeO 2‐x nanoparticles are confined within a hierarchically porous carbon framework and encapsulated by graphene‐like carbon nanosheets. This deliberately orchestrated architecture unifies spatial confinement and oxygen‐vacancy‐enabled catalysis to form conductive microreaction domains featuring continuous ion/electron transport pathways and abundant active interfaces. Through in situ characterizations and machine‐learning‐assisted molecular dynamics simulations, we demonstrate that oxygen vacancies in CeO 2‐x induce favorable charge redistribution, strengthen Na 2 S x adsorption, lower the energy barrier for Na 2 S 2 /Na 2 S conversion, and promote a highly reversible solid–liquid–solid conversion process, thereby effectively suppressing polysulfide dissolution. Consequently, the PNCNs@CeO 2‐x ‐S cathode exhibits an impressive reversible capacity of 1167 mAh g −1 at 0.1 A g −1 and outstanding cycling stability, maintaining 86.2% capacity retention after 9000 cycles at 5 A g −1 . This work establishes a confinement‐catalysis design paradigm for regulating sulfur electrochemistry for long‐life RT Na‐S batteries.
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