Breaking the rate limiting barrier in lithium||sulfur batteries via spin state engineering

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作者
Qingbin Jiang,Huifang Xu,Xinyu Ye,Lingwen Liu,Kwan San Hui,Chao Wu,Kang Gao,Kaitong Sun,Haifeng Li,Yunshan Zheng,Cheng-zong Yuan,Zhongliang Li,Mingdeng Wei,Chenyang Zha,Jie Zeng,Mingkai Liu,Yuanmiao Sun,Hui-Ming Cheng,Kwun Nam Hui
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:17 (1)
标识
DOI:10.1038/s41467-026-70974-3
摘要

Elucidating the mechanisms governing sulfur redox reactions is important for the development of high-energy-density Li||S batteries. Despite progress, the kinetics of the solid-solid conversion from Li2S2 to Li2S remain poorly understood. This work demonstrates that spin-state transitions within reaction intermediates are the key factor of the sluggish kinetics. Guided by density functional theory and machine-learning-assisted catalyst screening, we find a negative correlation between the spin moment of the catalyst and the Gibbs free energy barrier for the Li2S2 to Li2S conversion. Among a series of dual-metal doped catalysts, a Co,Ni-doped MoS2 catalyst, with its high spin moment, modulates the spin states of the reactants, reducing the high free-energy barrier associated with spin-state transitions. Therefore, Li||S batteries incorporating this catalyst show accelerated sulfur conversion, particularly during solid-solid transitions, suppressed polysulfide shuttling, and have stable electrochemical performance. A pouch cell achieves a capacity of 13.2 Ah and a specific energy of 435 Wh kg-1. These findings show mechanistic understanding into the role of spin moments in sulfur conversion, enabling to design efficient and durable catalysts for Li||S batteries. Lithium||sulfur batteries are limited by sluggish solid-state sulfur conversion. Here, authors investigate spin-state transitions as a key kinetic barrier and design a spin-regulated catalyst that accelerates sulfur conversion, suppresses polysulfide shuttling, and enables high-capacity pouch cells.
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