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Rational Design of a Ni3N0.85 Electrocatalyst to Accelerate Polysulfide Conversion in Lithium–Sulfur Batteries

多硫化物 催化作用 材料科学 合理设计 硫黄 化学工程 电化学 纳米技术 锂(药物) 法拉第效率 电解质 化学 电极 物理化学 有机化学 冶金 医学 工程类 内分泌学
作者
Zihan Shen,Zili Zhang,Matthew Li,Yifei Yuan,Yue Zhao,Shuo Zhang,Chenglin Zhong,Jia Zhu,Jun Lü,Huigang Zhang
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:14 (6): 6673-6682 被引量:299
标识
DOI:10.1021/acsnano.9b09371
摘要

Slow kinetics of polysulfide conversion reactions lead to severe issues for lithium-sulfur (Li-S) batteries, for example, low rate capability, polysulfide migration, and low Coulombic efficiencies. These challenges hinder the practical applications of Li-S batteries. In this study, we proposed a rational strategy of tuning the d-band of catalysts to accelerate the conversion of polysulfides. Nitrogen vacancies were engineered in hexagonal Ni3N (space group P6322) to tune its d-band center, leading to the strong interaction between polysulfides and Ni3N. Because of the greater electron population in the lowest occupied molecular orbital of Li2S4, the terminal S-S bonds were weakened for breaking. Temperature-dependent experiments confirm that Ni3N0.85 demonstrates a much low activation energy, thereby accelerating the conversion of polysulfides. A Li-S cell using Ni3N0.85 can deliver a high initial discharge capacity of 1445.9 mAh g-1 (at 0.02 C) and low decay per cycle (0.039%). The Ni3N0.85 cell can also demonstrate an initial capacity of 1200.4 mAh g-1 for up to 100 cycles at a high loading of 5.2 mg cm-2. The high efficiency of rationally designed Ni3N0.85 demonstrates the effectiveness of the d-band tuning strategy to develop low-activation-energy catalysts and to promote the atomic understanding of polysulfide conversion in Li-S batteries.
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