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Enhanced Polysulfide Regulation via Porous Catalytic V2O3/V8C7 Heterostructures Derived from Metal–Organic Frameworks toward High-Performance Li–S Batteries

多硫化物 材料科学 异质结 金属有机骨架 化学工程 催化作用 金属 吸附 纳米技术 多孔性 无机化学 电极 电解质 化学 有机化学 复合材料 光电子学 物理化学 工程类 冶金
作者
Long Zhang,Yicheng Liu,Zedong Zhao,Peilu Jiang,Teng Zhang,Mengxiong Li,Shaoxue Pan,Tianyu Tang,Tianqi Wu,Peiying Liu,Yanglong Hou,Hongbin Lu
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:14 (7): 8495-8507 被引量:213
标识
DOI:10.1021/acsnano.0c02762
摘要

The development of Li-S batteries is largely impeded by the complicated shuttle effect of lithium polysulfides (LiPSs) and sluggish reaction kinetics. In addition, the low mass loading/utilization of sulfur is another key factor that makes Li-S batteries difficult to commercialize. Here, a porous catalytic V2O3/V8C7@carbon composite derived from MIL-47 (V) featuring heterostructures is reported to be an efficient polysulfide regulator in Li-S batteries, achieving a substantial increase in sulfur loading while still effectively suppressing the shuttle effect and enhancing kinetics. Systematic mechanism analyses suggest that the LiPSs strongly adsorbed on the V2O3 surface can be rapidly transferred to the V8C7 surface through the built-in interface for subsequent reversible conversion by an efficient catalytic effect, realizing enhanced regulation of LiPSs from capture to conversion. In addition, the porous structure provides sufficient sulfur storage space, enabling the heterostructures to exert full efficacy with a high sulfur loading. Thus, this S-V2O3/V8C7@carbon@graphene cathode exhibits prominent rate performance (587.6 mAh g-1 at 5 C) and a long lifespan (1000 cycles, 0.017% decay per cycle). It can still deliver superior electrochemical performance even with a sulfur loading of 8.1 mg cm-2. These heterostructures can be further applied in pouch cells and produce stable output at different folding angles (0-180°). More crucially, the cells could retain 4.3 mAh cm-2 even after 150 cycles, which is higher than that of commercial lithium-ion batteries (LIBs). This strategy for solving the shuttle effect under high sulfur loading provides a promising solution for the further development of high-performance Li-S batteries.
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