Ultrathin Carbon-Shell-Encapsulated Cobalt Nanoparticles with Balanced Activity and Stability for Lithium–Sulfur Batteries

材料科学 催化作用 硫黄 钴 纳米颗粒 化学工程 碳纤维 锂(药物) 电解质 涂层 硫化钴 钝化 纳米技术 电极 图层(电子) 电化学 化学 有机化学 复合数 复合材料 物理化学 冶金 内分泌学 工程类 医学
作者
Xinming Zhang,Zichen Liu,Wen Liu,Junwei Han,Wei Lv
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (15): 19002-19010 被引量:20
标识
DOI:10.1021/acsami.3c01512
摘要

High-performance metal-based catalysts are pursued to improve the sluggish reaction kinetics in lithium-sulfur batteries. However, it is challenging to achieve high catalytic activity and stability simultaneously due to the inevitable passivation of the highly active metal nanoparticles by lithium polysulfides (LiPSs). Herein, we show a design with well-balanced activity and stability to solve the above problem, that is, the cobalt (Co) nanoparticles (NPs) encapsulated with ultrathin carbon shells prepared by the one-step pyrolysis of ZIF-67. With an ultrathin carbon coating (∼1 nm), the direct exposure of Co NPs to LiPSs is avoided, but it allows the fast electron transfer from the highly active Co NPs to LiPSs for their conversion to the solid products, ensuring the efficient suppression of shuttling in long cycling. As a result, the sulfur cathode with such a catalyst exhibited good cycling stability (0.073% capacity fading over 500 cycles) and high sulfur utilization (638 mAh g-1 after 180 cycles under a high sulfur mass loading of 7.37 mg cm-2 and a low electrolyte/sulfur ratio of 5 μL mg-1). This work provides insights into the rational design of a protection layer on a metal-based catalyst to engineer both high catalytic activity and stability toward high-energy and long-life Li-S batteries.
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