Manipulating the Electronic Structure of Nickel via Alloying with Iron: Toward High-Kinetics Sulfur Cathode for Na–S Batteries

法拉第效率 多硫化物 材料科学 阴极 化学工程 催化作用 动力学 硫黄 纳米技术 电解质 化学 冶金 电极 物理化学 工程类 物理 量子力学 生物化学
作者
Lifeng Wang,Haiyun Wang,Shipeng Zhang,Naiqing Ren,Ying Wu,Liang Wu,Xuefeng Zhou,Yu Yao,Xiaojun Wu,Yan Yu
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:15 (9): 15218-15228 被引量:99
标识
DOI:10.1021/acsnano.1c05778
摘要

The sluggish conversion kinetics and severe shuttle effect in room-temperature Na–S (RT Na–S) batteries cause knotty issues, such as poor rate performance, fast capacity decay as well as low Coulombic efficiency, which seriously impede their practical application. Therefore, exploiting cost-effective and efficient electrocatalysts for absorbing soluble long-chain sodium polysulfides (NaPSs) and expediting NaPSs conversion is of paramount importance. Herein, catalyst mining is first conducted by density functional theory calculations, which reveal that the alloying of Fe into Ni can tailor the electronic structure, leading to lower reaction energy barrier for polysulfide conversion. Based on this, FeNi3@hollow porous carbon spheres (FeNi3@HC) as a promising sulfur host for RT Na–S batteries are rationally designed and fabricated. As expected, the S@FeNi3@HC cathode exhibits an excellent cycling stability (591 mAh g–1 after 500 cycles at 2 A g–1) and outstanding rate performance (383 mAh g–1 at 5 A g–1). Our work demonstrates an effective strategy (i.e., alloying strategy with a rich electron state) to design superior electrocatalysts for RT Na–S batteries.
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