Utilizing the Built‐in Electric Field of p–n Junctions to Spatially Propel the Stepwise Polysulfide Conversion in Lithium–Sulfur Batteries

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作者
Hongtai Li,Chi Chen,Yingying Yan,Tianran Yan,Chen Cheng,Dan Sun,Liang Zhang
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:33 (51): e2105067-e2105067 被引量:247
标识
DOI:10.1002/adma.202105067
摘要

Integrating sulfur cathodes with effective catalysts to accelerate polysulfide conversion is a suitable way for overcoming the serious shuttling and sluggish conversion of polysulfides in lithium-sulfur batteries. However, because of the sharp differences in the redox reaction kinetics and complicated phase transformation of sulfur, a single-component catalyst cannot consistently accelerate the entire redox process. Herein, hierarchical and defect-rich Co3 O4 /TiO2 p-n junctions (p-Co3 O4 /n-TiO2 -HPs) are fabricated to implement the sequential catalysis of S8(solid) → Li2 S4(liquid) → Li2 S(solid) . Co3 O4 sheets physiochemically immobilize the pristine sulfur and ensure the rapid reduction of S8 to Li2 S4 , while TiO2 dots realize the effective precipitation of Li2 S, bridged by the directional migration of polysulfides from p-type Co3 O4 to n-type TiO2 attributed to the interfacial built-in electric field. As a result, the sulfur cathode coupled with p-Co3 O4 /n-TiO2 -HPs delivers long-term cycling stability with a low capacity decay of 0.07% per cycle after 500 cycles at 10 C. This study demonstrates the synergistic effect of the built-in electric field and heterostructures in spatially enhancing the stepwise conversion of polysulfides, which provides novel insights into the interfacial architecture for rationally regulating the polysulfide redox reactions.
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