Tailored ZnO-ZnS heterostructure enables a rational balancing of strong adsorption and high catalytic activity of polysulfides for Li-S batteries

异质结 材料科学 催化作用 吸附 石墨烯 化学工程 氧化物 多硫化物 硫黄 无机化学 纳米技术 电极 电解质 化学 光电子学 冶金 工程类 物理化学 有机化学
作者
Wanyu Zhang,Donghui Hong,Zhe Su,Shan Yi,Liying Tian,Bo Niu,Yayun Zhang,Donghui Long
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier BV]
卷期号:53: 404-414 被引量:105
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2022.09.018
摘要

Electrocatalytic conversion of polysulfides is an effective strategy to alleviate shuttle effects for Li-S batteries, but achieving the synergistic effects between strong adsorption and high catalytic activity with a single catalyst is still challenging. Herein, we report the rational balancing of strong adsorption and high catalytic activity on the tailored ZnO-ZnS/reduced graphene oxide (rGO) heterostructure to achieve significantly enhanced conversion of polysulfides. By integrating the merits of adsorptive ZnO, catalytic ZnS and conductive rGO, the ZnO-ZnS/rGO heterostructures could enable an unrestricted adsorption-diffusion-conversion of polysulfides. Moreover, by controlling the sulfurization degree, the ZnO-ZnS/rGO heterostructure with ZnO/ZnS ratio of 7:3 performs the optimized overall performance, indicative of a trade-off between adsorption and catalytic activity. When served as functional coatings onto the separators, the ZnO-ZnS/rGO heterostructures could greatly promote the redox kinetics and retrain the polysulfides shuttling. The pure sulfur cathode with the 7ZnO-3ZnS/rGO modified separator delivers a high initial specific capacity of 1186 mAh g−1 at 0.5 ℃ and a low capacity fading of 0.06% per cycle over 500 cycles at 1 ℃. Even with high sulfur loading of 7.6 mg cm−2, a high reversible specific capacity of 671 mAh g−1 at 1 ℃ can still be retained. This work presents a rational method to tailor the heterostructure catalysts for boosting electrocatalytic conversion of polysulfides towards high-performance Li-S batteries.
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