Understanding the Electron State Effect of Iron Single‐Atom for Enhancing Solid–Solid Conversion Kinetics of Sulfur Cathodes

材料科学 固态 阴极 动力学 硫黄 Atom(片上系统) 电子 固溶体 化学物理 化学工程 纳米技术 原子物理学 物理化学 冶金 化学 物理 量子力学 计算机科学 工程类 嵌入式系统
作者
Guiqiang Cao,Xifei Li,Mengyang Li,Xuan Yang,Ruixian Duan,Ming Li,Qinting Jiang,Jun Li,Jingjing Wang,Mengxin Bai,Huijuan Yang,Yukun Xi,Wenbin Li,Huaming Qian,Yangyang Luo,Jiujun Zhang
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/adfm.202504228
摘要

Abstract Optimizing the solid–solid conversion kinetics has been challenging in lithium–sulfur batteries (LSBs). In this study, a nitrogen and boron dual‐coordinated Fe single‐atom catalyst (Fe‐N 2 B 2 /C) was exploited by inducing boron atoms into the coordination shell to disrupt the nitrogen‐only coordinated configuration (Fe‐N 4 /C). The intervention of boron reduced the oxidation state of Fe atoms, which increased electron density of the Fe 3 d orbital and narrowed band gap between the conduction and valence bands. Furthermore, the elevated d ‐band center of Fe in Fe‐N 2 B 2 /C raised the antibonding orbital energy, providing sites for charge transfer and polysulfide adsorption. These electronic modulations endowed Fe‐N 2 B 2 /C with prominent anchoring capacity and catalytic activity. Consequently, in the ether‐based electrolyte, the S@Fe‐N 2 B 2 /C sulfur cathode delivered an initial capacity of 786 mAh g −1 at 4.0 C, maintaining an impressive capacity retention of 82.7% after 200 cycles and exhibiting a sluggish capacity decay of 0.08% after 500 cycles. Simultaneously, in the all‐solid‐state system based on halide electrolytes (HEs), the S@Fe‐N 2 B 2 /C cathode achieved a remarkable discharge capacity (1066 mAh g −1 , 0.1 C), high average Coulombic efficiency (>99%) and excellent cyclic stability (0.068%, 0.2 C). This study uncovers the origin of outstanding activity of Fe single‐atom catalyst and provides a promising strategy for HEs‐based all‐solid‐state system.
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