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Ru clusters anchored on Magnéli phase Ti4O7 nanofibers enables flexible and highly efficient Li–O2 batteries

材料科学 阴极 电化学 阳极 化学工程 电催化剂 密度泛函理论 锂(药物) 纳米纤维 电极 纳米技术 物理化学 计算化学 医学 化学 工程类 内分泌学
作者
Xuecheng Cao,Chaohui Wei,Xiang‐Jun Zheng,Kai Zeng,Xin Chen,Mark H. Rümmeli,Peter Strasser,Ruizhi Yang
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier BV]
卷期号:50: 355-364 被引量:64
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2022.05.028
摘要

Lithium–oxygen (Li–O 2 ) batteries have attracted tremendous attention due to their high specific energy density. However, their sluggish conversion kinetics and detrimental parasitic reactions would deteriorate the lifespan of batteries. Herein, a combined density functional theory (DFT) calculation and experimental approach is carried out to design an efficient cathode electrocatalyst for Li–O 2 batteries. A self-supporting film of Ru clusters anchored on Magnéli phase Ti 4 O 7 enriched with oxygen vacancy (Ru/Ti 4 O 7 ) is fabricated upon electrospinning and carbothermal reduction. In such a synergistic configuration of Ru/Ti 4 O 7 hybrid film, the strong metal-support interaction (SMSI) between Ru and Ti 4 O 7 can improve the charge transfer at the interface and enhance the adsorption energy of intermediates, accelerating the reaction kinetics of the formation/decomposition of Li 2 O 2 . Benefitting from this SMSI, the electrochemical stability of Ru/Ti 4 O 7 over cycling is also enhanced. As a result, as-prepared Ru/Ti 4 O 7 cathodes could realize excellent electrochemical performance, including high specific capacity (11000 mAh g –1 ), low discharge/charge polarization (0.36 V), long lifespan (> 100 cycles) and superior rate capability. Furthermore, a flexible Li–O 2 pouch cell, constructed with as-fabricated Ru/Ti 4 O 7 film cathode, lithium foil anode and GPE, can exert an impressive areal capacity of 5 mAh cm –2 with a low voltage gap of 0.82 V in ambient air. This work suggests that the activity of catalysts can be significantly enhanced with interfacial modification, offering an efficient approach for rational designing of electrocatalysts for use in Li–air batteries and beyond. A self-supporting film of Ru clusters anchored on magnéli phase Ti 4 O 7 enriched with oxygen vacancy (Ru/Ti 4 O 7 ) is designed and fabricated via electrospinning and carbothermal reduction. In such a synergistic configuration of Ru/Ti 4 O 7 hybrid film, the strong metal-support interaction (SMSI) between Ru and Ti 4 O 7 can improve the charge transfer at the interface and enhance the adsorption energy of intermediates, accelerating the kinetics for the reversible formation and decomposition of Li 2 O 2 .
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