Redox Catalytic and Quasi-Solid Sulfur Conversion for High-Capacity Lean Lithium Sulfur Batteries

硫黄 氧化还原 催化作用 锂硫电池 材料科学 无机化学 锂(药物) 化学工程 化学 电化学 电极 冶金 有机化学 物理化学 工程类 医学 内分泌学
作者
Ke Lu,Yuzi Liu,Junzheng Chen,Zhengcheng Zhang,Yingwen Cheng
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:13 (12): 14540-14548 被引量:54
标识
DOI:10.1021/acsnano.9b08516
摘要

The practical deployment of lithium sulfur batteries demands stable cycling of high loading and dense sulfur cathodes under lean electrolyte conditions, which is very difficult to realize. We describe here a strategy of fabricating extremely dense sulfur cathodes, designed by integrating Mo6S8 nanoparticles as a multifunctional mediator with a Li-ion conducting binder and a high-performance Fe3O4@N-carbon sulfur host. The Mo6S8 nanoparticles have substantially faster Li-ion insertion kinetics compared with sulfur, and the produced LixMo6S8 particles have spontaneous redox reactivity with relevant polysulfide species (such as Li4Mo6S8 + Li2S4 ↔ Li3Mo6S8 + Li2S, ΔG = −84 kJ mol–1), which deliver a true redox catalytic sulfur conversion mechanism. In addition, LixMo6S8 particles strongly absorb polysulfide during battery cycling, which provides a quasi-solid sulfur conversion pathway and almost eliminated polysulfide dissolution. Such a pathway not only promotes growth of uniform Li2S that can be readily charged back with nearly no overpotential, but also mitigates the polysulfide-induced Li metal corrosion issue. The combination of these benefits enables stable and high capacity cycling of dense sulfur cathodes under a low electrolyte to sulfur ratio (4.2 μL mg–1), as demonstrated with cathodes with volumetric capacities of at least 1.3 Ah cm–3 and capacity retentions of ∼80% for 300 cycles. Furthermore, stable cycling of batteries under a practically relevant N/P ratio of 2.4 is also demonstrated.
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