A Nanocrystallite CuS/Nitrogen‐Doped Carbon Host Improves Redox Kinetics in All‐Solid‐State Li2S Batteries

材料科学 氧化还原 动力学 碳纤维 兴奋剂 固态 氮气 纳米技术 化学工程 无机化学 光电子学 复合材料 物理化学 冶金 化学 有机化学 工程类 物理 复合数 量子力学
作者
Yue Yu,Baltej Singh,Zhuo Yu,Chun Yuen Kwok,Ivan Kochetkov,Linda F. Nazar
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:14 (27) 被引量:23
标识
DOI:10.1002/aenm.202400845
摘要

Abstract All‐solid‐state Li–S batteries are a promising energy storage system that can solve the shuttle effects of polysulfides in liquid Li–S batteries. However, sluggish solid‐state reaction kinetics and the low conductivity of cathode materials have impeded their development. Here, a N‐doped carbon embedded with CuS nanoparticles (CuSNC) is reported as a host for Li 2 S in all‐solid‐state batteries that addresses some of these issues. Electrochemical studies, supported by a combination of X‐ray diffraction (XRD), X‐ray photoelectron spectroscopy (XPS), X‐ray absorption spectroscopy (XAS), electron microscopy, and density functional theory (DFT) calculations reveal that CuSNC provides good affinity to Li 2 S. This lowers the activation barrier for the conversion of Li 2 S to sulfur on the charge, suggesting an electrocatalytic effect on the CuS surface. Li + diffusion in the cathode and the reaction kinetics are enhanced compared to N‐doped graphene. The CuSNC/Li 2 S cathode reaches an areal capacity of 1.8 mAh cm −2 and a retention rate of 94% after 100 cycles. At a 1.0 mA cm −2 current density, CuSNC/Li 2 S maintains stable performance over 500 cycles with a low decay rate (0.05% per cycle); at a higher Li 2 S loading, delivers a capacity of 9.6 mAh cm −2 , albeit with more limited cycling. This study provides a promising way to design Li 2 S cathodes to achieve improved reaction kinetics and better electrochemical performance.
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