Phosphorous‐Based Heterostructure for the Effective Catalysis of Polysulfide Reactions with Phase Changes in High‐Sulfur‐Loading Lithium–Sulfur Batteries

多硫化物 硫黄 锂硫电池 异质结 化学 电化学 无机化学 材料科学 催化作用 化学工程 电解质 电极 物理化学 冶金 有机化学 光电子学 工程类
作者
Yun Zhao,Huanyu Zhang,Hualin Ye,Dan Zhao,Jim Yang Lee,Limin Huang
出处
期刊:Small methods [Wiley]
标识
DOI:10.1002/smtd.202300610
摘要

High sulfur loading and long cycle life are the design targets of commercializable lithium-sulfur (Li-S) batteries. The sulfur electrochemical reactions from Li2 S4 to Li2 S, which account for 75% of the battery's theoretical capacity, involve liquid-to-solid and solid-to-solid phase changes in all Li-S battery electrolytes in use today. These are kinetically hindered processes that are exacerbated by a high sulfur loading. In this study, it is observed that an in situ grown bimetallic phosphide/black phosphorus (NiCoP/BP) heterostructure can effectively catalyze the Li2 S4 to Li2 S reactions to increase the sulfur utilization at high sulfur loadings. The NiCoP/BP heterostructure is a good polysulfide adsorber, and the electric field prevailing at the Mott-Schottky junction of the heterostructure can facilitate charge transfer in the Li2 S4 to Li2 S2 liquid-to-solid reaction and Li+ diffusion in the Li2 S2 to Li2 S solid-state reaction. Consequently, a sulfur cathode with the NiCoP/BP catalyst can deliver a specific capacity of 830 mAh g-1 at the sulfur loading of 6 mg cm-2 for 500 cycles at the 0.5 C rate. High sulfur utilization is also possible at a higher sulfur loading of 8 mg cm-2 for 440 cycles at the 1 C rate.
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