Implanting Single Zn Atoms Coupled with Metallic Co Nanoparticles into Porous Carbon Nanosheets Grafted with Carbon Nanotubes for High‐Performance Lithium‐Sulfur Batteries

材料科学 硫黄 碳纳米管 阴极 阳极 催化作用 锂(药物) 化学工程 纳米颗粒 氧化还原 碳纤维 纳米技术 电化学 无机化学 复合数 电极 复合材料 有机化学 化学 医学 物理化学 内分泌学 工程类 冶金
作者
Ruirui Wang,Renbing Wu,Xiaoxiao Yan,Da Liu,Peifang Guo,Wei Li,Hongge Pan
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:32 (20) 被引量:218
标识
DOI:10.1002/adfm.202200424
摘要

Abstract The electrochemical performance of lithium‐sulfur (Li‐S) batteries is severely hindered by the sluggish sulfur redox kinetics and the shuttle effect of lithium polysulfides (LiPSs). Herein, an integrated composite catalyst consisting of Co nanoparticles and single‐atom (SA) Zn co‐implanted in nitrogen‐doped porous carbon nanosheets grafted with carbon nanotubes (Co/SA‐Zn@N‐C/CNTs) is rationally developed toward this challenge. Experimental and theoretical investigations indicate that the synergistically dual active sites of Co and atomic Zn‐N 4 moieties with an optimal charge redistribution not only strongly confine the LiPSs but also effectively catalyze its conversion reactions by lowering the energy barrier from Li 2 S 2 to Li 2 S while the N‐doped porous carbon‐grafted CNTs enables a large surface area for more active site exposure and provides a fast electron/ion pathway. Benefiting from synergies, Li‐S batteries equipped with the Co/SA‐Zn@N‐C/CNTs‐based sulfur cathode exhibit a high reversible capacity of 1302 mAh g −1 at 0.2 C and a low capacity fading rate of 0.033% per cycle over 800 cycles at 1 C. Moreover, a high areal capacity of 4.5 mAh cm −2 at 0.2 C with the sulfur loading of 5.1 mg cm −2 can be achieved. The present work may provide new insight into the design of high‐performance sulfur‐based cathodes for Li‐S batteries.
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