Architecting Freestanding Sulfur Cathodes for Superior Room‐Temperature Na–S Batteries

材料科学 阴极 硫黄 氧化还原 催化作用 动力学 化学工程 纳米技术 化学 冶金 生物化学 物理化学 量子力学 物理 工程类
作者
Huiling Yang,Si Zhou,Binwei Zhang,Shengqi Chu,Haipeng Guo,Qinfen Gu,Hanwen Liu,Yaojie Lei,Konstantin Konstantinov,Yunxiao Wang,Shulei Chou,Huan Liu,Shi Xue Dou
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:31 (32) 被引量:72
标识
DOI:10.1002/adfm.202102280
摘要

Abstract Room‐temperature sodium–sulfur (RT Na–S) batteries have attracted extensive attention because of their low cost and high specific energy. RT Na–S batteries, however, usually suffer from sluggish reaction kinetics, low reversible capacity, and short lifespans. Herein, it is shown that chain‐mail catalysts, consisting of porous nitrogen doped carbon nanofibers (PCNFs) encapsulating Co nanoparticles (Co@PCNFs), can activate sulfur via electron engineering. The chain‐mail catalysts Co@PCNFs with a micrograde hierarchical structure as a freestanding sulfur cathode (Co@PCNFs/S) can provide space for high mass loading of sulfur and polysulfides. The electrons can rapidly transfer from chain‐mail catalysts to sulfur and polysulfides during discharge–charge processes, therefore boosting its conversion kinetics. As a result, this freestanding Co@PCNFs/S cathode achieves a high sulfur loading of 2.1 ± 0.2 mg cm −2 , delivering a high reversible capacity of 398 mA h g −1 at 0.5 C (1 C = 1675 mA g −1 ) over 600 cycles and superior rate capability of an average capacity of 240 mA h g −1 at 5 C. Experimental results, combined with density functional theory calculations, demonstrate that the Co@PCNFs/S can efficiently improve the conversion kinetics between the polysulfides and Na 2 S via transferring electrons from Co to them, thereby realizing efficient sulfur redox reactions.
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