Frogspawn‐Coral‐Like Hollow Sodium Sulfide Nanostructured Cathode for High‐Rate Performance Sodium–Sulfur Batteries

材料科学 阴极 阳极 硫黄 电化学 化学工程 电池(电) 硫化物 钠离子电池 电极 纳米技术 化学 冶金 法拉第效率 物理化学 功率(物理) 工程类 物理 量子力学
作者
Chuanlong Wang,Huan Wang,Xiaofei Hu,Edward Matios,Jianmin Luo,Yiwen Zhang,Xuan Lu,Weiyang Li
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:9 (5) 被引量:88
标识
DOI:10.1002/aenm.201803251
摘要

Abstract Room‐temperature (RT) sodium–sulfur (Na–S) batteries are attractive cost‐effective platforms as the next‐generation energy storage systems by using all earth‐abundant resources as electrode materials. However, the slow kinetics of Na–S chemistry makes it hard to achieve high‐rate performance. Herein, a facile and scalable approach has been developed to synthesize hollow sodium sulfide (Na 2 S) nanospheres embedded in a highly hierarchical and spongy conductive carbon matrix, forming an intriguing architecture similar to the morphology of frogspawn coral, which has shown great potential as a cathode for high‐rate performance RT Na–S batteries. The shortened Na‐ion diffusion pathway benefits from the hollow structures together with the fast electron transfer from the carbon matrix contributes to high electrochemical reactivity, leading to superior electrochemical performance at various current rates. At high current densities of 1.4 and 2.1 A g −1 , high initial discharge capacities of 980 and 790 mAh g −1 sulfur can be achieved, respectively, with reversible capacities stabilized at 600 and 400 mAh g −1 sulfur after 100 cycles. As a proof of concept, a Na‐metal‐free Na–S battery is demonstrated by pairing the hollow Na 2 S cathode with tin‐based anode. This work provides guidance on rational materials design towards the success of RT high‐rate Na–S batteries.
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