Electron‐Rich Niobium Oxide Sub‐Nanoclusters Boosting Charge Transfer for Highly Reversible Sodium–Sulfur Batteries

纳米团簇 材料科学 氧化铌 硫黄 氧化物 电子转移 电荷(物理) 无机化学 Boosting(机器学习) 纳米技术 化学工程 光化学 冶金 计算机科学 化学 工程类 物理 机器学习 量子力学
作者
Guanzheng Wu,Mei Yang,Haoda Zou,Volker Presser,Tobias Heil,Rui Yu,Yun Zhao,Zhen Fang,Mingren Liu,Qing Qin
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:: e09954-e09954 被引量:1
标识
DOI:10.1002/adma.202509954
摘要

Abstract Ether‐based room‐temperature sodium–sulfur (RT Na─S) batteries are a promising energy‐storage system, yet hindered by the unregulated sulfur redox pathway, severe polysulfide shuttling and rapid capacity fading. Herein, highly unsaturated niobium‐oxide sub‐nanoclusters (≈0.7 nm) anchored on defective carbon black (NbO x ‐DCB) as a dynamic sulfur‐conversion catalyst are introduced. The delocalized Nb d‐electrons in the sub‐nanocluster configuration create a mixed Nb 4+ /Nb 5+ valence state that functions as a bidirectional electron reservoir, thereby enabling a distinct d ‐band‐center self‐regulation mechanism. The strong d – p orbital coupling enabled by a Nb 4+ ‐rich surface effectively captures sodium polysulfides and accelerates sulfur conversion kinetics during discharge, while a Nb 5+ ‐rich surface promotes facile solid‐polysulfide decomposition during charging. Consequently, the NbO x ‐DCB/S cathode delivers a reversible capacity of 1184 mAh g S −1 at 0.1 A g −1 after 100 cycles and retains 547 mAh g S −1 after 3000 cycles at 2 A g −1 , corresponding to a decay rate of 0.0027% per cycle. The general applicability of this approach is validated by high‐performance tungsten and vanadium oxide sub‐nanocluster‐based sulfur cathodes. These findings highlight sub‐nanoscale metal‐oxide engineering as a versatile route to high‐performance RT Na–S batteries.
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