Atomically dispersed Fe in a C2N Based Catalyst as a Sulfur Host for Efficient Lithium–Sulfur Batteries

材料科学 阴极 硫黄 化学工程 氧化还原 密度泛函理论 储能 催化作用 锂(药物) 物理化学 冶金 有机化学 化学 计算化学 内分泌学 功率(物理) 物理 量子力学 工程类 医学
作者
Zhifu Liang,Dawei Yang,Pengyi Tang,Chaoqi Zhang,Jordi Jacas Biendicho,Yi Zhang,Jordi Llorca,Xiang Wang,Junshan Li,Marc Heggen,Jérémy David,Rafal E. Dunin‐Borkowski,Yingtang Zhou,J.R. Morante,Andreu Cabot,Jordi Arbiol
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:11 (5) 被引量:143
标识
DOI:10.1002/aenm.202003507
摘要

Abstract Lithium–sulfur batteries (LSBs) are considered to be one of the most promising next generation energy storage systems due to their high energy density and low material cost. However, there are still some challenges for the commercialization of LSBs, such as the sluggish redox reaction kinetics and the shuttle effect of lithium polysulfides (LiPS). Here a 2D layered organic material, C 2 N, loaded with atomically dispersed iron as an effective sulfur host in LSBs is reported. X‐ray absorption fine spectroscopy and density functional theory calculations prove the structure of the atomically dispersed Fe/C 2 N catalyst. As a result, Fe/C 2 N‐based cathodes demonstrate significantly improved rate performance and long‐term cycling stability. Fe/C 2 N‐based cathodes display initial capacities up to 1540 mAh g −1 at 0.1 C and 678.7 mAh g −1 at 5 C, while retaining 496.5 mAh g −1 after 2600 cycles at 3 C with a decay rate as low as 0.013% per cycle. Even at a high sulfur loading of 3 mg cm −2 , they deliver remarkable specific capacity retention of 587 mAh g −1 after 500 cycles at 1 C. This work provides a rational structural design strategy for the development of high‐performance cathodes based on atomically dispersed catalysts for LSBs.
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