Bidirectional Catalysts for Liquid–Solid Redox Conversion in Lithium–Sulfur Batteries

硫黄 催化作用 材料科学 氧化还原 硫化物 溶解 化学工程 阴极 氧化物 多硫化物 无机化学 纳米颗粒 电解质 电极 纳米技术 化学 有机化学 冶金 物理化学 工程类
作者
Ruochen Wang,Chong Luo,Tianshuai Wang,Guangmin Zhou,Yaqian Deng,Yan‐Bing He,Qianfan Zhang,Feiyu Kang,Wei Lv,Quan‐Hong Yang
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:32 (32): e2000315-e2000315 被引量:427
标识
DOI:10.1002/adma.202000315
摘要

Abstract Accelerated conversion by catalysis is a promising way to inhibit shuttling of soluble polysulfides in lithium–sulfur (Li–S) batteries, but most of the reported catalysts work only for one direction sulfur reaction (reduction or oxidation), which is still not a root solution since fast cycled use of sulfur species is not finally realized. A bidirectional catalyst design, oxide–sulfide heterostructure, is proposed to accelerate both reduction of soluble polysulfides and oxidation of insoluble discharge products (e.g., Li 2 S), indicating a fundamental way for improving both the cycling stability and sulfur utilization. Typically, a TiO 2 –Ni 3 S 2 heterostructure is prepared by in situ growing TiO 2 nanoparticles on Ni 3 S 2 surface and the intimately bonded interfaces are the key for bidirectional catalysis. For reduction, TiO 2 traps while Ni 3 S 2 catalytically converts polysulfides. For oxidation, TiO 2 and Ni 3 S 2 both show catalytic activity for Li 2 S dissolution, refreshing the catalyst surface. The produced sulfur cathode with TiO 2 –Ni 3 S 2 delivers a low capacity decay of 0.038% per cycle for 900 cycles at 0.5C and specially, with a sulfur loading of 3.9 mg cm −2 , achieves a high capacity retention of 65% over 500 cycles at 0.3C. This work unlocks how a bidirectional catalyst works for boosting Li–S batteries approaching practical uses.
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