Synergistic Sulfur Immobilization and Bidirectional Catalysis Enabled by VS 2 -VO x /V 2 C Heterostructure for Robust Lithium–Sulfur Batteries

法拉第效率 催化作用 异质结 化学工程 材料科学 吸附 氧化还原 动力学 阴极 分离器(采油) 硫黄 导电体 纳米技术 电极 化学 无机化学 化学动力学 多相催化
作者
Jun Zi Wang,Qi Li,Yongzheng Zhang,Cheng Ma,Jitong Wang,Wenming Qiao,Licheng Ling
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:13 (39): 16521-16533 被引量:5
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.5c06195
摘要

Vanadium-based catalysts are considered an effective strategy to resolve the shuttle effect and sluggish solid–liquid–solid reaction kinetics in lithium–sulfur (Li–S) batteries, thanks to their strong adsorption and catalytic conversion capabilities toward polysulfides. Herein, a self-oxidation-driven solvothermal strategy was employed to construct a defect-rich homologous heterostructure of nanoflower-like VS 2 -VO x on a two-dimensional conductive V 2 C network (denoted as VSOC). The experimental results demonstrate that VSOC effectively enhances the multiphase redox reaction kinetics of sulfur species through the strong adsorption and spontaneous transformation of long-chain polysulfides by the highly conductive V 2 C and the accelerated catalytic reduction of insoluble short-chain Li 2 S by the V–S–O heterostructure. Consequently, the Li–S cells assembled with VSOC-modified separator and normal loaded 1.0 mg cm –2 KB/S cathode deliver a high first discharge capacity of 1340 mAh g –1 at 0.2 C with a low-capacity decay rate of 0.03% per cycle during long-term cycling at 1 C. It still achieves a capacity contribution of 501.3 mAh g –1 even at 5 C. Moreover, under challenging conditions such as high sulfur loading (4.2 mg cm –2 ) and low temperature (0 °C), the VSOC-modified separator maintains 89% and 85% capacity retention and stable Coulombic efficiency. This study proposes a novel heterostructure design strategy for optimizing the performance of Li–S batteries.
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