Self-Catalyzed Growth of Co4N and N-Doped Carbon Nanotubes toward Bifunctional Cathode for Highly Safe and Flexible Li–Air Batteries

材料科学 双功能 阴极 兴奋剂 碳纳米管 碳纤维 化学工程 催化作用 纳米技术 无机化学 光电子学 化学 复合材料 有机化学 复合数 物理化学 工程类
作者
Jun Xia,Shuai Yin,Kai Cui,Tian Yang,Yiyuan Yan,Shichao Zhang,Yalan Xing,Puheng Yang,Tianshuai Wang,Guangmin Zhou
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:18 (16): 10902-10911 被引量:27
标识
DOI:10.1021/acsnano.4c01271
摘要

The practical application of high-energy density lithium–oxygen (Li–O2) batteries is severely impeded by the notorious cycling stability and safety, which mainly comes from slow kinetics of oxygen reduction reaction (ORR) and oxygen evolution reaction (OER) at cathodes, causing inferior redox overpotentials and reactive lithium metal in flammable liquid electrolyte. Herein, a bifunctional electrode, a safe gel polymer electrolyte (GPE), and a robust lithium anode are proposed to alleviate above problems. The bifunctional electrode is composed of N-doped carbon nanotubes (N-CNTs) and Co4N by in situ chemical vapor deposition self-catalyzed growth on carbon cloth (N-CNTs@Co4N@CC). The self-supporting, binder-free N-CNTs@Co4N@CC electrode has a strong and stable three-dimensional (3D) interconnected conductive structure, which provides interconnectivity between the active sites and the electrode to promote the transfer of electrons. Furthermore, the N-CNT-intertwined Co4N ensures efficient catalytic activity. Hence, the electrode demonstrates improved electrochemical properties even under a large current density (2000 mA g–1) and long cycling operation (250 cycles). Moreover, a highly safe and flexible rechargeable cell using the 3D N-CNTs@Co4N@CC electrode, GPE, and robust lithium anode design has been explored. The open circuit voltage is stable at ∼3.0 V even after 9800 cycles, which proves the mechanical durability of the integrated GPE cell. The stable cable-type Li–air battery was demonstrated to stably drive the light-emitting diodes (LEDs), highlighting the reliability for practical use.
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