Ferromagnetic Atomic d‐p Orbital Hybridization for Promoting Al‐S Batteries

多硫化物 材料科学 密度泛函理论 阴极 未成对电子 催化作用 纳米技术 Atom(片上系统) 物理化学 计算化学 电解质 化学 电极 分子 有机化学 计算机科学 嵌入式系统
作者
Guobin Yu,Xiaoya Liu,Weiyuan Huang,Shixin Wang,Jiqiang Zhan,Lu‐Fang Ma,Hongpeng Li,Xiaojing Lin,Tongchao Liu,Khalil Amine,Hongsen Li
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/adma.202418784
摘要

Abstract Rechargeable aluminum‐sulfur batteries (Al‐S) are emerging as a promising alternative energy storage system beyond lithium‐ion batteries due to their high energy density, abundant material resources, and economic efficiency. However, their practical application remains challenged by sluggish conversion kinetics, polysulfide shuttling, and low sulfur cathode utilization. While extensive studies have focused on enhancing polysulfide adsorption through catalytic strategies, the roles of electronic structure in dictating catalytic performance remain underexplored. Here, this work unveils the critical effect of unpaired electronic structure on the catalytic performance of single atom ferromagnetic transition metals through a systematic evaluation of three typical atomically dispersed ferromagnetic single atoms—Fe, Co, and Ni—supported on porous carbon (denoted as PC‐SAFAs). Comprehensive characterizations and density functional theory (DFT) calculations reveal that the PC‐SAFe catalysts, exhibiting the highest spin polarization arising from unpaired electrons, demonstrate the strongest interactions with polysulfide, thereby facilitating rapid and reversible polysulfide conversion reactions. Consequently, Al‐S batteries incorporating the optimized PC‐SAFe cathode achieve an impressive specific capacity of 508.8 mAh g −1 at 1.0 A g −1 after 500 cycles, along with much improved rate capability. This work provides a deeper understanding of the role of electronic structure in catalytic chemistry, and offers new insights for developing high‐performance Al‐S batteries.
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