Robust Lithium–Sulfur Batteries Enabled by Highly Conductive WSe2‐Based Superlattices with Tunable Interlayer Space

材料科学 超晶格 多硫化物 异质结 纳米技术 电解质 石墨烯 硫黄 光电子学 化学工程 电极 物理化学 化学 工程类 冶金
作者
Chaoqi Zhang,Ban Fei,Dawei Yang,Hongbing Zhan,Jiaao Wang,Jiefeng Diao,Junshan Li,Graeme Henkelman,Daoping Cai,Jordi Jacas Biendicho,J.R. Morante,Andreu Cabot
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:32 (24) 被引量:90
标识
DOI:10.1002/adfm.202201322
摘要

Abstract Superlattices are rising stars on the horizon of energy storage and conversion, bringing new functionalities; however, their complex synthesis limits their large‐scale production and application. Herein, a simple solution‐based method is reported to produce organic–inorganic superlattices and demonstrate that the pyrolysis of the organic compound enables tuning their interlayer space. This strategy is exemplified here by combining polyvinyl pyrrolidone (PVP) with WSe 2 within PVP/WSe 2 superlattices. The annealing of such heterostructures results in N‐doped graphene/WSe 2 (NG/WSe 2 ) superlattices with a continuously adjustable interlayer space in the range from 10.4 to 21 Å. Such NG/WSe 2 superlattices show a metallic electronic character with outstanding electrical conductivities. Both experimental results and theoretical calculations further demonstrate that these superlattices are excellent sulfur hosts at the cathode of lithium–sulfur batteries (LSB), being able to effectively reduce the lithium polysulfide shuttle effect by dual‐adsorption sites and accelerating the sluggish Li–S reaction kinetics. Consequently, S@NG/WSe 2 electrodes enable LSBs characterized by high sulfur usages, superior rate performance, and outstanding cycling stability, even at high sulfur loadings, lean electrolyte conditions, and at the pouch cell level. Overall, this work not only establishes a cost‐effective strategy to produce artificial superlattice materials but also pioneers their application in the field of LSBs.
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