Hierarchically porous membranes with synergistic Co clusters and N active sites enabled High-Efficient Li-ion transporting and redox reaction activity in Li–S batteries

催化作用 氧化还原 化学工程 吸附 多硫化物 材料科学 多孔性 电子转移 电解质 化学 纳米技术 无机化学 电极 光化学 物理化学 有机化学 复合材料 生物化学 工程类
作者
Jiao Guo,Haipeng Jiang,Yan Dai,Shenghan Gu,Miao Yu,Xiaobin Jiang,Wenji Zheng,Gaohong He,Xiangcun Li
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:434: 134797-134797 被引量:25
标识
DOI:10.1016/j.cej.2022.134797
摘要

Sluggish redox kinetics, shuttle effect, poor Li+ conductivity, and large volume change of sulfur limit the practical applications of lithium-sulfur (Li-S) batteries. Herein, we propose the construction of a sandwich-structured interlayer with a membrane supporting layer and two-sided synergistic Co/N-codoped interfaces. The middle supporting layer with hierarchically porous frame and ultrahigh porosity of 90 % is constituted of carbon nanotubes (CNT) as core and N-doped carbon coating as the crosslinked shell, which can improve the conductivity of Li+ and electrons and provide enough space for polysulfide (LiPSs) anchoring and conversion. The two-sided synergistic Co/N-codoped interfaces including Co clusters and N active sites show strong adsorption of S/Li2Sx and exceptionally high catalytic activity. The theoretical calculation demonstrates that the LiPSs are preferentially adsorbed on Co clusters due to the stronger affinity, while the free N active sites can work as transition points for Li+ transfer during the LiPSs conversion and Li2S decomposition processes. In this way, the N active sites with transition capacity and Co clusters with high adsorption and catalytic ability exhibit high-efficient synergistic effect in mitigating the shuttle effect and reducing energy barrier of the redox reaction. Benefit from the hierarchically porous membrane and the two-sided synergistic Co clusters and N sites, high-efficient Li+/electron transport and catalytic activity are achieved simultaneously in Li-S batteries. The proposed strategy has important guiding significance for the design of novel multifunctional interlayers for high-performance Li-S batteries.

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