Implanting single-atom N2-Fe-B2 catalytic sites in carbon hosts to stabilize high-loading and lean-electrolyte lithium-sulfur batteries

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作者
Sha Li,Jiande Lin,Bin Chang,Daiwen Yang,De‐Yin Wu,Junhao Wang,Weijia Zhou,Hong Liu,Shuhui Sun,Li Zhang
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier BV]
卷期号:55: 94-104 被引量:79
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2022.11.045
摘要

Lithium-sulfur (Li-S) batteries suffer from soluble lithium polysulfide (LiPS) shuttling and sluggish redox kinetics. The rational design of carbon-supported single-atom catalysts (SACs) as both LiPS immobilizers and sulfur redox promoters is of great significance for high-loading and lean-electrolyte Li-S batteries. However, the most popular nonpolar porphyrin-like transition metal-nitrogen (M-N4) SACs cannot maximize the catalytic activity of the metal center. Herein, a B, N co-coordinated N2-Fe-B2 SAC embedded in a B, N-rich carbon matrix (denoted as Fe SAs@BCN) is disclosed for the first time to construct state-of-the-art Li-S batteries. We reveal experimentally and theoretically that the asymmetric N2-Fe-B2 configuration not only rapidly captures LiPSs through strong Lewis acid-base interactions, but also greatly catalyzes the bidirectional sulfur redox chemistry by lowering the Li2S deposition/decomposition energy barriers. As such, the well-designed SACs enable Li-S batteries to promise extraordinary durability (82% retention over 1000 cycles at 5 C) and high areal capacities even under harsh sulfur mass loadings. More encouragingly, a 359 Wh kg−1 pouch cell with an ultrahigh loading of 11.6 mg·S cm−2 and a lean electrolyte to sulfur (E/S) ratio of 3 µL mg·S−1 is further demonstrated. This work shows that N2-Fe-B2 SACs hold great promise in realizing high-energy-density Li-S batteries.
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