Metal chalcogenide hollow polar bipyramid prisms as efficient sulfur hosts for Na-S batteries

硫黄 双锥 极地的 金属 硫系化合物 材料科学 硫族元素 化学 纳米技术 化学物理 结晶学 光电子学 物理 冶金 晶体结构 天文
作者
Muhammad Kashif Aslam,Ieuan D. Seymour,Naman Katyal,Sha Li,Tingting Yang,Shu‐Juan Bao,Graeme Henkelman,Maowen Xu
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:11 (1): 5242-5242 被引量:151
标识
DOI:10.1038/s41467-020-19078-0
摘要

Abstract Sodium sulfur batteries require efficient sulfur hosts that can capture soluble polysulfides and enable fast reduction kinetics. Herein, we design hollow, polar and catalytic bipyramid prisms of cobalt sulfide as efficient sulfur host for sodium sulfur batteries. Cobalt sulfide has interwoven surfaces with wide internal spaces that can accommodate sodium polysulfides and withstand volumetric expansion. Furthermore, results from in/ex-situ characterization techniques and density functional theory calculations support the significance of the polar and catalytic properties of cobalt sulfide as hosts for soluble sodium polysulfides that reduce the shuttle effect and display excellent electrochemical performance. The polar catalytic bipyramid prisms sulfur@cobalt sulfide composite exhibits a high capacity of 755 mAh g −1 in the second discharge and 675 mAh g −1 after 800 charge/discharge cycles, with an ultralow capacity decay rate of 0.0126 % at a high current density of 0.5 C. Additionally, at a high mass loading of 9.1 mg cm −2 , sulfur@cobalt sulfide shows high capacity of 545 mAh g −1 at a current density of 0.5 C. This study demonstrates a hollow, polar, and catalytic sulfur host with a unique structure that can capture sodium polysulfides and speed up the reduction reaction of long chain sodium polysulfides to solid small chain polysulfides, which results in excellent electrochemical performance for sodium-sulfur batteries.
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