Atomic-Level Asymmetric Regulation of Co–N3S1 Catalysts Accelerates Polysulfide Trapping and Conversion in Lithium–Sulfur Batteries

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作者
Qingliang Lv,Yajuan Li,Xiangshuai Wei,Yinjing Sun,Lei Wang,Fujun Li
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsnano.5c05630
摘要

Lithium-sulfur (Li-S) batteries are severely limited by the shuttling behavior of soluble lithium polysulfides (LiPSs) and slow catalytic conversion kinetics. Herein, a single-atom catalyst featuring asymmetric S-Co-N3 coordination (CoSA-SNC) supported by hollow carbon nanoboxes is designed to act as an efficient host catalyst of the Li-S battery. Experimental and theoretical calculations reveal that the introduction of S into the Co single-atom catalyst induces asymmetric local charge distribution around Co centers and more unpaired electrons. The tailored electronic structure with optimized d-orbital energy levels accelerates charge transfer and further enhances adsorption energy and conversion kinetics for LiPSs. The hollow nanostructure of CoSA-SNC confines and suppresses polysulfide shuttling for high sulfur loadings and fast charge/mass transfer. The resultant Li-S batteries incorporated with CoSA-SNC deliver a high initial specific capacity of 1408 mAh g-1, and ultralow capacity decay of 0.027% per cycle over 900 cycles. This investigation provides insights into the design of advanced cathode catalysts of Li-S batteries.
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