Binary Metal Single Atom Electrocatalysts with Synergistic Catalytic Activity toward High‐Rate and High Areal‐Capacity Lithium–Sulfur Batteries

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作者
Lianbo Ma,Jiasheng Qian,Yongtao Li,Yuwen Cheng,Shan-Ying Wang,Ziwei Wang,Cheng Peng,Konglin Wu,Jie Xu,Ingo Manke,Changchun Yang,Philipp Adelhelm,Renjie Chen
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:32 (51) 被引量:44
标识
DOI:10.1002/adfm.202208666
摘要

Abstract Lithium–sulfur (Li–S) batteries with high theoretical energy density have been long considered as an alternative energy storage device to lithium‐ion batteries. Nevertheless, the polysulfide shuttle effects trigger fast capacity decay and short battery lifespan, severely hampering their practical utilizations. Herein, an efficient electrocatalyst comprising of nitrogen (N)‐coordinated binary metal single atoms (SAs) implanted within a hierarchical porous carbon skeleton (Fe/CoNHPC) is constructed to trap and catalyze polysulfides conversion through a separator coating strategy. It is demonstrated that the introduction of Co atom can enrich the electron number of Fe active center, thereby realizing the distinct synergistic catalytic effect of binary metal SAs and improving the bidirectional catalysis of Li–S redox reaction. As a result, Li–S batteries with the Fe/CoNHPC‐modified separator exhibit outstanding rate capability (740 mAh g −1 at 5.0 C), and superior long‐term cyclic stability (694 mAh g −1 after 600 cycles at 1.0 C). Increasing the sulfur loading to 4.8 mg cm −2 , a remarkable areal capacity of 6.13 mAh cm −2 is achieved. Furthermore, in situ X‐ray diffraction and theoretical simulation results verify the catalysis mechanism of binary metal SAs by changing the rate‐determining steps, providing new directions for constructing high‐performance Li–S batteries.
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