Promoting the Transformation of Li2S2 to Li2S: Significantly Increasing Utilization of Active Materials for High‐Sulfur‐Loading Li–S Batteries

多硫化物 硫黄 材料科学 硫化钴 硫化物 电化学 催化作用 无定形固体 化学工程 锂硫电池 电极 冶金 化学 有机化学 物理化学 电解质 工程类
作者
Xiaofei Yang,Xuejie Gao,Qian Sun,Sara Panahian Jand,Ying Yu,Yang Zhao,Xia Li,Keegan R. Adair,Liang‐Yin Kuo,Jochen Rohrer,Jianneng Liang,Xiaoting Lin,Mohammad Norouzi Banis,Yongfeng Hu,Hongzhang Zhang,Xianfeng Li,Ruying Li,Huamin Zhang,Payam Kaghazchi,Tsun‐Kong Sham
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:31 (25): e1901220-e1901220 被引量:371
标识
DOI:10.1002/adma.201901220
摘要

Lithium-sulfur (Li-S) batteries with high sulfur loading are urgently required in order to take advantage of their high theoretical energy density. Ether-based Li-S batteries involve sophisticated multistep solid-liquid-solid-solid electrochemical reaction mechanisms. Recently, studies on Li-S batteries have widely focused on the initial solid (sulfur)-liquid (soluble polysulfide)-solid (Li2 S2 ) conversion reactions, which contribute to the first 50% of the theoretical capacity of the Li-S batteries. Nonetheless, the sluggish kinetics of the solid-solid conversion from solid-state intermediate product Li2 S2 to the final discharge product Li2 S (corresponding to the last 50% of the theoretical capacity) leads to the premature end of discharge, resulting in low discharge capacity output and low sulfur utilization. To tackle the aforementioned issue, a catalyst of amorphous cobalt sulfide (CoS3 ) is proposed to decrease the dissociation energy of Li2 S2 and propel the electrochemical transformation of Li2 S2 to Li2 S. The CoS3 catalyst plays a critical role in improving the sulfur utilization, especially in high-loading sulfur cathodes (3-10 mg cm-2 ). Accordingly, the Li2 S/Li2 S2 ratio in the discharge products increased to 5.60/1 from 1/1.63 with CoS3 catalyst, resulting in a sulfur utilization increase of 20% (335 mAh g-1 ) compared to the counterpart sulfur electrode without CoS3 .
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