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Strategically Engineered Metal Cluster–Rare Earth Oxide Heterojunction Catalyst for High-Performance Lean Electrolyte Lithium–Sulfur Batteries

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作者
Meiling Shu,Yangyang Dong,Mengdi Ni,Dong Cai,Honglong Ning,Shuo Yang,Xuemei Zhou,Duo Chen,Zhi Yang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:17 (3): 4961-4971 被引量:4
标识
DOI:10.1021/acsami.4c18159
摘要

Developing high-energy-density lithium-sulfur batteries faces serious polysulfide shuttle effects and sluggish conversion kinetics, often necessitating the excessive use of electrolytes, which in turn adversely affects battery performance. Our study introduces a meticulously designed electrocatalyst, Cu-CeO2-x@N/C, to enhance lean-electrolyte lithium-sulfur battery performance. This catalyst, featuring in situ synthesized Cu clusters, regulates oxygen vacancies in CeO2 and forms Cu-CeO2-x heterojunctions, thereby diminishing sulfur conversion barriers and hastening reaction kinetics through the generation of S32-/S3*- intermediates. Besides, the three-dimensional conductive networks, composed of Cu and nitrogen-doped carbon matrices with high electrolyte affinity, effectively confine sparse electrolytes proximal to the catalyst locations, thereby facilitating rapid transport of Li+/electron to the active sites. As a result, the 1% Cu-CeO2-x@N/C cell demonstrated robust performance, achieving an initial discharge capacity of 793.2 mAh/g at 5 C over 500 cycles and maintaining a capacity of 719.9 mAh/g at 0.3 C with an electrolyte-to-sulfur ratio of 5 μL mg-1 and a high sulfur loading of 5.4 mg cm-2 after 60 cycles. These findings highlight the catalyst design for high-performance lean-electrolyte lithium-sulfur batteries, further paving the way for their commercialization.
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