Electronic Spin Alignment within Homologous NiS2/NiSe2 Heterostructures to Promote Sulfur Redox Kinetics in Lithium‐Sulfur Batteries

硫黄 催化作用 氧化还原 锂(药物) 阴极 异质结 吸附 化学工程 化学 材料科学 物理化学 光电子学 有机化学 内分泌学 冶金 工程类 医学
作者
Chen Huang,Jingkun Yu,Chao Yue Zhang,Zhaoxia Cui,Jiakun Chen,Wei‐Hong Lai,Yaojie Lei,Bingfei Nan,Xuan Li,He Ren,Li Gong,Junshan Li,Canhuang Li,Xuede Qi,Qian Xue,Jinyuan Zhou,Xueqiang Qi,Lluı́s Balcells,Jordi Arbiol,Andreu Cabot
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/adma.202400810
摘要

The catalytic activation of the Li-S reaction is fundamental to maximize the capacity and stability of Li-S batteries (LSBs). Current research on Li-S catalysts mainly focuses on optimizing the energy levels to promote adsorption and catalytic conversion, while frequently overlooking the electronic spin state influence on charge transfer and orbital interactions. Here, hollow NiS2/NiSe2 heterostructures encapsulated in a nitrogen-doped carbon matrix (NiS2/NiSe2@NC) are synthesized and used as a catalytic additive in sulfur cathodes. The NiS2/NiSe2 heterostructure promotes the spin splitting of the 3d orbital, driving the Ni3+ transformation from low to high spin. This high spin configuration raises the electronic energy level and activates the electronic state. This accelerates the charge transfer and optimizes the adsorption energy, lowering the reaction energy barrier of the polysulfides conversion. Benefiting from these characteristics, LSBs based on NiS2/NiSe2@NC/S cathodes exhibit high initial capacity (1458 mAh·g⁻1 at 0.1C), excellent rate capability (572 mAh·g⁻1 at 5C), and stable cycling with an average capacity decay rate of only 0.025% per cycle at 1C during 500 cycles. Even at high sulfur loadings (6.2 mg·cm⁻2), high initial capacities of 1173 mAh·g⁻1 (7.27 mAh·cm⁻2) are measured at 0.1C, and 1058 mAh·g⁻1 is retained after 300 cycles.
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