Modulation of Potential‐Limiting Steps in Lithium–Sulfur Batteries by Catalyst Synergy

催化作用 电催化剂 电子转移 硫黄 微型多孔材料 锂(药物) 电化学 电解质 阴极 化学 化学工程 吸附 材料科学 无机化学 电极 物理化学 有机化学 医学 工程类 内分泌学
作者
Liqi Liu,Yichun Zheng,Yang Sun,Huilin Pan
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:20 (25) 被引量:12
标识
DOI:10.1002/smll.202309582
摘要

Abstract Electrocatalysis is considered to be an effective method to solve the sluggish kinetics of lithium–sulfur batteries. However, a single catalyst cannot simultaneously catalyze multi‐step sulfur reductions. And once the catalyst surface is covered by the initially deposited solid products, the subsequent catalytic activity will significantly deteriorate. Here, microporous ZIF‐67 and its derivative nano‐metallic Co 0 are used as dual‐catalyst aiming to address these drawbacks. The dual catalytic center effectively cooperates the adsorption and electron transfer for multi‐steps of sulfur reductions, transforming the potential‐limited step (Li 2 S 4 →Li 2 S 2 /Li 2 S) into a thermodynamic spontaneous reaction. ZIF‐67 first adsorbs soluble Li 2 S 4 to form a coordination structure of ZIF‐Li 2 S 4 . Then nano‐metallic Co 0 attracts uncoordinated S atoms in ZIF‐Li 2 S 4 and facilitates the breaking of S–S bonds to form transient reductive ZIF‐Li 2 S 2 and Co‐S 2 via. spontaneous electron transfer. These intermediates facilitate continuous conversion to Li 2 S with reduced formation energy, which is beneficial to the regeneration of the catalyst. As a result, the cathode with ZIF@CNTs/Co@CNFs synergetic catalyst achieves initial areal capacity of 4.7 mAh cm −2 and maintains 3.5 mAh cm −2 at low electrolyte/sulfur ratio ( E / S ) of 5 µL mg −1 . This study provides valuable guidance for improving the electrochemical performance of lithium–sulfur batteries through catalyst synergistic strategies for multi‐step reactions.
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