Encapsulate lithium sulfide cathodes with carbon-doped MoS2 for fast kinetics in lithium-sulfur batteries, a theoretical study

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作者
Bo Zhao,Zhixin Ren,Ze‐Sheng Li,Guoqiang Tan,Jing Xie
出处
期刊:Acta Materialia [Elsevier BV]
卷期号:242: 118441-118441 被引量:28
标识
DOI:10.1016/j.actamat.2022.118441
摘要

Li 2 S-based lithium-sulfur batteries represent a novel potential energy-storage device with high energy-density and superior safety. Metal sulfide surface coating has been regarded as an effective way to improve electrical and dynamic properties of Li 2 S cathode. We predict that encapsulate Li 2 S with MoS 2 is a potential cathode material that outperforms Li 2 S@graphene in some aspects. The poor conductivity of MoS 2 can be alleviated by doping carbon atoms, which also serve as the catalytic sites to catalyze the activation of Li 2 S. The doped C atoms in MoS 2 surface greatly enhance the Li 2 S binding strength via the formation of S−C bonds, a p z -p z interaction that is not available in pristine MoS 2 . Such strong interaction facilitates the decomposition of adsorbed Li 2 S, thus lowering the activation voltage in the first charge cycle. Although increase the number of C atoms catalyze the decomposition of Li 2 S, the compact distribution and collective C atoms may hinder the diffusion of Li ion by forming an electrostatic potential well, split lithium polysulfides (LiPSs) by excessively strong S−C interaction, and raise the rate determining step free energy of the S 8 to Li 2 S conversion during discharge process, thus a balance between them is required. Single carbon atom doped MoS 2 model balances these factors and shows an excellent electrochemical performance, including improved conductivity, enhanced LiPSs affinity, lowered Li 2 S decomposition barrier, facilitated Li ion diffusion and fast kinetics of the conversion of LiPSs. This work is instructive in fabricating Li 2 S cathode with metal sulfides and doping architectures for practical Li-S batteries.
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