Highly Flexible Carbon Film Implanted with Single‐Atomic Zn−N2 Moiety for Long‐Life Sodium‐Sulfur Batteries

材料科学 硫黄 碳纤维 部分 氧化还原 阴极 化学工程 分解 动力学 纳米技术 物理化学 复合材料 化学 冶金 有机化学 物理 量子力学 复合数 工程类
作者
Yao Ge,Zhiqiang Li,Yuhang Zhang,Yue Xiao,Lingzhi Wei,Helin Niu,Qianwang Chen,Yang Yang,Fangcai Zheng
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:34 (5) 被引量:46
标识
DOI:10.1002/adfm.202214353
摘要

Abstract Room‐temperature sodium‐sulfur (RT Na–S) batteries are regarded as one of promising next‐generation energy storage systems owing to the high theoretical energy density (1274 Wh kg −1 ) and rich abundance of the raw materials. However, the sluggish redox kinetics and low electrical conductivity of sulfur (S) cathode significantly imped their practical application. Herein, a flexible carbon film implanted with single‐atomic Zn−N 2 moiety (Zn‐N 2 /CF) is constructed as the efficient S host material to effectively improve the redox kinetics and electrical conductivity. The theoretical and experimental results show that, compared to Zn−N 4 center, unsaturated Zn−N 2 center with asymmetric electron distribution has significant advantages in anchoring and activating sodium polysulfides to accelerate the conversion from S 8 to Na 2 S and reducing the reaction energy barrier of Na 2 S decomposition. Consequently, Zn‐N 2 /CF/S can retain a reversible capacity of 838.5 mAh g −1 at 0.1 A g −1 after 100 cycles, which is higher than that of Zn‐N 4 /CF/S (688.0 mAh g −1 ). Moreover, Zn‐N 2 /CF/S also maintains a long‐term cycling performance with a negligible capacity decay rate of 0.006% per cycle over 4000 cycles at 10 A g −1 . This work provides an effective strategy to obtain the flexible carbon film implanted with unsaturated single‐atomic structure, thereby ultimately resulting in high‐performance RT Na–S batteries.
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