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Ferromagnetic Bimetallic Catalysts Enhance the Overall Performance of Lithium–Sulfur Batteries under a Magnetic Field

化学 双金属片 阳极 过电位 催化作用 阴极 铁磁性 锂(药物) 化学工程 电极 纳米技术 电化学 凝聚态物理 材料科学 物理化学 医学 物理 内分泌学 工程类 生物化学
作者
Guowen Sun,Chaoyue Zhang,Mengjing Jin,Jiayue Li,Xiao Jun Pan,Andreu Cabot,Gengzhi Sun,Jinyuan Zhou
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (31): 27251-27264 被引量:27
标识
DOI:10.1021/jacs.4c15169
摘要

Sluggish reaction kinetics and severe dendrite growth are two main obstacles that hinder lithium–sulfur batteries (LSBs) from practical applications. Here, unconventionally d–p hybridized ferromagnetic Fe 3 M (M = Al, Si, Ga, Ge, Sn) materials are studied as the electrocatalysts and conductive scaffolds for LSBs. This reveals that under a magnetic field, the d–p hybridization can be obviously enhanced via the electron cloud overlap between M and Fe atoms around the Fermi level, thereby leading to highly improved kinetics of the entire Li–S reactions. Furthermore, the magnetic field and magnetized Fe 3 M can locally regulate the diffusion pathways of Li + through the Lorentz force, facilitating uniform lithium deposition. With Fe 3 Ga as the optimal option, under a magnetic field of 280 mT, the Fe 3 Ga@CNF/S cathode delivers specific capacities of 1343.3 and 1091.7 mA h g –1, respectively, at 0.1C and 3.0C, along with an ultralow capacity decay rate of only 0.0065% for 300 cycles at 10.0C, while the Fe 3 Ga@CNF/Li anode maintains a low overpotential of 24.5 mV over 100 days of cycling at 5 mA cm –2 . Consequently, the performances of the Li–S full cell with the Fe 3 Ga@CNF/S cathode and the Fe 3 Ga@CNF/Li anode are significantly improved, producing a capacity of 1027.1 mA h g –1 at 0.2C and 657.5 mA h g –1 at 3.0C, and a Li–S pouch cell with a sulfur loading of 0.146 g delivers a high specific energy density of 317 Wh kg –1 when tested under the magnetic field.
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