Design of Janus Heterostructures Embedded in Carbon Nanofibers via Heterointerface and Structural Engineering for Rapid Polysulfide Conversion

杰纳斯 材料科学 多硫化物 异质结 纳米技术 纳米纤维 碳纳米纤维 光电子学 电极 碳纳米管 物理化学 化学 电解质
作者
Xiaofei Zhang,Tongzhen Wang,Yulei Li,Jie Yang,Jiewu Cui,Jian Yan,Jiaqin Liu,Hark Hoe Tan,Yan Yu,Yucheng Wu
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
被引量:1
标识
DOI:10.1002/adfm.202418022
摘要

Abstract The sluggish redox kinetics of sulfur electrode and the “shuttle effect” caused by soluble lithium polysulfides (LiPS) are critical challenges in the advancement of high‐energy lithium‐sulfur batteries. Here, a pioneering flexible self‐supporting composite scaffold that incorporates Janus V 2 O 3 /VN heterostructures embedded within multichannel nitrogen‐doped carbon nanofibers (MNCNF) is introduced. The MNCNF features a 3D hierarchical porous conductive network that facilitates rapid ion/electron transport while offering substantial space for high sulfur loading. Theoretical calculations demonstrate that the Janus V 2 O 3 /VN heterocatalyst, featuring a built‐in interfacial electric field, facilitates a smooth and rapid “capture‐diffusion‐conversion” of LiPS by leveraging the V 2 O 3 ’s strong adsorption capacity, VN's high catalytic capability and promoted interfacial charge/ion transport, thereby accelerating bi‐directional sulfur conversion. The as‐designed sulfur electrode with a sulfur loading of 2.0 mg cm −2 showcases high rate capability of 618 mAh g⁻¹ at 5C with 68.1% capacity retention over 500 cycles. Notably, under harsh conditions of high sulfur loading (6.0 mg cm −2 ) and lean electrolyte (7.5 µL mg −1 ), it achieves a high initial areal capacity of 4.92 mAh cm −2 with 94.8% capacity retention over 150 cycles. This work offers valuable insights for the rational design of optimal vanadium‐based heterocatalysts aimed at facilitating rapid sulfur redox conversion.
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