Single-Atom Yttrium Engineering Janus Electrode for Rechargeable Na–S Batteries

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作者
Erhuan Zhang,Xiang Hu,Lingzhe Meng,Min Qiu,Junxiang Chen,Yangjie Liu,Guiyu Liu,Zechao Zhuang,Xiaobo Zheng,Lirong Zheng,Yu Wang,Wei Tang,Zhouguang Lu,Jiatao Zhang,Zhenhai Wen,Dingsheng Wang,Yadong Li
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (41): 18995-19007 被引量:134
标识
DOI:10.1021/jacs.2c07655
摘要

The development of rechargeable Na-S batteries is very promising, thanks to their considerably high energy density, abundance of elements, and low costs and yet faces the issues of sluggish redox kinetics of S species and the polysulfide shuttle effect as well as Na dendrite growth. Following the theory-guided prediction, the rare-earth metal yttrium (Y)-N4 unit has been screened as a favorable Janus site for the chemical affinity of polysulfides and their electrocatalytic conversion, as well as reversible uniform Na deposition. To this end, we adopt a metal-organic framework (MOF) to prepare a single-atom hybrid with Y single atoms being incorporated into the nitrogen-doped rhombododecahedron carbon host (Y SAs/NC), which features favorable Janus properties of sodiophilicity and sulfiphilicity and thus presents highly desired electrochemical performance when used as a host of the sodium anode and the sulfur cathode of a Na-S full cell. Impressively, the Na-S full cell is capable of delivering a high capacity of 822 mAh g-1 and shows superdurable cyclability (97.5% capacity retention over 1000 cycles at a high current density of 5 A g-1). The proof-of-concept three-dimensional (3D) printed batteries and the Na-S pouch cell validate the potential practical applications of such Na-S batteries, shedding light on the development of promising Na-S full cells for future application in energy storage or power batteries.
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