Design， Regulation and Applications in Lithium-sulfur Battery Cathodes of Yolk-shell Nanoreactors

doi:10.7503/cjcu20220619

Abstract

Abstract:

Lithium-sulfur batteries have attracted much attention due to their high theoretical energy density， which are considered as one of the most promising class of new secondary batteries. In view of the sulfur cathode， there are problems such as the insulation properties of sulfur and lithium sulfide， the diffusion of soluble polysulfides， the volume expansion of sulfur in the cycle process， and the slow dynamics of the redox process， which seriously restricts the activity and cycle stability of the lithium-sulfur battery. Yolk-shell nanoreactors， with easy to regulate “yolk”， “shell”， and “void”， can alleviate the electrode volume in the process of charge and discharge change， provide fast ion/electron transport channel， strengthen polysulfide adsorption and improve catalytic conversion reaction， etc.， thus significantly improve the electrode stability， activity and cycle performance， conducive to promoting the commercialization process in lithium sulfur battery. Thus， we summarize the design and regulation strategy of yolk-shell nanoreactors， including single-yolk-single-shell， single-yolk-multi-shell， multi-yolk-single-shell and multi-yolk-multi-shell. Furthermore， combined with the working characteristics and current application problems of lithium-sulfur battery， the application prospect and future development are also discussed.

Key words: Yolk-shell structure, Design, Regulation, Lithium-sulfur battery, Nanoreactors

CLC Number:

O646

TrendMD:

WU Yujie, HUANG Wenzhi, PAN Junda, SHI Kaixiang, LIU Quanbing. Design， Regulation and Applications in Lithium-sulfur Battery Cathodes of Yolk-shell Nanoreactors[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(1): 20220619.

Figures/Tables 11

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Classification	Material	Morphology	Synthesis method	Ref.
Single⁃yolk⁃single⁃shell	FeP	Nanosphere⁃in⁃nanotube	Hard template	［11］
	SiO _x /C@Void@C	Nanosphere	Hard template	［12］
	Sb₂Se₃@void@C	Nanorod	Hard template	［13］
	Co₃O₄/C@SiO₂	Rhombic dodecahedron	Hard template	［14］
	Co₃O₄@TiO₂@C	Sphere	Hard template	［15］
	Si⁃infilled capsule	Capsule	Soft template	［16］
	Si@void@C	—	Soft template	［17］
Classification	Material	Morphology	Synthesis method	Ref.
Single⁃yolk⁃single⁃shell	Cu⁃FeP@C	Sphere	Template method	［18］
	ZnS@C	Nanorod	Self⁃sacrifice template strategy	［19］
	NiSe₂@C	Sphere	Ostwald ripening	［20］
	CoOHCl@C	—	Ostwald ripening	［21］
	NiCo₂O₄/NiO	Sphere	Ostwald ripening	［22］
	MoSe₂	Sphere	Ostwald ripening	［23］
	NCS/CNT	Nanosphere	Kirkendall effect	［24］
	MnO _x /C	Nanoparticle	Ostwald ripening， Kirkendall effect	［25］
	Sn⁃Sn₂Co₃@CoSnO₃⁃Co₃O₄	Microsphere	Spray drying	［26］
	Si@void@C/CNTs	Microsphere	Spray drying	［27］
	Sb@C	Microsphere	Spray drying	［28］
	Co₃O₄@NiCo₂O₄	Rhombic dodecahedron	Seed epitaxial growth	［29］
	Fe₂N@TiO₂@C	Submicrocube	Hard template	［30］
Single⁃yolk⁃muti⁃shell	Co₃O₄	Cube	Hydrothermal method	［31］
	Co₃O₄	Sphere	Hydrothermal method	［32］
	YDS⁃FCCNs	Nanospheres	Solvothermal method	［33］
	V₂O₃/C	Sphere	Sequential self⁃template	［34］
	Fe₃O₄⁃GC	Microsphere	Kirkendall diffusion	［35］
	NiO	—	Sequential templating approach	［36］
	Cobalt sulfide MSNBs	Nanobox	Ion⁃conversion⁃exchange	［37］
	m⁃Y⁃S Fe_1-_x S@C⁃3	Hexagonal nanosheet	Hard template	［38］
Muti⁃yolk⁃single⁃shell	SnO₂/Mn₂SnO₄@C	Nanobox	Hard template	［39］
	Co⁃NC@N⁃HCSs	Sphere	Hard template	［40］
	Fe₂O₃@N⁃PC/Mn₃O₄	Nanocapsule	Template method	［41］
	Bi₂Se₃@C	Sphere	Solvothermal method	［42］
	MnO₂@NCG	Honeycomb	Sol⁃gel	［43］
	Si@C@ZIF⁃67⁃800N	—	Sol⁃gel， MOF self⁃template	［44］
	ZnSe/2（CoSe₂）@NC	Hexahedron	Two⁃step method	［45］
	MYS⁃Co₄N@C/SeS₂	Cube	Chelation competition induced polymerization	［46］
	TiC@C@Graphene	Fiber	Electrospinning progress	［47］
	DCS⁃Si	Sphere	Chemical vapor deposition	［48］
Muti⁃yolk⁃muti⁃shell	M⁃cores@HoMS	Sphere	Hydrothermal method	［49］
	Sn NPs@NxC HoMS⁃DL	Sphere	In situ evolution of shell to core	［50］

Classification	Material	Morphology	Synthesis method	Ref.
Single⁃yolk⁃single⁃shell	FeP	Nanosphere⁃in⁃nanotube	Hard template	［11］
	SiO _x /C@Void@C	Nanosphere	Hard template	［12］
	Sb₂Se₃@void@C	Nanorod	Hard template	［13］
	Co₃O₄/C@SiO₂	Rhombic dodecahedron	Hard template	［14］
	Co₃O₄@TiO₂@C	Sphere	Hard template	［15］
	Si⁃infilled capsule	Capsule	Soft template	［16］
	Si@void@C	—	Soft template	［17］
Classification	Material	Morphology	Synthesis method	Ref.
Single⁃yolk⁃single⁃shell	Cu⁃FeP@C	Sphere	Template method	［18］
	ZnS@C	Nanorod	Self⁃sacrifice template strategy	［19］
	NiSe₂@C	Sphere	Ostwald ripening	［20］
	CoOHCl@C	—	Ostwald ripening	［21］
	NiCo₂O₄/NiO	Sphere	Ostwald ripening	［22］
	MoSe₂	Sphere	Ostwald ripening	［23］
	NCS/CNT	Nanosphere	Kirkendall effect	［24］
	MnO _x /C	Nanoparticle	Ostwald ripening， Kirkendall effect	［25］
	Sn⁃Sn₂Co₃@CoSnO₃⁃Co₃O₄	Microsphere	Spray drying	［26］
	Si@void@C/CNTs	Microsphere	Spray drying	［27］
	Sb@C	Microsphere	Spray drying	［28］
	Co₃O₄@NiCo₂O₄	Rhombic dodecahedron	Seed epitaxial growth	［29］
	Fe₂N@TiO₂@C	Submicrocube	Hard template	［30］
Single⁃yolk⁃muti⁃shell	Co₃O₄	Cube	Hydrothermal method	［31］
	Co₃O₄	Sphere	Hydrothermal method	［32］
	YDS⁃FCCNs	Nanospheres	Solvothermal method	［33］
	V₂O₃/C	Sphere	Sequential self⁃template	［34］
	Fe₃O₄⁃GC	Microsphere	Kirkendall diffusion	［35］
	NiO	—	Sequential templating approach	［36］
	Cobalt sulfide MSNBs	Nanobox	Ion⁃conversion⁃exchange	［37］
	m⁃Y⁃S Fe_1-_x S@C⁃3	Hexagonal nanosheet	Hard template	［38］
Muti⁃yolk⁃single⁃shell	SnO₂/Mn₂SnO₄@C	Nanobox	Hard template	［39］
	Co⁃NC@N⁃HCSs	Sphere	Hard template	［40］
	Fe₂O₃@N⁃PC/Mn₃O₄	Nanocapsule	Template method	［41］
	Bi₂Se₃@C	Sphere	Solvothermal method	［42］
	MnO₂@NCG	Honeycomb	Sol⁃gel	［43］
	Si@C@ZIF⁃67⁃800N	—	Sol⁃gel， MOF self⁃template	［44］
	ZnSe/2（CoSe₂）@NC	Hexahedron	Two⁃step method	［45］
	MYS⁃Co₄N@C/SeS₂	Cube	Chelation competition induced polymerization	［46］
	TiC@C@Graphene	Fiber	Electrospinning progress	［47］
	DCS⁃Si	Sphere	Chemical vapor deposition	［48］
Muti⁃yolk⁃muti⁃shell	M⁃cores@HoMS	Sphere	Hydrothermal method	［49］
	Sn NPs@NxC HoMS⁃DL	Sphere	In situ evolution of shell to core	［50］

Classification	Host material	S content，w（%）	Highest reversible capacity/（mA·h·g^-1）	Cycling performance		Ref.
Classification	Host material	S content，w（%）	Highest reversible capacity/（mA·h·g^-1）	Retention/（mA·h·g^-1）	Cycle	Ref.
Carbon⁃based composite	BCN@HCS	70.0	1075（at 0.2C）	700（at 1C）	500	［96］
	N⁃C NSs	70.0	879.4（at 0.1C）	616（at 1C）	500	［97］
	HPC@S⁃PANi	65.2	833.3（at 0.5 A/g）	650.2（at 1 A/g）	200	［98］
	NYSC	75.4	930（at 0.1C）	909（at 0.2C）	500	［99］
	GNC	60.0	1236（at 0.1C）	810（at 1C）	100	［100］
	rGO/N⁃YSHCS	70.0	826（at 0.1C）	800（at 0.2C）	100	［101］
Ploymer⁃based composite	RGO/PANI	67.0	—	690（at 0.1C）	70	［102］
	S@void@PPy	98.4	—	650（at 0.2 A/g）	200	［103］
Metal⁃based composite	MnO₂@NCG	80.0	1436（at 0.1C）	871.5（at 1C）	1000	［43］
	Co⁃VN@C	70.0	1379.2（at 0.1C）	602（at 1C）	300	［104］
	In₂O₃@C	84.0	1042.9（at 0.2C）	440.8（at 1C）	1000	［105］
	FeSe₂@C	82.0	1295（at 0.1C）	684（at 1C）	700	［83］
	S@void@TiO₂	72.4	1082（at 0.2C）	766（at 0.2C）	1000	［106］
	YS⁃ZnO	76.7	1355（at 0.5C）	1212（at 0.5C）	500	［107］
	V₂O₃⁃VN@NC	69.8	1220（at 0.1C）	618（at 1C）	800	［108］
	Fe₃O₄@void@C	66.5	1010（at 0.1C）	625（at 0.2C）	500	［109］
	Co⁃NC@N⁃HCSs	80.8	685.5（at 0.2C）	399.7（at 1C）	450	［40］
	Fe₂O₃@N⁃PC/Mn₃O₄	70.1	1319（at 0.2C）	1122（at 0.5C）	200	［41］
	Co@BNCNTs YS	75.1	950（at 0.2C）	700.2（at 1C）	400	［75］
	MoS₂/Ni₃S₂	64.7	1242.2（at 0.2C）	739（at 1C）	1000	［110］
	THC@CoSe₂	61.0	985.3（at 0.1C）	438.5（at 1C）	1000	［85］
	MnO₂@HCS	66.3	887（at 0.1C）	705（at 1C）	500	［111］
	rGO/VO₂	70.0	892.7（at 0.2C）	334.9（at 1C）	400	［112］
	TiO₂⁃CNFs@void@TiN@C	68.0	1103.5（at 0.5C）	675.8（at 1C）	1000	［77］
	Fe₂N@C	60.0	1361（at 0.1C）	734（at 1C）	600	［82］

Classification	Host material	S content，w（%）	Highest reversible capacity/（mA·h·g^-1）	Cycling performance		Ref.
Classification	Host material	S content，w（%）	Highest reversible capacity/（mA·h·g^-1）	Retention/（mA·h·g^-1）	Cycle	Ref.
Carbon⁃based composite	BCN@HCS	70.0	1075（at 0.2C）	700（at 1C）	500	［96］
	N⁃C NSs	70.0	879.4（at 0.1C）	616（at 1C）	500	［97］
	HPC@S⁃PANi	65.2	833.3（at 0.5 A/g）	650.2（at 1 A/g）	200	［98］
	NYSC	75.4	930（at 0.1C）	909（at 0.2C）	500	［99］
	GNC	60.0	1236（at 0.1C）	810（at 1C）	100	［100］
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Ploymer⁃based composite	RGO/PANI	67.0	—	690（at 0.1C）	70	［102］
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	Fe₂N@C	60.0	1361（at 0.1C）	734（at 1C）	600	［82］

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