(294d) Mn3O4 Nanoarray and Solid Electrolyte Interface Encapsulated Nanoarray Electrodes for High Performance Lithium Sulfur Battery

Mn₃O₄ nanoarray and solid electrolyte interface encapsulated nanoarray electrodes for high performance lithium sulfur battery

Junling Guo, Xiaolong Zhang, Xinyu Du, He Yang and Fengxiang Zhang

School of Petroleum and Chemical Engineering, Dalian University of Technology

2 Dagong Road, Liaodongwan New District, Panjin, China, 124221

Lithium–sulfur batteries (LSBs) are promising next generation technology to tackle the worldwide energy and environmental issues owing to their high theoretical energy density (2,500 kWkg^-1), low cost and environmental friendliness of sulfur as the active species at cathode. However, practical application of LSBs is restricted by its poor cycle life, which stems mainly from the “redox shuttle reactions” of dissolved polysulfides. Herein, we report a novel cathode structure based on nano-wall-array Mn₃O₄ which shows excellent cycle- and rate performance. The Mn₃O₄ nano-wall arrays function as “nano reservoirs” for sulfur confinement so that the cathode can yield a high-rate (2C) initial- (~593 mAh/g) and reversible capacity (~355 mAh/g, 60 % retention after 3000 cycles).  

To provide another possibility of suppressing polysulfide shuttle and further improve the cycle performance of LSB, we explore encapsulation of sulfur and electrolyte together in CNT array by the solid electrolyte interface (SEI), which could selectively sieve Li⁺ ions while efficiently avoiding polysulfide accumulation and suppressing undesired polysulfides migration. Our strategy is simple, straightforward and effective. It just needs cycling the carbon/sulfur cathode a few times within a potential window of 0.3-1.0 V to form such a smart SEI. The LSB assembled with such a cathode shows very good rate perforamcne (1275, 1081, 889 and 667 mAh g−1 at 0.2, 0.5, 1 and 2C, respectively), high Coulombic efficiency (~99 % after 4 cycles) and stable cycle performance (81.4 % capacity retention after 200 cycles for SEI wrapped electrode and 54.5% after 50 cycles for pristine cathode.