Hierarchical assemblies of conjugated ultrathin COF nanosheets for high-sulfur-loading and long-lifespan lithium–sulfur batteries: Fully-exposed porphyrin matters

材料科学 硫黄 卟啉 纳米片 多孔性 化学工程 纳米技术 复合材料 冶金 有机化学 电极 工程类 化学 物理化学
作者
Xuanhe Hu,Junhua Jian,Zhengsong Fang,Linfeng Zhong,Zhongke Yuan,Meijia Yang,Shijie Ren,Qiang Zhang,Xudong Chen,Dingshan Yu
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier BV]
卷期号:22: 40-47 被引量:129
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2018.12.021
摘要

Covalent organic frameworks (COFs) are promising electrode materials for next-generation energy storage devices such as Li-S batteries. However, most existing COF materials are produced as microcrystalline powders with densely packed structure and microporous texture, which leads to sluggish ion diffusion, insufficient active site utilization or limited active material loading, constraining practical implementation. Herein, we report the first bottom-up synthesis of 3D hierarchical COF superstructures comprising porphyrin-rich conjugated ultrathin nanosheets, as a multiscale engineering solution to the above obstacles for fully demonstrating the potential of COFs in Li-S batteries. As-made superstructure features minimum nanosheet restacking, large accessible surface area with unique macro-meso-micro-porosity, which not only turns diffusion-dominated redox kinetics in conventional COFs into charge-transfer controlled process, but also renders sufficient utilization of inherent abundant active sites for maximizing the chemisorptions of polysulfides and boosting sulfur utilization. Importantly, COF superstructure can be used as an idea model to probe the specific role of active functional groups and fully exposed porphyrin is revealed to act as unique anchoring sites with strong chemical binding to polysulfides. Thus, COF superstructures, as a new polymeric host, endow Li-S battery with large capacity, excellent rate capability and superb cycling stability particularly at high sulfur content or loading.
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