A Radical-Cationic Covalent Organic Framework to Accelerate Polysulfide Conversion for Long-Durable Lithium–Sulfur Batteries

多硫化物 化学 阳离子聚合 硫黄 锂(药物) 共价键 无机化学 高分子化学 有机化学 电解质 电极 医学 内分泌学 物理化学
作者
Sijia Cao,Pouya Partovi‐Azar,Jin Yang,Dongjiu Xie,Timo Held,Gianluca Marcozzi,Joseph E. McPeak,Wei Zhang,Xia Zhang,Markus Osenberg,Zdravko Kochovski,Changxia Li,Daniel Sebastiani,Johannes Schmidt,Moritz Exner,Ingo Manke,Arne Thomas,Wenxi Wang,Yan Lü
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.5c09421
摘要

Covalent organic frameworks (COFs) have emerged as promising metal-free sulfur hosts to facilitate the conversion kinetics and suppress the shuttling effect of lithium polysulfides (LiPSs) in lithium-sulfur (Li-S) batteries. However, constructing COFs with stable and high electrocatalytic functionality for LiPS conversion remains unexplored. Herein, we develop a radical-cationic COF (R-TTF•+-COF) with superior electrical conductivity of 3.9 S m-1 at room temperature, which features both nucleophilic and electrophilic sites for effective LiPS chemisorption and conversion. With this novel radical-based catalyst, the Li-S battery achieves superior longevity of 1500 cycles with a capacity fading of 0.027% per cycle at a current density of 0.5 C. The capacity retention of the Li-S battery based on R-TTF•+-COF at the current density of 2.0 C is nearly twice as high compared to a COF without radicals. The crucial role of radical cations in catalyzing LiPS conversion has been systematically elucidated through solid-state nuclear magnetic resonance spectroscopy, electron paramagnetic resonance spectroscopy, and theoretical simulations, which verify the reversible interactions between LiPSs and [TTF]2•+ moieties. This intriguing radical-assisted mechanism opens a new avenue for designing efficient catalytic sulfur hosts using organic molecules, offering a significant step toward the practical application of Li-S batteries.
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