Phosphate‐functionalized Zirconium Metal–Organic Frameworks for Enhancing Lithium–Sulfur Battery Cycling

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作者
Bingqian Liu,Avery E. Baumann,Megan M. Butala,V. Sara Thoi
出处
期刊:Chemistry: A European Journal [Wiley]
卷期号:29 (40): e202300821-e202300821 被引量:20
标识
DOI:10.1002/chem.202300821
摘要

Lithium-sulfur batteries are promising candidates for next-generation energy storage devices due to their outstanding theoretical energy density. However, they suffer from low sulfur utilization and poor cyclability, greatly limiting their practical implementation. Herein, we adopted a phosphate-functionalized zirconium metal-organic framework (Zr-MOF) as a sulfur host. With their porous structure, remarkable electrochemical stability, and synthetic versatility, Zr-MOFs present great potential in preventing soluble polysulfides from leaching. Phosphate groups were introduced to the framework post-synthetically since they have shown a strong affinity towards lithium polysulfides and an ability to facilitate Li ion transport. The successful incorporation of phosphate in MOF-808 was demonstrated by a series of techniques including infrared spectroscopy, solid-state nuclear magnetic resonance spectroscopy, and X-ray pair distribution function analysis. When employed in batteries, phosphate-functionalized Zr-MOF (MOF-808-PO4) exhibits significantly enhanced sulfur utilization and ion diffusion compared to the parent framework, leading to higher capacity and rate capability. The improved capacity retention and inhibited self-discharge rate also demonstrate effective polysulfide encapsulation utilizing MOF-808-PO4. Furthermore, we explored their potential towards high-density batteries by examining the cycling performance at various sulfur loadings. Our approach to correlate structure with function using hybrid inorganic-organic materials offers new chemical design strategies for advancing battery materials.
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