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Computational Screening Guiding the Development of a Covalent-Organic Framework-Based Gas Sensor for Early Detection of Lithium-Ion Battery Electrolyte Leakage

材料科学 电解质 泄漏(经济) 共价键 锂离子电池 电池(电) 锂(药物) 纳米技术 离子 无机化学 电极 有机化学 物理化学 化学 功率(物理) 经济 宏观经济学 内分泌学 物理 医学 量子力学
作者
Liangdan Zhao,Chunyi Yu,Xiaoyu Wu,Mingrui Zuo,Qian Zhang,Qiuchen Dong,Lifeng Ding
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:17 (6): 10108-10117 被引量:10
标识
DOI:10.1021/acsami.4c19321
摘要

This study presents a computationally guided approach for selecting covalent organic frameworks (COFs) for the selective detection of the trace ethylene carbonate (EC) vapor, a key indicator of electrolyte leakage from lithium-ion batteries (LIBs). High-throughput screening, employing grand canonical Monte Carlo (GCMC) simulation complemented by density functional theory (DFT) calculations, was used to identify potential COF candidates from the CURATED COF database. Among the screened materials, an imine COF functionalized with quaternary ammonium (QA) groups, named COF-QA-4, exhibited a high adsorption capacity (5.88 mmol/g) and selectivity of EC vapor. DFT analysis revealed strong molecular interactions driven by a partial charge transfer mechanism between EC and the COF-QA-4 framework, underpinning its superior adsorption properties. Experimental validation through chemiresistive gas sensors fabricated with COF-QA-4 demonstrated excellent sensitivity and reversibility to 1.15 ppmv of EC vapor, maintaining consistent performance over three response-recovery cycles. This work highlights the potential of computationally guided material discovery for advancing sensor technologies in LIB safety monitoring.
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