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Hierarchically porous carbon as a sulfur host and an interlayer for high-performance lithium-sulfur batteries

多硫化物 硫黄 电解质 材料科学 多孔性 化学工程 碳纤维 阴极 储能 大孔隙 吸附 氧化还原 体积热力学 扩散 多孔介质 纳米技术 体积膨胀 自行车 工作(物理) 比表面积
作者
Tae Yeong Kim,Jae-Yeon Yoo,San Hee Moon,Dae Kyom Kim,Hye-Rim Ryu,J N Lee,Jungdon Suk,Do Youb Kim
出处
期刊:Journal of Power Sources [Elsevier BV]
卷期号:679: 240187-240187 被引量:1
标识
DOI:10.1016/j.jpowsour.2026.240187
摘要

Lithium–sulfur (Li–S) batteries are considered promising next-generation energy storage systems due to their high theoretical energy density and use of cost-effective active material. However, their practical applications are impeded by intrinsic issues such as sulfur's low electrical conductivity, severe volume change during cycling, and the polysulfide shuttle effect. In this study, hierarchically porous carbon (HPC) materials with interconnected meso- and macropores are developed and employed both as a sulfur host and a functional interlayer in Li–S batteries. Among the samples, HPC-3 exhibits a significantly high pore volume (4.16 cm 3 g −1 ) and large surface area (1918.3 m 2 g −1 ), enabling sulfur loadings of ≥80 wt% while retaining sufficient porosity for electrolyte access and volume buffering of sulfur during cycling. In Li–S cells, the S@HPC-3 cathode with uniform sulfur distribution shows enhanced redox kinetics, and effective polysulfide immobilization. Moreover, the application of an HPC-3 interlayer further inhibits polysulfide diffusion and reduces the internal resistance of the cell. The dual use of HPC-3 leads to synergistic improvements in cycling stability—particularly under high sulfur loading—and rate capability. This work demonstrates the importance of structural engineering of porous carbon materials and provides a comprehensive strategy for advancing high-performance Li–S batteries. • Interconnected meso/macroporous hierarchically porous carbons (HPCs) were developed. • The HPCs have large pore volumes that accommodate high sulfur loadings (≥80 wt%). • Well-developed pores in HPC-3 adsorb polysulfides, suppressing the shuttle effect. • Dual use of HPC-3 as host and interlayer provides synergistic cycling stability.
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