Fluorinated Covalent Organic Polymers for High Performance Sulfur Cathodes in Lithium–Sulfur Batteries

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作者
Hyuksoo Shin,Doyun Kim,Hyeon Jin Kim,Jiheon Kim,Kookheon Char,Cafer Tayyar Yavuz,Jang Wook Choi
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:31 (19): 7910-7921 被引量:91
标识
DOI:10.1021/acs.chemmater.9b01986
摘要

Lithium–sulfur (Li–S) batteries by far offer higher theoretical energy density than that of the commercial lithium-ion battery counterparts, but suffer predominantly from an irreversible shuttling process involving lithium polysulfides. Here, we report a fluorinated covalent organic polymer (F-COP) as a template for high performance sulfur cathodes in Li–S batteries. The fluorination allowed facile covalent attachment of sulfur to a porous polymer framework via nucleophilic aromatic substitution reaction (S N Ar), leading to high sulfur content, e.g., over 70 wt %. The F-COP framework was microporous with 72% of pores within three well-defined pore sizes, viz. 0.58, 1.19, and 1.68 nm, which effectively suppressed polysulfide dissolution via steric and electrostatic hindrance. As a result of the structural features of the F-COP, the resulting sulfur electrode exhibited high electrochemical performance of 1287.7 mAh g –1 at 0.05C, 96.4% initial Columbic efficiency, 70.3% capacity retention after 1000 cycles at 0.5C, and robust operation for a sulfur loading of up to 4.1 mg sulfur cm –2 . Our findings suggest the F-COP family with the adaptability of S N Ar chemistry and well-defined microporous structures as useful frameworks for highly sustainable sulfur electrodes in Li–S batteries.

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