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Nitrogen-Doped MOF-Derived Micropores Carbon as Immobilizer for Small Sulfur Molecules as a Cathode for Lithium Sulfur Batteries with Excellent Electrochemical Performance

材料科学 法拉第效率 阴极 硫黄 电化学 介孔材料 锂硫电池 化学工程 碳纤维 碳化 多硫化物 无机化学 电极 有机化学 催化作用 复合数 电解质 化学 复合材料 扫描电子显微镜 物理化学 工程类 冶金
作者
Zhaoqiang Li,Longwei Yin
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:7 (7): 4029-4038 被引量:231
标识
DOI:10.1021/am507660y
摘要

Nitrogen-doped carbon (NDC) spheres with abundant 22 nm mesopores and 0.5 nm micropores are obtained by directly carbonization of nitrogen-contained metal organic framework (MOF) nanocrystals. Large S8 and small S2-4 molecules are successfully infiltrated into 22 nm mesopores and 0.5 nm micropores, respectively. We successfully investigate the effect of sulfur immobilization in mesopores and micropores on the electrochemical performance of lithium-sulfur (Li-S) battery based on NDC-sulfur hybrid cathodes. The large S8 molecules in 22 nm mesopores can be removed by a prolonged heat treatment, with only small molecules of S2-4 immobilized in micropores of NDC matrices. The NDC/S2-4 hybrid exhibits excellent cycling performance, high Coulombic efficiency, and good rate capability as cathode for Li-S batteries. The confinement of smaller S2-4 molecules in the micropores of NDS efficiently avoids the loss of active sulfur and formation of soluble high-order Li polysulfides. The porous carbon can buffer the volume expansion and contraction changes, promising a stable structure for cathode. Furthermore, N doping in MOF-derived carbon not only facilitates the fast charge transfer but also is helpful in building a stronger interaction between carbon and sulfur, strengthening immobilization ability of S2-4 in micropores. The NDS-sulfur hybrid cathode exhibits a reversible capacity of 936.5 mAh g(-1) at 100th cycle with a Coulombic efficiency of 100% under a current density of 335 mA g(-1). It displays a superior rate capability performance, delivering a capacity of 632 mAh g(-1) at a high rate of 5 A g(-1). This uniquely porous NDC derived from MOF nanocrystals could be applied in related high-energy storage devices.
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