Conception rationnelle d'un hôte en cadre organométallique pour le stockage de soufre dans des batteries Li–S rapides et à long cycle

Contrairement à une cathode d'intercalation, qui possède une structure de support intrinsèque faite de sites métalliques redox permettant le transport de Li+/e−, le soufre, en tant que cathode de conversion, nécessite un hôte supplémentaire pour stocker et immobiliser les centres redox mobiles, les polysulfures. Les cadres organométalliques (MOFs) en tant que classe de matériaux cristallins hautement poreux et bien définis constituent une plateforme prometteuse pour rechercher un hôte efficace grâce à une conception rationnelle. Avec la sélection appropriée d'un électrolyte et d'une plage de tension de coupure, le soufre stocké dans un hôte MOF approprié peut tirer parti des cathodes d'intercalation (rapides et stables) et de conversion (haute densité d'énergie). Ici, nous décrivons une cathode rapide avec une longue durée de vie basée sur le soufre et des nanocristaux de ZIF-8. Avec un chargement de soufre de 30 % en poids dans l'électrode, elle atteint des capacités de décharge remarquables de 1055 mA h g−1 (sur la base du soufre) à 0,1 C et 710 mA h g−1 à 1 C. La dégradation sur 300 cycles à 0,5 C est de 0,08 % par cycle, ce qui est important dans les batteries Li–S à long cycle. En comparant avec trois autres MOFs distincts, MIL-53 (Al), NH2-MIL-53 (Al) et HKUST-1, ainsi que deux ensembles de ZIF-8 avec des tailles de particules dans la plage micrométrique, il est révélé que (i) la petite taille des particules de l'hôte MOF est appréciable pour atteindre une haute capacité et (ii) de petites ouvertures, associées à des fonctionnalités dans l'ossature ouverte qui ont une affinité avec les anions polysulfures, peuvent aider à atteindre un cycle stable. Nous croyons que les résultats sont généraux et applicables pour la conception rationnelle de nouveaux hôtes pour le soufre dans d'autres familles de matériaux poreux afin de produire des batteries Li–S plus efficaces et stables.