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One‐Pot Synthesis of High‐Capacity Sulfur Cathodes via In‐Situ Polymerization of a Porous Imine‐Based Polymer

  • AbstractLithium‐ion batteries, essential for electronics and electric vehicles, predominantly use cathodes made from critical materials like cobalt. Sulfur‐based cathodes, offering a high theoretical capacity of 1675 mAh g−1 and environmental advantages due to sulfur's abundance and lower toxicity, present a more sustainable alternative. However, state‐of‐the‐art sulfur‐based electrodes do not reach the theoretical capacities, mainly because conventional electrode production relies on mixing of components into weakly coordinated slurries. Consequently, sulfur‘s mobility leads to battery degradation—an effect known as the “sulfur‐shuttle”. This study introduces a solution by developing a microporous, covalently‐bonded, imine‐based polymer network grown in situ around sulfur particles on the current collector. The polymer network (i) enables selective transport of electrolyte and Li‐ions through pores of defined size, and (ii) acts as a robust host to retain the active component of theAbstractLithium‐ion batteries, essential for electronics and electric vehicles, predominantly use cathodes made from critical materials like cobalt. Sulfur‐based cathodes, offering a high theoretical capacity of 1675 mAh g−1 and environmental advantages due to sulfur's abundance and lower toxicity, present a more sustainable alternative. However, state‐of‐the‐art sulfur‐based electrodes do not reach the theoretical capacities, mainly because conventional electrode production relies on mixing of components into weakly coordinated slurries. Consequently, sulfur‘s mobility leads to battery degradation—an effect known as the “sulfur‐shuttle”. This study introduces a solution by developing a microporous, covalently‐bonded, imine‐based polymer network grown in situ around sulfur particles on the current collector. The polymer network (i) enables selective transport of electrolyte and Li‐ions through pores of defined size, and (ii) acts as a robust host to retain the active component of the electrode (sulfur species). The resulting cathode has superior rate performance from 0.1 C (1360 mAh g−1) to 3 C (807 mAh g−1). Demonstrating a high‐performance, sustainable sulfur cathode produced via a simple one‐pot process, our research underlines the potential of microporous polymers in addressing sulfur diffusion issues, paving the way for sulfur electrodes as viable alternatives to traditional metal‐based cathodes.zeige mehrzeige weniger

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Autor*innen:Guiping LiORCiD, Ye Liu, Thorsten Schultz, Moritz Exner, Ruslan Muydinov, Hui Wang, Kerstin Scheurell, Jieyang Huang, Paulina Szymoniak, Nicola Pinna, Norbert Koch, Philipp Adelhelm, Michael J. BojdysORCiD
Dokumenttyp:Zeitschriftenartikel
Veröffentlichungsform:Verlagsliteratur
Sprache:Englisch
Titel des übergeordneten Werkes (Englisch):Angewandte Chemie International Edition
Jahr der Erstveröffentlichung:2024
Organisationseinheit der BAM:6 Materialchemie
6 Materialchemie / 6.6 Physik und chemische Analytik der Polymere
Veröffentlichende Institution:Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Verlag:Wiley VHC-Verlag
Erste Seite:1
Letzte Seite:11
DDC-Klassifikation:Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften / Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften / Angewandte Physik
Freie Schlagwörter:In-situ polymerization; Sulfur cathodes
Themenfelder/Aktivitätsfelder der BAM:Energie
Energie / Elektrische Energiespeicher und -umwandlung
Material
Material / Materialdesign
DOI:10.1002/anie.202400382
URN:urn:nbn:de:kobv:b43-604215
ISSN:1433-7851
Verfügbarkeit des Dokuments:Datei für die Öffentlichkeit verfügbar ("Open Access")
Lizenz (Deutsch):License LogoCreative Commons - CC BY - Namensnennung 4.0 International
Datum der Freischaltung:26.06.2024
Referierte Publikation:Ja
Datum der Eintragung als referierte Publikation:26.06.2024
Schriftenreihen ohne Nummerierung:Wissenschaftliche Artikel der BAM
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