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MIL-53 Metal–Organic Framework as a flexible cathode for lithium-oxygen batteries

Authors :
Bernard Goetz
Yujie Zhang
Suzy Surblé
Ben Gikonyo
Vanessa Pimenta
Magali Gauthier
Eddy Foy
Christian Serre
Servane Coste Leconte
Hicham Khodja
Laboratoire d'Etudes des Eléments Légers (LEEL - UMR 3685)
Nanosciences et Innovation pour les Matériaux, la Biomédecine et l'Energie (ex SIS2M) (NIMBE UMR 3685)
Institut Rayonnement Matière de Saclay (IRAMIS)
Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Institut Rayonnement Matière de Saclay (IRAMIS)
Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC)
Laboratoire des Multimatériaux et Interfaces (LMI)
Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL)
Université de Lyon-Université de Lyon-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Institut des Matériaux Poreux de Paris (IMAP )
Département de Chimie - ENS Paris
École normale supérieure - Paris (ENS Paris)
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-École normale supérieure - Paris (ENS Paris)
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Ecole Superieure de Physique et de Chimie Industrielles de la Ville de Paris (ESPCI Paris)
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Laboratoire Archéomatériaux et Prévision de l'Altération (LAPA - UMR 3685)
Institut de Recherches sur les Archéomatériaux (IRAMAT)
Université d'Orléans (UO)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bordeaux Montaigne-Université de Technologie de Belfort-Montbeliard (UTBM)
Institut National des Sciences et Techniques Nucléaires (INSTN)
Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay
MOMENTOM project (IRS—Initiative de Recherche Stratégique, Université Paris-Saclay)
Paris Ile-de-France Region DIM 'Matériaux anciens et patrimoniaux'
Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut Rayonnement Matière de Saclay (IRAMIS)
Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
École normale supérieure - Paris (ENS-PSL)
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-École normale supérieure - Paris (ENS-PSL)
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Ecole Superieure de Physique et de Chimie Industrielles de la Ville de Paris (ESPCI Paris)
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Université de Technologie de Belfort-Montbeliard (UTBM)-Université d'Orléans (UO)-Université Bordeaux Montaigne (UBM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Source :
Materials, Materials, MDPI, 2021, 14 (16), pp.4618. ⟨10.3390/ma14164618⟩, Materials, Vol 14, Iss 4618, p 4618 (2021), Materials, 2021, 14 (16), pp.4618. ⟨10.3390/ma14164618⟩, Volume 14, Issue 16
Publication Year :
2021
Publisher :
HAL CCSD, 2021.

Abstract

Li-air batteries possess higher specific energies than the current Li-ion batteries. Major drawbacks of the air cathode include the sluggish kinetics of the oxygen reduction (OER), high overpotentials and pore clogging during discharge processes. Metal–Organic Frameworks (MOFs) appear as promising materials because of their high surface areas, tailorable pore sizes and catalytic centers. In this work, we propose to use, for the first time, aluminum terephthalate (well known as MIL-53) as a flexible air cathode for Li-O2 batteries. This compound was synthetized through hydrothermal and microwave-assisted routes, leading to different particle sizes with different aspect ratios. The electrochemical properties of both materials seem to be equivalent. Several behaviors are observed depending on the initial value of the first discharge capacity. When the first discharge capacity is higher, no OER occurs, leading to a fast decrease in the capacity during cycling. The nature and the morphology of the discharge products are investigated using ex situ analysis (XRD, SEM and XPS). For both MIL-53 materials, lithium peroxide Li2O2 is found as the main discharge product. A morphological evolution of the Li2O2 particles occurs upon cycling (stacked thin plates, toroids or pseudo-spheres).

Details

Language :
English
ISSN :
19961944
Database :
OpenAIRE
Journal :
Materials, Materials, MDPI, 2021, 14 (16), pp.4618. ⟨10.3390/ma14164618⟩, Materials, Vol 14, Iss 4618, p 4618 (2021), Materials, 2021, 14 (16), pp.4618. ⟨10.3390/ma14164618⟩, Volume 14, Issue 16
Accession number :
edsair.doi.dedup.....42aa2e27f9e84a0255322f2d56292c85