COF-グラフェン界面が拓く次世代リチウム硫黄電池 ―ポリスルフィドの閉じ込めと硫黄変換促進により高出力・長寿命化を実現―

2026-07-03 東北大学

東北大学、多元物質科学研究所を中心とする国際共同研究チームは、次世代蓄電池として期待されるリチウム硫黄(Li-S)電池の課題である「シャトル効果」を大幅に抑制する新しい機能性材料を開発した。研究では、テトラチアフルバレン(TTF)とクラウンエーテルを組み込んだ共有結合性有機構造体(COF)「TUS-44」を設計し、導電性グラフェンと複合化したTUS-44@Gをセパレーター中間層として導入した。TUS-44@Gは、可溶性リチウムポリスルフィドを化学的に捕捉すると同時に、硫黄の酸化還元反応を促進することで、高速充放電性能と長寿命化を両立した。その結果、2 A g⁻¹で1455.7 mAh g⁻¹、10 A g⁻¹でも773 mAh g⁻¹という高容量を示し、5 A g⁻¹では1000サイクル後も容量劣化率が1サイクル当たり0.034%という優れた耐久性を達成した。さらに、パウチセルで約674 Wh kg⁻¹の高エネルギー密度を実現し、実用化への可能性を示した。本成果は、高出力・長寿命のリチウム硫黄電池実現に向けた新たな材料設計指針を提供するもので、Small誌に掲載された。

COF-グラフェン界面が拓く次世代リチウム硫黄電池 ―ポリスルフィドの閉じ込めと硫黄変換促進により高出力・長寿命化を実現―
図1. TUS-44@G 機能界面層を備えたリチウム-硫黄(Li-S)電池の模式図。

<関連情報>

高レートリチウム硫黄電池向けテトラチアフルバレン-クラウンエーテルCOF@グラフェン層を介したポリ硫化物の固定化と硫黄変換速度の促進 Polysulfide Immobilization and Sulfur Conversion Kinetics Promotion via a Tetrathiafulvalene–Crown Ether COF@Graphene Layer for High-Rate Lithium–Sulfur Batteries

Kai Sun, Tsukasa Irie, Samim Reza, Kohki Sasaki, Mika Nozaki, Tokuhisa Kawawaki, Yujun Fu, Dequan Liu, Ranjit Thapa, Saikat Das, Deyan He, Yuichi Negishi
Small  Published: 16 June 2026
DOI:https://doi.org/10.1002/smll.74240

ABSTRACT

The rational design of conversion-kinetics-promoting framework architectures offers a powerful strategy to overcome the polysulfide shuttling and sluggish conversion kinetics that limit lithium–sulfur (Li–S) batteries. Here, we report a new covalent organic framework, TUS-44, constructed from tetrathiafulvalene-based 4,4′,4”,4”’-([2,2′-bi(1,3-dithiolylidene)]-4,4′,5,5′-tetrayl)tetraaniline and benzo[18]crown-6-derived 4,4′,4′′,4′′′-(6,7,9,10,17,18,20,21-octahydrodibenzo[b,k][1,4,7,10,13,16]hexaoxacyclooctadecine-2,3,13,14-tetrayl) tetrabenzaldehyde linkers. The resulting imine-linked, π-conjugated framework integrates heteroatom-rich coordination sites within an electron-delocalized π-conjugated backbone, establishing a hierarchical, site-specific interaction network (N > O > S) that governs Li+ coordination, polysulfide anchoring, and dynamic charge redistribution. When coupled with conductive graphene to form an interfacial TUS-44@G architecture, the hybrid layer functions as a chemisorptive, conversion-kinetics-promoting interface that regulates soluble polysulfides, facilitates interfacial charge-transfer, and stabilizes intermediate species throughout cycling. This synergistic chemical–electronic coupling yields remarkable electrochemical performance: a high reversible capacity of 1455.7 mA h g−1 at 0.2 A g−1, excellent rate capability of 773 mA h g−1 at 10 A g−1, and outstanding durability with 0.034% capacity fading per cycle over 1000 cycles at 5 A g−1. A Li–S pouch cell incorporating TUS-44@G further delivers an outstanding initial energy density of ∼674 Wh kg−1 at 0.05 A g−1 (sulfur loading 44.558 mg), underscoring the practical potential of architecting conversion-catalytic framework interfaces for high-energy, durable Li–S batteries.

0402電気応用
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