Polysulfide-Blocking Microporous Polymer Membrane Tailored for Hybrid Li-Sulfur Flow Batteries

Nano Letters

Volumn 15, Issue 9, 2015, Pages 5724-5729

  Li, Changyi ^a,b,c   Ward, Ashleigh L ^a,b   Doris, Sean E ^a,b,c   Pascal, Tod A ^b   Prendergast, David ^b   Helms, Brett A ^a,b  

^a Joint Center for Energy Storage Research ^*  (United States)

^b LAWRENCE BERKELEY NATIONAL LABORATORY   (United States)

^c UNIVERSITY OF CALIFORNIA   (United States)

Author keywords

electrochemical energy storage; ion selective membrane; lithium sulfur battery; Polymers of intrinsic microporosity; redox flow battery; size selective membrane

Indexed keywords

ELECTRIC BATTERIES; ELECTRODES; ENERGY STORAGE; FLOW BATTERIES; ION SELECTIVE MEMBRANES; IONS; LITHIUM; MEMBRANES; MICROPOROSITY; MOLECULAR DYNAMICS; POLYMER FILMS; POLYMERS; POLYSULFIDES; REDOX REACTIONS; SULFUR;

ELECTROCHEMICAL ENERGY STORAGE; LITHIUM SULFUR BATTERIES; POLYMERS OF INTRINSIC MICROPOROSITIES; REDOX FLOW BATTERIES; SIZE-SELECTIVE;

LITHIUM BATTERIES;

EID: 84941027566     PISSN: 15306984     EISSN: 15306992     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b02078     Document Type: Article

References (74)

1. Steele, B. C. H.; Heinzel, A. Nature 2001, 414, 345-532 10.1038/35104620
2. Kerres, J. A. J. Membr. Sci. 2001, 185, 3-27 10.1016/S0376-7388(00)00631-1
3. Borup, R.; Meyers, J.; Pivovar, B.; Kim, Y. S.; Mukundan, R.; Garland, N.; Myers, D.; Wilson, M.; Garzon, F.; Wood, D.; Zelenay, P.; More, K.; Stroh, K.; Zawodzinski, T.; Boncella, J.; McGrath, J. E.; Inaba, M.; Miyatake, K.; Hori, M.; Ota, K.; Ogumi, Z.; Nishikata, A.; Siroma, Z.; Uchimoto, Y.; Yasuda, K.; Kimijima, K.; Iwashita, N. Chem. Rev. 2007, 107, 3904-3951 10.1021/cr050182l
4. Skyllas-Kazacos, M.; Rychcik, M.; Robins, R. G.; Fane, A. G.; Green, M. A. J. Electrochem. Soc. 1986, 133, 1057-1058 10.1149/1.2108706
5. Lopez-Atalaya, M.; Codina, G.; Perez, J. R.; Vazquez, J. L.; Aldaz, A. J. Power Sources 1992, 39, 147-154 10.1016/0378-7753(92)80133-V
6. Fabjan, C.; Garche, J.; Harrer, B.; Jörissen, L.; Kolbeck, C.; Philippi, F.; Tomazic, G.; Wagner, F. Electrochim. Acta 2001, 47, 825-831 10.1016/S0013-4686(01)00763-0
7. Joerissen, L.; Garche, J.; Fabjan, C.; Tomazic, G. J. Power Sources 2004, 127, 98-104 10.1016/j.jpowsour.2003.09.066
8. Weber, A. Z.; Mench, M. M.; Meyers, J. P.; Ross, P. N.; Gostick, J. T.; Liu, Q. J. Appl. Electrochem. 2011, 41, 1137-1164 10.1007/s10800-011-0348-2
9. Dunn, B.; Kamath, H.; Tarascon, J.-M. Science 2011, 334, 928-935 10.1126/science.1212741
10. Wang, W.; Luo, Q.; Li, B.; Wei, X.; Li, L.; Yang, Z. Adv. Funct. Mater. 2013, 23, 970-986 10.1002/adfm.201200694
11. Huang, Q.; Wang, Q. ChemPlusChem 2015, 80, 312-322 10.1002/cplu.201402099
12. Arora, P.; Zhang, Z. Chem. Rev. 2004, 104, 4419-4462 10.1021/cr020738u
13. Huang, J.; Zhang, Q.; Peng, H.; Chen, C.; Wei, F. Energy Environ. Sci. 2014, 7, 347-353 10.1039/C3EE42223B
14. Bauer, I.; Thieme, S.; Bruckner, J.; Althues, H.; Kaskel, S. J. Power Sources 2014, 251, 417-422 10.1016/j.jpowsour.2013.11.090
15. Jin, Z.; Xie, K.; Hong, X.; Hu, Z.; Liu, X. J. Power Sources 2012, 218, 163-167 10.1016/j.jpowsour.2012.06.100
16. Thomas, A. Angew. Chem., Int. Ed. 2010, 49, 8328-8344 10.1002/anie.201000167
17. Caro, J.; Noack, M. Microporous Mesoporous Mater. 2008, 115, 215-233 10.1016/j.micromeso.2008.03.008
18. Yaghi, O. M.; OKeeffe, M.; Ockwig, N. W.; Chae, H. K.; Eddaoudi, M.; Kim, J. Nature 1999, 402, 276-279 10.1038/46248
19. Kitagawa, S.; Kitaura, R.; Noro, S. Angew. Chem., Int. Ed. 2004, 43, 2334-2375 10.1002/anie.200300610
20. Chung, T.-S.; Jiang, L. Y.; Li, Y.; Kulprathipanja, S. Prog. Polym. Sci. 2007, 32, 483-507 10.1016/j.progpolymsci.2007.01.008
21. Colson, J. W.; Dichtel, W. R. Nat. Chem. 2013, 5, 453-465 10.1038/nchem.1628
22. Martin, C. R.; Lakshmi, B. B.; Fisher, E. R.; Che, G. Nature 1998, 393, 346-349 10.1038/30694
23. Hinds, B. J.; Chopra, N.; Rantell, T.; Andrews, R.; Gavalas, V.; Bachas, L. G. Science 2004, 303, 62-65 10.1126/science.1092048
24. Geng, J.; Kim, K.; Zhang, J.; Escalada, A.; Tunuguntla, R.; Comolli, L. R.; Allen, F. I.; Shnyrova, A. V.; Cho, K. R.; Munoz, D.; Wang, Y. M.; Grigoropoulos, C. P.; Ajo-Franklin, C. M.; Frolov, V. A.; Noy, A. Nature 2014, 514, 612-615 10.1038/nature13817
25. Ghadiri, M. R.; Granja, J. R.; Buehler, L. K. Nature 1994, 369, 301-304 10.1038/369301a0
26. Xu, T.; Zhao, N.; Ren, F.; Hourani, R.; Lee, M. T.; Shu, J. Y.; Mao, S.; Helms, B. A. ACS Nano 2011, 5, 1376-1384 10.1021/nn103083t
27. Hourani, R.; Zhang, C.; van der Weegen, R.; Ruiz, L.; Li, C.; Keten, S.; Helms, B. A.; Xu, T. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 15296-15299 10.1021/ja2063082
28. McKeown, N. B.; Budd, P. M. Chem. Soc. Rev. 2006, 35, 675-683 10.1039/b600349d
29. Budd, P. M.; McKeown, N. B. Polym. Chem. 2010, 1, 63-68 10.1039/b9py00319c
30. Budd, P. M.; Ghanem, B. S.; Makhseed, S.; McKeown, N. B.; Msayib, K. J.; Tattershall, C. E. Chem. Commun. 2004, 230-231 10.1039/b311764b
31. Budd, P. M.; Msayib, K. J.; Tattershall, C. E.; Ghanem, B. S.; Reynolds, K. J.; McKeown, N. B.; Fritsch, D. J. Membr. Sci. 2005, 251, 263-269 10.1016/j.memsci.2005.01.009
32. Staiger, C. L.; Pas, S. J.; Hill, A. J.; Cornelius, C. J. Chem. Mater. 2008, 20, 2606-2608 10.1021/cm071722t
33. McKeown, N. B.; Budd, P. M. Macromolecules 2010, 43, 5163-5176 10.1021/ma1006396
34. Du, N.; Dal-Cin, M. M.; Pinnau, I.; Nicalek, A.; Robertson, G. P.; Guiver, M. D. Macromol. Rapid Commun. 2011, 32, 631-636 10.1002/marc.201000775
35. Heuchel, M.; Fritsch, D.; Budd, P. M.; McKeown, N. B.; Hofmann, D. J. Membr. Sci. 2008, 318, 84-99 10.1016/j.memsci.2008.02.038
36. Du, N.; Park, H. B.; Robertson, G. P.; Dal-Cin, M. M.; Visser, T.; Scoles, L.; Guiver, M. D. Nat. Mater. 2011, 10, 372-375 10.1038/nmat2989
37. Carta, M.; Malpass-Evans, R.; Croad, M.; Rogan, Y.; Jansen, J. C.; Bernardo, P.; Bazzarelli, F.; McKeown, N. B. Science 2013, 339, 303-307 10.1126/science.1228032
38. Shamsipur, H.; Dawood, B. A.; Budd, P. M.; Bernardo, P.; Clarizia, G.; Jansen, J. C. Macromolecules 2014, 47, 5595-5606 10.1021/ma5011183
39. Li, X.; Zhang, H.; Mai, Z.; Zhang, H.; Vankelecom, I. Energy Environ. Sci. 2011, 4, 1147-1160 10.1039/c0ee00770f
40. Gu, M.; Lee, J.; Kim, Y.; Kim, J. S.; Jang, B. Y.; Lee, K. T.; Kim, B.-S. RSC Adv. 2014, 4, 46940-46946 10.1039/C4RA09718A
41. Liu, Q.; Sleightholme, A. E. S.; Shinkle, A. A.; Li, Y.; Thompson, L. T. Electrochem. Commun. 2009, 11, 2312-2315 10.1016/j.elecom.2009.10.006
42. Duduta, M.; Ho, B.; Wood, V. C.; Limthongkul, P.; Brunini, V. E.; Carter, W. C.; Chiang, Y.-M. Adv. Energy Mater. 2011, 1, 511-516 10.1002/aenm.201100152
43. Leung, P.; Li, X.; Ponce de León, C.; Berlouis, L.; Low, C. T. J.; Walsh, F. C. RSC Adv. 2012, 2, 10125-10156 10.1039/c2ra21342g
44. Shin, S.-H.; Yun, S.-H.; Moon, S.-H. RSC Adv. 2013, 3, 9095-9116 10.1039/c3ra00115f
45. Huang, Q.; Li, H.; Grätzel, M.; Wang, Q. Phys. Chem. Chem. Phys. 2013, 15, 1793-1797 10.1039/C2CP44466F
46. Fan, F. Y.; Woodford, W. H.; Li, Z.; Baram, N.; Smith, K. C.; Helal, A.; McKinley, G. H.; Carter, W. C.; Chiang, Y.-M. Nano Lett. 2014, 14, 2210-2218 10.1021/nl500740t
47. Yang, Y.; Zheng, G.; Cui, Y. Energy Environ. Sci. 2013, 6, 1552-1558 10.1039/c3ee00072a
48. Rauh, R. D.; Abraham, K. M.; Pearson, G. F.; Surprenant, J. K.; Brummer, S. B. J. Electrochem. Soc. 1979, 126, 523-527 10.1149/1.2129079
49. Bruce, P. G.; Freunberger, S. A.; Hardwick, L. J.; Tarascon, J.-M. Nat. Mater. 2012, 11, 19-29 10.1038/nmat3191
50. Cuisinier, M.; Cabelguen, P.-E.; Evers, S.; He, G.; Kolbeck, M.; Garsuch, A.; Bolin, T.; Balasubramanian, M.; Nazar, L. F. J. Phys. Chem. Lett. 2013, 4, 3227-3232 10.1021/jz401763d
51. Barghamadi, M.; Kapoor, A.; Wen, C. J. Electrochem. Soc. 2013, 160, A1256-A1263 10.1149/2.096308jes
52. Assary, R. S.; Curtiss, L. A.; Moore, J. S. J. Phys. Chem. C 2014, 118, 11545-11558 10.1021/jp5015466
53. Vijayakumar, M.; Govind, N.; Walter, E.; Burton, S. D.; Shukla, A.; Devaraj, A.; Xiao, J.; Liu, J.; Wang, C.; Karima, A.; Thevuthasana, S. Phys. Chem. Chem. Phys. 2014, 16, 10923-10932 10.1039/c4cp00889h
54. Manthiram, A.; Fu, Y.; Chung, S.-H.; Zu, C.; Su, Y.-S. Chem. Rev. 2014, 114, 11751-11787 10.1021/cr500062v
55. Wu, H.-L.; Huff, L. A.; Gewirth, A. A. ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 1709-1719 10.1021/am5072942
56. Aurbach, D.; Pollak, E.; Elazari, R.; Salitra, G.; Kelley, C. S.; Affinito, J. J. Electrochem. Soc. 2009, 156, A694-A702 10.1149/1.3148721
57. Zhang, S. S. Electrochim. Acta 2012, 70, 344-348 10.1016/j.electacta.2012.03.081
58. Rosenman, A.; Elazari, R.; Salitra, G.; Markevich, E.; Aurbach, D.; Garsuch, A. J. Electrochem. Soc. 2015, 162, A470-A473 10.1149/2.0861503jes
59. Su, Y. S.; Manthiram, A. Nat. Commun. 2012, 3, 1166 10.1038/ncomms2163
60. Zhou, G.; Pei, S.; Li, L.; Wang, D.-W.; Wang, S.; Huang, K.; Yin, L.; Li, F.; Cheng, H.-M. Adv. Mater. 2014, 26, 625-631 10.1002/adma.201302877
61. Yao, H.; Yan, K.; Li, W.; Zheng, G.; Kong, D.; Seh, Z. W.; Narasimhan, V. K.; Liang, Z.; Cui, Y. Energy Environ. Sci. 2014, 7, 3381-3390 10.1039/C4EE01377H
62. Huang, J.; Zhuang, T.; Zhang, Q.; Peng, H.; Chen, C.; Wei, F. ACS Nano 2015, 9, 3002-3011 10.1021/nn507178a
63. Hart, C. J.; Cuisinier, M.; Liang, X.; Kundu, D.; Garsuch, A.; Nazar, L. F. Chem. Commun. 2015, 51, 2308-2311 10.1039/C4CC08980D
64. Pang, Q.; Kundu, D.; Cuisinier, M.; Nazar, L. F. Nat. Commun. 2014, 5, 4759 10.1038/ncomms5759
65. Tao, X.; Wang, J.; Ying, Z.; Cai, Q.; Zheng, G.; Gan, Y.; Huang, H.; Xia, Y.; Liang, C.; Zhang, W.; Cui, Y. Nano Lett. 2014, 14, 5288-5294 10.1021/nl502331f
66. Wang, Z.; Dong, Y.; Li, H.; Zhao, Z.; Bin Wu, H.; Hao, C.; Liu, S.; Qiu, J.; Lou, X. W. Nat. Commun. 2014, 5, 5002 10.1038/ncomms6002
67. Zhang, Q.; Wang, Y.; Seh, Z. W.; Fu, Z.; Zhang, R.; Cui, Y. Nano Lett. 2015, 15, 3780-3786 10.1021/acs.nanolett.5b00367
68. Henderson, W. A.; Brooks, N. R.; Young, V. G. Chem. Mater. 2003, 15, 4685-4690 10.1021/cm034352r
69. Henderson, W. A.; McKenna, F.; Khan, M. A.; Brooks, N. R.; Young, V. G.; Frech, R. Chem. Mater. 2005, 17, 2284-2289 10.1021/cm047881j
70. Pascal, T. A.; Wujcik, K. H.; Velasco-Velez, J.; Wu, C.; Teran, A. A.; Kapilashrami, M.; Cabana, J.; Guo, J.; Salmeron, M.; Balsara, N.; Prendergast, D. J. Phys. Chem. Lett. 2014, 5, 1547-1551 10.1021/jz500260s
71. Song, J.; Du, N.; Dai, Y.; Robertson, G. P.; Guiver, M. D.; Thomas, S.; Pinnau, I. Macromolecules 2008, 41, 7411-7417 10.1021/ma801000u
72. Budd, P. M.; Elabas, E. S.; Ghanem, B. S.; Makhseed, S.; McKeown, N. B.; Msayib, K. J.; Tattershall, C. E.; Wang, D. Adv. Mater. 2004, 16, 456-459 10.1002/adma.200306053
73. Choquette, Y.; Brisard, G.; Parent, M.; Brouillette, D.; Perron, G.; Desnoyers, J. E.; Armand, M.; Gravel, D.; Slougui, N. J. Electrochem. Soc. 1998, 145, 3500 10.1149/1.1838834
74. Chen, H.; Zou, Q.; Liang, Z.; Liu, H.; Li, Q.; Lu, Y. Nat. Commun. 2015, 6, 5877 10.1038/ncomms6877