Catalytic Fe-HHTP–Carbon Hybrids for Polysulfide Shuttle Suppression in Lithium–Sulfur Batteries

Abstract

Lithium–sulfur （Li–S） batteries are promising next-generation energy‐storage systems due to their high theoretical energy density, yet practical implementation is limited by polysulfide dissolution/shuttle and sluggish multi-step conversion kinetics. Here, we develop a conductive MOF–carbon hybrid sulfur host （CPF） by uniformly integrating a Fe–HHTP 2D conductive MOF with N-doped carbonized polypyrrole nanotube scaffolds, targeting chemisorption-driven polysulfide regulation and accelerated redox kinetics rather than pore‐confinement. Structural and compositional analyses confirm successful hybrid formation, while N2 sorption reveals an external-surface–dominant architecture, providing readily accessible interfacial sites. CPF exhibits stronger polysulfide uptake than carbon references in Li2S6 adsorption tests and shows Fe–Nx–related interfacial chemical environments by XPS. Electrochemically, CPF/S delivers enhanced reaction kinetics and reduced polarization, evidenced by scan-rate-dependent CV analysis, lower interfacial impedance after activation, and well-preserved charge/discharge plateaus over a wide current range. As a result, CPF/S demonstrates superior rate capability and markedly improved long-term cycling stability compared with CPNT/S and SP/S （e.g., 457 mAh g-1 after 300 cycles at 0.3 A g-1, and 393 mAh g-1 after 650 cycles at 1.0 A g-1 with ~100% coulombic efficiency）. These results highlight the effectiveness of Fe–HHTP–coupled N-doped carbon scaffolds in enabling accessible chemisorption/kinetic synergy for durable, high-rate Li–S cathodes.;리튬–황（Li–S） 전지는 높은 이론 에너지 밀도와 원재료의 풍부함으로 차세대 에너지저장 시스템의 유력한 후보로 주목받고 있으나, 충·방전 과정에서 발생하는 폴리설파이드의 용출 및 셔틀 현상과 더불어 다단계 전환 반응의 느린 반응 속도（kinetics）로 인해 실제 적용에 한계가 존재한다. 본 연구에서는 기공 내 물리적 가둠（confinement） 중심의 설계에서 벗어나, 화학적 흡착（chemisorption） 기반의 폴리설파이드 조절과 전환 반응 촉진을 동시에 달성하기 위한 전도성 MOF–탄소 하이브리드 황 호스트를 제안하였다. 이를 위해 N-도핑 탄화 폴리피롤 나노튜브（CPNT） 표면에 Fe–HHTP 기반 2D 전도성 MOF를 균일하게 결합한 CPF 복합체를 합성하였으며, 구조/조성 분석을 통해 복합체 형성을 확인하였다. 특히 N₂ 흡착 분석에서 CPF는 외부 표면 지배형 구조를 나타내, 반응 종이 접근 가능한 계면 활성점이 우세한 설계임을 뒷받침하였다. 또한 Li₂S6 흡착（UV–vis） 시험에서 CPF는 탄소 기반 비교군 대비 낮은 잔류 흡광도를 보여 폴리설파이드 제거 능력이 향상됨을 확인하였고, XPS 분석을 통해 Fe–Nₓ 관련 계면 화학환경 형성을 시사하였다. 전기화학 평가 결과, CPF/S 전극은 scan rate 의존 CV 및 EIS 분석에서 향상된 전하 전달 특성과 분극 완화를 보였으며, 고율 조건에서도 방전/충전 플래토가 유지되었다. 그 결과 CPF/S는 3.0 A g-1에서 약 423 mAh g⁻¹의 용량을 유지하고 0.3 A g-1복귀 시 유의미한 용량 회복을 나타내는 등 우수한 레이트 특성을 확보하여 장수명 사이클 안정성을 입증하였다. 종합적으로, 본 연구는 Fe–HHTP–결합 N-도핑 탄소 스캐폴드를 통해 접근 가능한 화학적 흡착/전환 kinetics 시너지를 구현함으로써, 고율·장수명 Li–S 양극을 위한 실효적 설계 전략을 제시한다.