Catalisadores de átomo único com grupos metal-nitrogênio suportados em carbono apresentam grande potencial no campo das baterias de lítio-enxofre, pois podem melhorar a cinética de oxirredução e suprimir a dissolução de polissulfetos de lítio. No entanto, para liberar todo o seu potencial, é necessário otimizar a estrutura do substrato de carbono e controlar o ambiente de coordenação do catalisador.
A equipe de pesquisa liderada pelos professores associados Park Seung-geun, do Departamento de Engenharia de Materiais Avançados, e Nam In-ho, do Departamento de Engenharia Química da Universidade Central, desenvolveu com sucesso uma estrutura dupla de nanofibras de carbono hierarquicamente porosas derivadas de estruturas metal-orgânicas (MOFs), combinadas com catalisadores de cobalto de átomo único em baixa coordenação, para uso em baterias de lítio-enxofre de alto desempenho. Os resultados foram publicados em 24 de setembro de 2025 na revista Advanced Fiber Materials.
Segundo o professor Park, o grupo busca resolver os desafios fundamentais dos materiais para sistemas de armazenamento de energia da próxima geração. As baterias de íon-lítio já estão próximas do limite de densidade de energia, enquanto as baterias de lítio-enxofre oferecem maior capacidade teórica e densidade energética, mas sofrem com problemas como o efeito “shuttle” dos polissulfetos.
Nesta pesquisa, átomos individuais de cobalto foram incorporados em uma rede de nanofibras de carbono porosas com um ambiente de baixa coordenação N₃, o que melhora a adsorção de polissulfetos de lítio, acelera as reações de oxirredução, reduz o efeito shuttle e melhora a cinética geral. A estratégia de engenharia em dupla camada combina a estrutura hierárquica das nanofibras de carbono, que garante estabilidade mecânica, com sítios catalíticos de cobalto dispersos atomicamente na configuração N₃, promovendo a conversão catalítica dos polissulfetos. O design sinérgico permitiu que as baterias mantivessem alta capacidade e excelente desempenho em ciclos prolongados.
A longo prazo, essa conquista pode impulsionar o desenvolvimento de baterias de lítio-enxofre de alto desempenho, aplicáveis em veículos elétricos de longa autonomia, sistemas de armazenamento de energia renovável em larga escala, além de fontes portáteis e vestíveis.
O professor Nam destacou que o material é autoportante, livre de ligantes e altamente flexível, podendo ser usado diretamente como camada intermediária em baterias pouch. Mesmo quando dobrado, mantém sua integridade mecânica e é capaz de alimentar pequenos dispositivos. Esses avanços representam baterias mais seguras e eficientes, que aceleram a transição para energias limpas, reduzem a dependência de matérias-primas críticas, diminuem custos e emissões de carbono.
