Catalisadores de átomo único contendo grupos metal-nitrogênio suportados em carbono apresentam grande potencial para baterias de lítio-enxofre. No entanto, para concretizar plenamente esse potencial, é necessário otimizar a estrutura do substrato de carbono e regular o ambiente de coordenação do catalisador. Uma equipe de pesquisa liderada pelos professores associados Seung-Keun Park e Inho Nam, do Departamento de Engenharia Química da Universidade Chung-Ang, obteve com sucesso uma estrutura bicamada de nanofibras de carbono porosas hierárquicas derivadas de estruturas metalorgânicas (MOFs). Essa estrutura, combinada com um catalisador de átomo único de cobalto de baixa coordenação, é utilizada em baterias de lítio-enxofre de alto desempenho. Os resultados foram publicados na revista *Advanced Fiber Materials* em 24 de setembro de 2025.
O Dr. Park afirmou que a equipe está dedicada a solucionar desafios fundamentais de materiais em sistemas de armazenamento de energia de próxima geração. Enquanto as baterias de íon-lítio estão se aproximando de seus limites de densidade de energia, as baterias de lítio-enxofre, apesar de sua alta capacidade e densidade de energia teóricas, são limitadas por problemas como o efeito de transporte de polissulfetos. A equipe superou esses obstáculos combinando a engenharia da estrutura da rede de carbono com o design de catalisadores em nível atômico. Esta pesquisa concentra-se na incorporação de átomos individuais de cobalto no ambiente N₃ de baixa coordenação de uma rede de nanofibras de carbono porosas. Isso aumenta a adsorção de polissulfetos de lítio, acelera as reações redox, mitiga o efeito de transporte de íons e melhora a cinética geral, corroborando a ideia de que o design racional de materiais, tanto em nível macroscópico quanto atômico, pode solucionar problemas complexos. Do ponto de vista dos materiais, a estratégia de engenharia de bicamadas combina uma estrutura hierárquica de nanofibras de carbono porosas com sítios de átomos individuais de cobalto dispersos atomicamente na configuração N₃ de baixa coordenação. As nanofibras de carbono proporcionam estabilidade mecânica, enquanto os sítios de cobalto catalisam a adsorção e a conversão de polissulfetos, permitindo que a bateria mantenha alta capacidade e excelente desempenho em altas taxas de carga/descarga após os ciclos.
A longo prazo, espera-se que esta pesquisa impulsione o desenvolvimento de baterias de lítio-enxofre de alto desempenho, aplicáveis a veículos elétricos com maior autonomia, sistemas de armazenamento de energia renovável em larga escala e fontes de alimentação para dispositivos eletrônicos portáteis e vestíveis. O Dr. Nan destacou que o material é autossustentável, não necessita de aglutinantes e é altamente flexível, tornando-o adequado como camada intermediária em baterias tipo pouch. Ele mantém a integridade mecânica mesmo quando dobrado e pode alimentar pequenos dispositivos. Para a sociedade, isso levará a baterias mais seguras e eficientes, acelerará a transição para energia limpa, reduzirá a dependência de matérias-primas essenciais, diminuirá custos, reduzirá as emissões de carbono e tornará as tecnologias sustentáveis mais difundidas.
