Catalisadores de átomo único contendo grupos metal-nitrogênio suportados em carbono tornaram-se um ponto focal de pesquisa na área devido à sua capacidade de aprimorar a cinética redox de baterias de lítio-enxofre e suprimir a dissolução de polissulfetos de lítio. No entanto, para explorar plenamente seu potencial, é necessário otimizar simultaneamente a estrutura do substrato de carbono e o ambiente de coordenação do catalisador. Uma equipe de pesquisa liderada pelo Professor Associado Seung-geun Park, do Departamento de Engenharia de Materiais Avançados, e pelo Professor Associado In-ho Nam, do Departamento de Engenharia Química da Universidade Chung-Ang, resolveu esse problema por meio de um projeto inovador. Eles construíram com sucesso uma estrutura hierárquica de bicamada de nanofibras de carbono porosas derivada de uma estrutura metalorgânica e incorporaram um catalisador de átomo único de cobalto com baixa coordenação, melhorando significativamente o desempenho das baterias de lítio-enxofre.
O Dr. Seung-geun Park destacou: “A densidade de energia das baterias de íon-lítio está se aproximando do seu limite, enquanto as baterias de lítio-enxofre, embora teoricamente possuam uma capacidade maior, são limitadas por problemas como o efeito de transporte de polissulfetos. Estamos empenhados em superar esses gargalos combinando a engenharia da estrutura da rede de carbono com o design de catalisadores em nível atômico.” A equipe de pesquisa incorporou um único átomo de cobalto no ambiente N₃ de baixa coordenação da rede de nanofibras de carbono porosas, aumentando a adsorção de polissulfetos de lítio e acelerando sua reação redox. Esse design mitiga o efeito de transporte, melhora a cinética geral e fornece uma nova abordagem para aprimorar o desempenho das baterias de lítio-enxofre. Do ponto de vista do design de materiais, a estratégia de engenharia de bicamadas combina uma estrutura hierárquica de nanofibras de carbono porosas com sítios de átomo único de cobalto dispersos atomicamente em uma configuração N₃ de baixa coordenação. As nanofibras de carbono proporcionam estabilidade mecânica e excelente molhabilidade do eletrólito, enquanto os sítios de cobalto catalisam a conversão de polissulfetos. Esse efeito sinérgico permite que a bateria mantenha alta capacidade e excelente desempenho de taxa de descarga após centenas de ciclos. O Dr. Nam In-ho enfatizou: "Nosso material é autossustentável, não necessita de aglutinantes e é altamente flexível, permitindo seu uso direto como camada intermediária em células tipo pouch, mantendo a integridade mecânica mesmo sob condições de flexão para alimentar pequenos dispositivos."
A longo prazo, espera-se que essa conquista impulsione o desenvolvimento de baterias de lítio-enxofre de alto desempenho e seja aplicada em áreas como veículos elétricos de longo alcance, sistemas de armazenamento de energia renovável em larga escala e dispositivos eletrônicos portáteis. Para a sociedade, baterias mais seguras e eficientes acelerarão a transição para energia limpa, reduzirão a dependência de matérias-primas essenciais, diminuirão custos e emissões de carbono e tornarão as tecnologias sustentáveis mais difundidas.
