Les catalyseurs à atomes uniques de groupes métal-azote supportés sur carbone présentent un énorme potentiel dans les batteries lithium-soufre, mais pour exploiter pleinement ce potentiel, il faut optimiser la structure du substrat carboné et réguler l’environnement de coordination du catalyseur. Les professeurs associés Park Seung-keun du département d’ingénierie des matériaux avancés et Nam Inho du département de génie chimique de l’Université centrale ont dirigé une équipe qui a réussi à structurer en double couche des nanofibres de carbone poreuses hiérarchiques dérivées de cadres organométalliques (MOF), combinées à des catalyseurs à atomes uniques de cobalt à faible coordination pour des batteries lithium-soufre haute performance.

Le Dr Park a déclaré que l’équipe s’efforce de résoudre les problèmes fondamentaux des matériaux pour les systèmes de stockage d’énergie de nouvelle génération. La densité énergétique des batteries lithium-ion approche de sa limite, tandis que les batteries lithium-soufre, bien que dotées d’une capacité et d’une densité énergétique théoriques élevées, sont limitées par l’effet navette des polysulfures. L’équipe a surmonté ces goulots d’étranglement en combinant l’ingénierie de la structure du squelette carboné et la conception de catalyseurs à l’échelle atomique. Cette étude met l’accent sur l’incorporation d’atomes uniques de cobalt dans un réseau de nanofibres de carbone poreuses à faible coordination N₃, renforçant l’adsorption des polysulfures de lithium, accélérant les réactions d’oxydo-réduction, atténuant l’effet navette et améliorant la cinétique globale. Cela soutient l’idée qu’une conception raisonnée des matériaux à l’échelle macro et atomique peut résoudre les problèmes. Du point de vue des matériaux, la stratégie d’ingénierie bilatérale combine la structure hiérarchique poreuse des nanofibres de carbone avec des sites d’atomes uniques de cobalt dispersés dans une configuration N₃ à faible coordination ; les nanofibres de carbone assurent la stabilité mécanique, tandis que les sites de cobalt catalysent l’adsorption et la conversion des polysulfures, permettant à la batterie de conserver une capacité élevée et d’excellentes performances en taux après de nombreux cycles.