Las baterías de sodio-azufre han atraído una amplia atención debido a su alta densidad de energía teórica (1274 Wh kg⁻¹) y a la abundancia de los elementos sodio y azufre. Recientemente, el investigador Wang Hui y el investigador Zheng Fangcai del Centro de Campos Magnéticos Fuertes del Instituto de Hefei de la Academia China de Ciencias han logrado un avance en la investigación del rendimiento de catalizadores de metales de grupo principal para baterías de sodio-azufre. Propusieron una estrategia de regulación de la localización de carga en sitios monoatómicos de calcio (Ca) mediante ligandos N axiales, lo que mejora el rendimiento de reacción de las baterías de sodio-azufre. Los resultados de la investigación se publicaron en la revista internacional Nature Communications.

La visión tradicional considera que los metales de grupo principal, debido a su estructura electrónica de bandas s/p delocalizadas, carecen de actividad catalítica para las reacciones de baterías de sodio-azufre. Por lo tanto, regular el entorno de coordinación de los sitios de metales de grupo principal es clave para obtener catalizadores de alta actividad para baterías de sodio-azufre.

En respuesta a este problema científico, el equipo de investigación adoptó una estrategia de tratamiento térmico con amoníaco y preparó con éxito un catalizador monoatómico de Ca de alta actividad. Esta estrategia introduce átomos de coordinación N axiales en la estructura monoatómica plana Ca−O−C, regulando la estructura electrónica del orbital p del sitio monoatómico de Ca, fortaleciendo la interacción de hibridación de orbitales p-p entre el monoátomo de Ca y las especies de azufre, y revelando el mecanismo de adsorción-catalizador mejorado de polisulfuros de sodio por el monoátomo de Ca. La batería de sodio-azufre basada en este catalizador muestra un excelente rendimiento electroquímico: después de 100 ciclos a una densidad de corriente de 0,2 C, la capacidad de la batería aún se mantiene en 1211 mAh g⁻¹, y exhibe una excelente estabilidad cíclica.

Esta investigación no solo proporciona nuevas ideas para el diseño de catalizadores monoatómicos de metales de grupo principal para baterías de sodio-azufre, sino que también demuestra de manera convincente el papel clave de la regulación del entorno de coordinación monoatómico en la mejora de la actividad catalítica de los metales de grupo principal. Esta investigación fue financiada por el Plan Nacional de I+D Clave, el Fondo Nacional de Ciencias Naturales de China, el Fondo Provincial de Ciencias Naturales de Anhui, el Plan de Cultivo de Talentos Emergentes del Director del Instituto de Hefei, el Proyecto de Innovación Colaborativa del Centro Científico de Hefei de la Academia China de Ciencias, el Laboratorio Provincial de Campos Magnéticos Fuertes de Anhui, entre otros.