Nový výzkum ukazuje, že vsazení jednotlivých atomů do speciálních dvourozměrných materiálů zvaných MXeny a jemné napínání jejich struktury mohou výrazně zrychlit chemické reakce a zastavit „bloudění“ polysulfidů, čímž lithium-sírové baterie získávají vyšší výkon a stabilitu.
Lithium-sírové (Li-S) baterie slibují revoluci v ukládání energie díky extrémně vysoké teoretické kapacitě a nízkým nákladům. Jejich praktické využití ale komplikují dva zásadní problémy: tzv. shuttle efekt, kdy se rozpuštěné polysulfidy pohybují mezi anodou a katodou, a pomalé chemické reakce při přeměně síry.
Nová studie vedená vědci z Číny, USA a IT4Innovations při VŠB-TUO ukazuje, že tyto překážky lze řešit kombinací dvou moderních přístupů: vsazením jednotlivých atomů (single atoms, SA) do sírou funkčních MXenů (S-MXenes) – dvourozměrných materiálů s vynikající elektrickou vodivostí a chemickou stabilitou – a využitím tzv. strain engineering, tedy jemného napínání nebo stlačování krystalové mřížky materiálu.
Díky pokročilým výpočtům založeným na kvantové mechanice a superpočítačům IT4Innovations tým identifikoval 73 vhodných kombinací S-MXenů. Nejlepší výsledky přineslo vsazení atomů niklu, mědi a zinku na specifická místa v MXenech. Gibbsova volná energie klíčového kroku reakce klesla až o 75 %, což překonává běžné grafenové katalyzátory.
Metafora pro srozumitelnou ilustraci
Představte si MXen jako rozlehlé město s širokými silnicemi, kde polysulfidy jsou auta, která se volně pohybují. Bez řízení auta narážejí, bloudí a způsobují chaos – to je shuttle efekt. Jednotlivé atomy vsazené do MXenu fungují jako chytří dopravní regulátoři: zastavují auta na správných místech, směrují je a urychlují jejich průjezd – tím kontrolují polysulfidy, zrychlují chemické reakce a brání jejich „úniku“ z města. Přidáním jemného napětí do struktury se silnice lehce upraví, takže regulátoři pracují ještě efektivněji – auta projíždějí hladce a rychle.
Mechanismus je fascinující: jednotlivé atomy mění rozložení elektronů na povrchu MXenu, optimalizují přilnavost mezi katalyzátorem a polysulfidy a narušují nevýhodné energetické vztahy mezi meziprodukty. Napětí v krystalové mřížce posouvá energetické hladiny kovových atomů a zvyšuje jejich chemickou afinitu k reakčním intermediátům.
Kromě toho tým vyvinul model strojového učení, který přesně předpovídá sílu vazby mezi polysulfidy a jednotlivými atomy na MXenech, což umožňuje cílený návrh nových katalyzátorů s vysokou účinností. Tyto objevy otevírají cestu k designu katodových materiálů, které kombinují vysokou elektrickou vodivost, efektivní zadržování polysulfidů a rychlé reakční kinetiky. Díky nim by Li-S baterie mohly dosáhnout dlouhodobé stability a vysoké kapacity – klíčového prvku pro energetiku budoucnosti. „Naše simulace ukazují, že i jeden atom může zásadně změnit chování celé katody. Kombinace atomové přesnosti a jemného napětí v materiálu otevírá zcela nové možnosti pro vývoj výkonných Li-S baterií,“ uzavírá Dominik Legut z IT4Innovations.
Tento výzkum spojuje materiálovou inovaci, atomovou přesnost a výpočetní sílu superpočítačů a ukazuje, že i jednotlivé atomy mohou zásadně změnit budoucnost baterií.
Odborný článek:
Rational Design of Highly Stable and Active Single-Atom Modified S-MXene as Cathode Catalysts for Li-S Batteries https://doi.org/10.1002/adma.202501523
Schéma znázorňuje reakci redukce síry a oxidace Li₂S na monovrstvě S-MXenu. Barvy představují jednotlivé prvky: červená = O, hnědá = C, růžová = H, oranžová = M, zelená = Li a fialová = jednotlivé atomy (SA).
* Obrázek převzat z článku: J. Sun, R. Yu, D. Legut, J. S. Francisco, R. Zhang, Rational Design of Highly Stable and Active Single-Atom Modified S-MXene as Cathode Catalysts for Li-S Batteries. Adv. Mater. 2025, 37, 2501523. https://doi.org/10.1002/adma.202501523, Fig. 1.