Kiselanoder får stor uppmärksamhet från batterigemenskapen. De kan leverera cirka tre till fem gånger högre kapacitet jämfört med de som använder nuvarande grafitanoder i litiumjonbatterier. En högre kapacitet innebär längre batterianvändning per laddning, vilket är särskilt viktigt för att utöka körsträckan för helelektriska fordon. Även om kisel är rikligt och billigt, Si-anoder har ett begränsat antal laddnings-urladdningscykel, vilket vanligtvis är mindre än 100 gånger med mikropartikelstorlekar. Deras volym expanderar enormt under varje laddnings-urladdningscykel, leder till brott på elektrodpartiklarna eller delaminering av elektrodfilmen lika mycket, även när dess kapacitet försämras.

En forskargrupp från KAIST ledd av professorerna Jang Wook Choi och Ali Coskun rapporterade ett molekylärt bindemedel för kiselanoder med hög kapacitet av litiumjonbatterier i Vetenskap den 20 juli.

KAIST-teamet integrerade molekylära remskivor, kallas polyrotaxaner, i en batterielektrodbindare, en polymer som ingår i batterielektroder för att fästa elektroderna på metalliska substrat. I en polyrotaxan, ringar är gängade i en polymerryggrad och kan röra sig fritt längs ryggraden.

Den fria rörligheten av ringarna i polyrotaxaner kan följa volymförändringarna hos kiselpartiklarna. Ringarnas glidande rörelse kan effektivt hålla Si-partiklar utan att sönderfalla under deras kontinuerliga volymförändring. Det är anmärkningsvärt att även pulveriserade kiselpartiklar kan förbli sammansmälta på grund av polyrotaxanbindemedlets höga elasticitet. Funktionaliteten hos de nya bindemedlen står i skarp kontrast till befintliga bindemedel (vanligtvis enkla linjära polymerer) med begränsad elasticitet, eftersom befintliga bindemedel inte kan hålla pulveriserade partiklar stadigt. Tidigare bindemedel tillät pulveriserade partiklar att spridas, och kiselelektroden försämras och förlorar sin kapacitet.

Författarna noterar, "Detta är ett bra exempel på vikten av grundforskning. Polyrotaxan fick Nobelpriset förra året baserat på konceptet "mekanisk bindning." Detta är ett nyligen identifierat koncept, och kan läggas till klassiska kemiska bindningar inom kemi, som kovalent, jonisk, koordination och metalliska bindningar. Den långa grundläggande studien expanderar nu i en oväntad riktning som tar itu med långvariga utmaningar inom batteriteknik."

Författarna nämner också att de för närvarande arbetar med en stor batteritillverkare för att få sina molekylära remskivor integrerade i riktiga batteriprodukter.

Sir Fraser Stoddart från Northwestern University, 2016 års nobelpristagare i kemi, säger, "Mekaniska bindningar har kommit till undsättning för första gången i ett energilagringssammanhang. KAIST-teamets geniala användning av mekaniska bindningar i polyrotaxaner med glidringar – baserade på polyetylenglykol gängad med funktionaliserade alfa-cyklodextrinringar – markerar ett genombrott i prestandan. av säljbara litiumjonbatterier. Detta viktiga tekniska framsteg ger ännu fler bevis på att när remskivaliknande polymerer som bär mekaniska bindningar tränger undan konventionella material baserade på enbart kemiska bindningar, det unika inflytandet av detta fysiska band på materialegenskaper och enheters prestanda kan vara djupgående och spelförändrande."