Siliciumanodes hebben grote aandacht getrokken in de batterijindustrie.Vergeleken metlithium-ion batterijenmet behulp van grafietanodes kunnen ze een 3-5 keer grotere capaciteit bieden.Door de grotere capaciteit gaat de batterij na elke oplaadbeurt langer mee, wat de rijafstand van elektrische voertuigen aanzienlijk kan verlengen.Hoewel silicium overvloedig en goedkoop is, zijn de laad-ontlaadcycli van Si-anodes beperkt.Tijdens elke laad-ontlaadcyclus zal hun volume enorm toenemen en zelfs hun capaciteit afnemen, wat zal leiden tot het breken van de elektrodedeeltjes of het delamineren van de elektrodefilm.

Het KAIST-team, onder leiding van professor Jang Wook Choi en professor Ali Coskun, rapporteerde op 20 juli een moleculaire katrolkleefstof voor lithiumionbatterijen met grote capaciteit en siliciumanodes.

Het KAIST-team integreerde moleculaire katrollen (polyrotaxanen genoemd) in batterij-elektrodebinders, inclusief het toevoegen van polymeren aan de batterij-elektroden om de elektroden aan metalen substraten te bevestigen.De ringen in polyrotaan worden in het polymeerskelet geschroefd en kunnen vrij langs het skelet bewegen.

De ringen in polyrotaan kunnen vrij bewegen met de volumeverandering van siliciumdeeltjes.Het slippen van ringen kan effectief de vorm van siliciumdeeltjes behouden, zodat ze niet zullen desintegreren tijdens het continue volumeveranderingsproces.Het is opmerkelijk dat zelfs gebroken siliciumdeeltjes coalescent kunnen blijven vanwege de hoge elasticiteit van polyrotaankleefstoffen.De functie van de nieuwe lijmen staat in schril contrast met die van de bestaande lijmen (meestal eenvoudige lineaire polymeren).De bestaande lijmen hebben een beperkte elasticiteit en kunnen daarom de deeltjesvorm niet stevig behouden.Eerdere lijmen kunnen verpletterde deeltjes verspreiden en de capaciteit van siliciumelektroden verminderen of zelfs verliezen.

De auteur is van mening dat dit een uitstekende demonstratie is van het belang van fundamenteel onderzoek.Polyrotaxane won vorig jaar de Nobelprijs voor het concept van ‘mechanische bindingen’.“Mechanische binding” is een nieuw gedefinieerd concept dat kan worden toegevoegd aan klassieke chemische bindingen, zoals covalente bindingen, ionische bindingen, coördinatiebindingen en metaalbindingen.Fundamenteel langetermijnonderzoek pakt de al lang bestaande uitdagingen van de batterijtechnologie geleidelijk aan, in een onverwacht tempo.De auteurs vermeldden ook dat ze momenteel samenwerken met een grote batterijfabrikant om hun moleculaire katrollen te integreren in daadwerkelijke batterijproducten.

Sir Fraser Stoddart, winnaar van de Noble Laureate Chemistry Award 2006 aan de Northwestern University, voegde hieraan toe: “Mechanische bindingen hebben zich voor het eerst hersteld in een omgeving voor energieopslag.Het KAIST-team maakte vakkundig gebruik van mechanische bindmiddelen in sleepring-polyrotaxanen en gefunctionaliseerde alfa-cyclodextrine-spiraalpolyethyleenglycol, wat een doorbraak betekende in de prestaties van lithium-ionbatterijen op de markt, wanneer katrolvormige aggregaten met mechanische bindmiddelen.Compounds vervangen conventionele materialen met slechts één chemische binding, wat een aanzienlijke impact zal hebben op de eigenschappen van materialen en apparatuur.