Siliciumanodes hebben veel aandacht gekregen in de batterij-industrie. Vergeleken metlithium-ionbatterijenDoor grafietanodes te gebruiken, kunnen ze een 3 tot 5 keer grotere capaciteit leveren. De grotere capaciteit betekent dat de batterij langer meegaat na elke lading, wat de actieradius van elektrische voertuigen aanzienlijk kan vergroten. Hoewel silicium overvloedig en goedkoop is, is het aantal laad-ontlaadcycli van Si-anodes beperkt. Tijdens elke laad-ontlaadcyclus neemt hun volume sterk toe en neemt zelfs hun capaciteit af, wat kan leiden tot breuk van de elektrodedeeltjes of delaminatie van de elektrodefilm.

Het KAIST-team, onder leiding van professor Jang Wook Choi en professor Ali Coskun, publiceerde op 20 juli een rapport over een moleculaire katrollijm voor lithium-ionbatterijen met een hoge capaciteit en siliciumanodes.

Het KAIST-team integreerde moleculaire katrollen (polyrotaxanen genaamd) in bindmiddelen voor batterij-elektroden, waaronder het toevoegen van polymeren aan de batterij-elektroden om deze aan metalen substraten te bevestigen. De ringen in polyrotaan zijn in het polymeerskelet geschroefd en kunnen vrij langs het skelet bewegen.

De ringen in polyrotaan kunnen vrij meebewegen met de volumeverandering van de siliciumdeeltjes. Door het verschuiven van de ringen blijft de vorm van de siliciumdeeltjes behouden, waardoor ze niet uiteenvallen tijdens het continue volumeveranderingsproces. Opmerkelijk is dat zelfs verbrijzelde siliciumdeeltjes bij elkaar blijven dankzij de hoge elasticiteit van de polyrotaanlijm. De werking van de nieuwe lijm staat in scherp contrast met die van de bestaande lijmen (meestal eenvoudige lineaire polymeren). De bestaande lijmen hebben een beperkte elasticiteit en kunnen daardoor de deeltjesvorm niet stevig vasthouden. Eerdere lijmen kunnen verbrijzelde deeltjes verspreiden en de capaciteit van siliciumelektroden verminderen of zelfs volledig tenietdoen.

De auteur is van mening dat dit een uitstekende illustratie is van het belang van fundamenteel onderzoek. Polyrotaxaan 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. Langdurig fundamenteel onderzoek pakt de aloude uitdagingen van batterijtechnologie in een onverwacht tempo aan. De auteurs vermeldden ook dat ze momenteel samenwerken met een grote batterijfabrikant om hun moleculaire katrollen in daadwerkelijke batterijproducten te integreren.

Sir Fraser Stoddart, winnaar van de Nobelprijs voor Scheikunde in 2006 aan de Northwestern University, voegde eraan toe: "Mechanische bindingen hebben voor het eerst hun weg gevonden naar een energieopslagomgeving. Het KAIST-team gebruikte op vakkundige wijze mechanische bindmiddelen in slipring-polyrotaxanen en gefunctionaliseerd alfa-cyclodextrine-spiraalpolyethyleenglycol, wat een doorbraak betekent in de prestaties van lithium-ionbatterijen op de markt. Dit is bereikt door de katrolvormige aggregaten met mechanische bindmiddelen te gebruiken. Deze verbindingen vervangen conventionele materialen met slechts één chemische binding, wat een aanzienlijke impact zal hebben op de eigenschappen van materialen en apparatuur."