Кремниевые аноды привлекли большое внимание в аккумуляторной промышленности. По сравнению слитий-ионные батареиИспользование графитовых анодов позволяет получить в 3-5 раз большую емкость. Большая емкость означает, что батарея будет работать дольше после каждой зарядки, что может значительно увеличить дальность хода электромобилей. Хотя кремний является распространенным и дешевым материалом, циклы зарядки-разрядки кремниевых анодов ограничены. В течение каждого цикла зарядки-разрядки их объем значительно увеличивается, и даже их емкость снижается, что приводит к разрушению частиц электрода или расслоению электродной пленки.

Группа исследователей из KAIST под руководством профессоров Чан Ук Чоя и Али Коскуна 20 июля сообщила о разработке молекулярного клея для шкивов, предназначенного для литий-ионных батарей большой емкости с кремниевыми анодами.

Команда KAIST интегрировала молекулярные шкивы (называемые полиротаксанами) в связующие вещества для электродов батарей, в том числе добавляя полимеры к электродам батарей для их крепления к металлическим подложкам. Кольца в полиротане ввинчиваются в полимерный каркас и могут свободно перемещаться вдоль него.

Кольца в полиротане могут свободно перемещаться при изменении объема частиц кремния. Скольжение колец эффективно поддерживает форму частиц кремния, предотвращая их разрушение в процессе непрерывного изменения объема. Примечательно, что даже измельченные частицы кремния могут оставаться слитыми благодаря высокой эластичности полиротановых клеев. Функциональность новых клеев резко контрастирует с функциональностью существующих клеев (обычно это простые линейные полимеры). Существующие клеи обладают ограниченной эластичностью и поэтому не могут прочно поддерживать форму частиц. Предыдущие клеи могут рассеивать измельченные частицы и снижать или даже полностью терять емкость кремниевых электродов.

Автор считает, что это превосходная демонстрация важности фундаментальных исследований. Полиротаксан получил Нобелевскую премию в прошлом году за концепцию «механических связей». «Механическая связь» — это недавно разработанное понятие, которое можно добавить к классическим химическим связям, таким как ковалентные связи, ионные связи, координационные связи и связи с металлами. Долгосрочные фундаментальные исследования постепенно, с неожиданной скоростью, решают давние проблемы аккумуляторных технологий. Авторы также упомянули, что в настоящее время они работают с крупным производителем аккумуляторов над интеграцией их молекулярных шкивов в реальные аккумуляторные продукты.

Сэр Фрейзер Стоддарт, лауреат Нобелевской премии по химии 2006 года от Северо-Западного университета, добавил: «Впервые в условиях хранения энергии удалось восстановить механические связи. Команда KAIST умело использовала механические связующие в полиротаксанах со скользящими кольцами и функционализированном спиральном полиэтиленгликоле на основе альфа-циклодекстрина, что ознаменовало прорыв в характеристиках литий-ионных батарей, представленных на рынке, благодаря использованию шкивообразных агрегатов с механическими связующими. Эти соединения заменяют традиционные материалы, содержащие всего одну химическую связь, что окажет существенное влияние на свойства материалов и оборудования».