Siliziumanoden haben in der Batterieindustrie große Aufmerksamkeit erregt.Im Vergleich zuLithium-Ionen-BatterienDurch die Verwendung von Graphitanoden können sie eine drei- bis fünfmal größere Kapazität bereitstellen.Die größere Kapazität bedeutet, dass die Batterie nach jeder Ladung länger hält, was die Fahrstrecke von Elektrofahrzeugen deutlich verlängern kann.Obwohl Silizium reichlich vorhanden und billig ist, sind die Lade-Entlade-Zyklen von Si-Anoden begrenzt.Bei jedem Lade-Entlade-Zyklus vergrößert sich ihr Volumen stark und sogar ihre Kapazität nimmt ab, was zum Bruch der Elektrodenpartikel oder zur Delaminierung des Elektrodenfilms führt.

Das KAIST-Team unter der Leitung von Professor Jang Wook Choi und Professor Ali Coskun berichtete am 20. Juli über einen molekularen Riemenscheibenkleber für Lithium-Ionen-Batterien mit großer Kapazität und Siliziumanoden.

Das KAIST-Team integrierte molekulare Riemenscheiben (sogenannte Polyrotaxane) in Batterieelektrodenbindemittel und fügte den Batterieelektroden unter anderem Polymere hinzu, um die Elektroden an Metallsubstraten zu befestigen.Die Ringe aus Polyrotan werden in das Polymerskelett eingeschraubt und können sich entlang des Skeletts frei bewegen.

Die Ringe aus Polyrotan können sich bei der Volumenänderung der Siliziumpartikel frei bewegen.Das Gleiten von Ringen kann die Form von Siliziumpartikeln effektiv beibehalten, so dass diese bei der kontinuierlichen Volumenänderung nicht zerfallen.Bemerkenswert ist, dass selbst zerkleinerte Siliziumpartikel aufgrund der hohen Elastizität von Polyrotan-Klebstoffen zusammenwachsen können.Die Funktion der neuen Klebstoffe steht in krassem Gegensatz zu der der bestehenden Klebstoffe (meist einfache lineare Polymere).Die vorhandenen Klebstoffe haben eine begrenzte Elastizität und können daher die Partikelform nicht festhalten.Bisherige Klebstoffe können zerkleinerte Partikel verstreuen und die Kapazität von Siliziumelektroden verringern oder sogar verlieren.

Der Autor ist der Ansicht, dass dies ein hervorragender Beweis für die Bedeutung der Grundlagenforschung ist.Polyrotaxan erhielt letztes Jahr den Nobelpreis für das Konzept der „mechanischen Bindungen“.„Mechanische Bindung“ ist ein neu definiertes Konzept, das zu klassischen chemischen Bindungen wie kovalenten Bindungen, Ionenbindungen, Koordinationsbindungen und Metallbindungen hinzugefügt werden kann.Langfristige Grundlagenforschung befasst sich nach und nach in unerwartetem Tempo mit den seit langem bestehenden Herausforderungen der Batterietechnologie.Die Autoren erwähnten auch, dass sie derzeit mit einem großen Batteriehersteller zusammenarbeiten, um dessen molekulare Riemenscheiben in tatsächliche Batterieprodukte zu integrieren.

Sir Fraser Stoddart, Gewinner des Noble Laureate Chemistry Award 2006 an der Northwestern University, fügte hinzu: „Mechanische Bindungen haben sich zum ersten Mal in einer Energiespeicherumgebung erholt.Das KAIST-Team nutzte gekonnt mechanische Bindemittel in Schleifring-Polyrotaxanen und funktionalisiertem Alpha-Cyclodextrin-Spiral-Polyethylenglykol und markierte damit einen Durchbruch in der Leistung von Lithium-Ionen-Batterien auf dem Markt, als rollenförmige Aggregate mit mechanischen Bindemitteln hergestellt wurden.Verbindungen ersetzen herkömmliche Materialien mit nur einer chemischen Bindung, was erhebliche Auswirkungen auf die Eigenschaften von Materialien und Geräten haben wird.