Siliziumanoden haben in der Batterieindustrie großes Interesse geweckt. Im Vergleich zuLithium-Ionen-BatterienDurch die Verwendung von Graphitanoden lässt sich die Kapazität um das 3- bis 5-Fache steigern. Die höhere Kapazität bedeutet eine längere Akkulaufzeit nach jeder Ladung, wodurch die Reichweite von Elektrofahrzeugen deutlich erhöht werden kann. Obwohl Silizium reichlich vorhanden und kostengünstig ist, ist die Anzahl der Lade-Entlade-Zyklen von Siliziumanoden begrenzt. Bei jedem Zyklus dehnt sich ihr Volumen stark aus, und ihre Kapazität nimmt sogar ab, was zum Bruch der Elektrodenpartikel oder zur Ablösung des Elektrodenfilms führen kann.

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

Das KAIST-Team integrierte molekulare Rollen (sogenannte Polyrotaxane) in Bindemittel für Batterieelektroden. Dazu wurden Polymere zu den Batterieelektroden hinzugefügt, um diese an Metallsubstraten zu befestigen. Die Ringe im Polyrotan sind in das Polymergerüst eingeschraubt und können sich frei entlang dieses Gerüsts bewegen.

Die Ringe im Polyrotan können sich mit der Volumenänderung der Siliziumpartikel frei bewegen. Durch diese Bewegung der Ringe wird die Form der Siliziumpartikel effektiv erhalten, sodass diese im kontinuierlichen Volumenänderungsprozess nicht zerfallen. Bemerkenswert ist, dass selbst zerkleinerte Siliziumpartikel aufgrund der hohen Elastizität der Polyrotan-Klebstoffe zusammenhalten können. Die Funktion der neuen Klebstoffe unterscheidet sich deutlich von der bisheriger Klebstoffe (üblicherweise einfache lineare Polymere). Herkömmliche Klebstoffe weisen eine begrenzte Elastizität auf und können daher die Partikelform nicht fest fixieren. Sie können zerkleinerte Partikel verstreuen und die Kapazität von Siliziumelektroden verringern oder sogar vollständig aufheben.

Der Autor ist überzeugt, dass dies ein hervorragendes Beispiel für die Bedeutung der Grundlagenforschung ist. Polyrotaxan wurde letztes Jahr für das Konzept der „mechanischen Bindungen“ mit dem Nobelpreis ausgezeichnet. „Mechanische Bindung“ ist ein neu definiertes Konzept, das zu den klassischen chemischen Bindungen wie kovalenten, ionischen, Koordinations- und Metallbindungen hinzugefügt werden kann. Langfristige Grundlagenforschung trägt in unerwartet schnellem Tempo dazu bei, die seit Langem bestehenden Herausforderungen der Batterietechnologie anzugehen. Die Autoren erwähnen zudem, dass sie derzeit mit einem großen Batteriehersteller zusammenarbeiten, um ihre molekularen Rollen in marktfähige Batterien zu integrieren.

Sir Fraser Stoddart, Nobelpreisträger für Chemie 2006 an der Northwestern University, fügte hinzu: „Mechanische Bindungen konnten erstmals in einem Energiespeicher wieder eingesetzt werden. Das Team des KAIST nutzte geschickt mechanische Bindemittel in Gleitring-Polyrotaxanen und funktionalisiertem Alpha-Cyclodextrin-Spiral-Polyethylenglykol. Dies markiert einen Durchbruch in der Leistungsfähigkeit von Lithium-Ionen-Batterien auf dem Markt, da rollenförmige Aggregate mit mechanischen Bindemitteln herkömmliche Materialien durch nur eine chemische Bindung ersetzen. Dies wird die Eigenschaften von Materialien und Anlagen maßgeblich beeinflussen.“