Os ânodos de silício estão recebendo muita atenção da comunidade de baterias. Eles podem fornecer capacidade cerca de três a cinco vezes maior em comparação com aqueles que usam ânodos de grafite atuais em baterias de íon de lítio. Uma capacidade maior significa maior uso da bateria por carga, o que é particularmente crítico para aumentar a quilometragem de veículos totalmente elétricos. Embora o silício seja abundante e barato, Os ânodos de Si têm um número de ciclo de carga-descarga limitado, que é normalmente menos de 100 vezes com tamanhos de micropartículas. Seu volume se expande enormemente durante cada ciclo de carga-descarga, levando a fraturas das partículas do eletrodo ou delaminação do filme do eletrodo igualmente, mesmo em decadência de sua capacidade.

Uma equipe de pesquisa KAIST liderada pelos professores Jang Wook Choi e Ali Coskun relatou um aglutinante de polia molecular para ânodos de silício de alta capacidade de baterias de íon de lítio em Ciência em 20 de julho.

A equipe KAIST integrou roldanas moleculares, chamados polirrotaxanos, em um aglutinante de eletrodo de bateria, um polímero incluído em eletrodos de bateria para fixar os eletrodos em substratos metálicos. Em um polirrotaxano, os anéis são rosqueados em um backbone de polímero e podem se mover livremente ao longo do backbone.

O movimento livre dos anéis em polirrotaxanos pode acompanhar as mudanças de volume das partículas de silício. O movimento deslizante dos anéis pode reter com eficiência as partículas de Si sem desintegração durante sua mudança contínua de volume. É notável que mesmo as partículas de silício pulverizado podem permanecer coalescidas devido à alta elasticidade do ligante de polirrotaxano. A funcionalidade dos novos ligantes está em nítido contraste com os ligantes existentes (geralmente polímeros lineares simples) com elasticidade limitada, uma vez que os ligantes existentes não são capazes de reter partículas pulverizadas com firmeza. Os ligantes anteriores permitiam que as partículas pulverizadas se dispersassem, e o eletrodo de silício se degrada e perde sua capacidade.

Os autores observam, “Este é um bom exemplo da importância da pesquisa fundamental. O polirotaxano recebeu o Prêmio Nobel no ano passado com base no conceito de 'ligação mecânica'. Este é um conceito recém-identificado, e pode ser adicionado a ligações químicas clássicas em química, como covalente, iônico, coordenação e ligações metálicas. O longo estudo fundamental agora está se expandindo em uma direção inesperada que aborda desafios de longa data na tecnologia de baterias. "

Os autores também mencionam que estão atualmente trabalhando com um grande fabricante de baterias para que suas polias moleculares sejam integradas a produtos de baterias reais.

Sir Fraser Stoddart da Northwestern University, o Prêmio Nobel de Química de 2016, diz, "As ligações mecânicas vieram em socorro pela primeira vez em um contexto de armazenamento de energia. O uso engenhoso da equipe KAIST de ligações mecânicas em poliroxanos de anel deslizante - com base em polietilenoglicol rosqueado com anéis de alfa-ciclodextrina funcionalizados - marca um avanço no desempenho de baterias de íon de lítio comercializáveis. Este importante avanço tecnológico fornece ainda mais evidências de que, quando polímeros semelhantes a polias com ligações mecânicas deslocam materiais convencionais baseados apenas em ligações químicas, a influência única dessa ligação física nas propriedades dos materiais e no desempenho dos dispositivos pode ser profunda e transformadora. "