Los ánodos de silicio están recibiendo mucha atención por parte de la comunidad de baterías. Pueden ofrecer una capacidad de tres a cinco veces mayor en comparación con los que utilizan ánodos de grafito actuales en baterías de iones de litio. Una mayor capacidad significa un uso más prolongado de la batería por carga, lo cual es particularmente crítico para extender el kilometraje de conducción de vehículos totalmente eléctricos. Aunque el silicio es abundante y barato, Los ánodos de Si tienen un número de ciclo de carga-descarga limitado, que es típicamente menos de 100 veces con tamaños de micropartículas. Su volumen se expande enormemente durante cada ciclo de carga-descarga, conduciendo a fracturas de las partículas del electrodo o deslaminación de la película del electrodo igualmente, incluso en decadencia de su capacidad.

Un equipo de investigación de KAIST dirigido por los profesores Jang Wook Choi y Ali Coskun informó sobre un aglutinante de polea molecular para ánodos de silicio de alta capacidad de baterías de iones de litio en Ciencias el 20 de julio.

El equipo de KAIST integró poleas moleculares, llamados polirrotaxanos, en una carpeta de electrodos de batería, un polímero incluido en los electrodos de la batería para unir los electrodos a sustratos metálicos. En un polyrotaxano, los anillos se enroscan en una columna vertebral de polímero y pueden moverse libremente a lo largo de la columna vertebral.

El movimiento libre de los anillos en los polirotaxanos puede seguir los cambios de volumen de las partículas de silicio. El movimiento de deslizamiento de los anillos puede retener de manera eficiente las partículas de Si sin desintegrarse durante su cambio continuo de volumen. Es notable que incluso las partículas de silicio pulverizado pueden permanecer coalescentes debido a la alta elasticidad del aglutinante de polirrotaxano. La funcionalidad de los nuevos aglutinantes contrasta claramente con los aglutinantes existentes (generalmente polímeros lineales simples) con elasticidad limitada. ya que los aglutinantes existentes no son capaces de sujetar firmemente las partículas pulverizadas. Los aglutinantes anteriores permitían que las partículas pulverizadas se dispersaran, y así el electrodo de silicio se degrada y pierde su capacidad.

Los autores señalan, “Este es un buen ejemplo de la importancia de la investigación fundamental. Polyrotaxane recibió el Premio Nobel el año pasado basado en el concepto de un 'enlace mecánico'. Este es un concepto recientemente identificado, y se puede agregar a los enlaces químicos clásicos en química, como covalente, iónico, coordinación y enlaces metálicos. El largo estudio fundamental ahora se está expandiendo en una dirección inesperada que aborda los desafíos de larga data en la tecnología de baterías ".

Los autores también mencionan que actualmente están trabajando con un importante fabricante de baterías para integrar sus poleas moleculares en productos de baterías reales.

Sir Fraser Stoddart de la Universidad Northwestern, el Premio Nobel de Química 2016, dice, "Los enlaces mecánicos han venido al rescate por primera vez en un contexto de almacenamiento de energía. El ingenioso uso del equipo de KAIST de enlaces mecánicos en polirrotaxanos de anillo deslizante, basados ​​en polietilenglicol roscado con anillos de alfa-ciclodextrina funcionalizados, marca un gran avance en el rendimiento de baterías de iones de litio comercializables. Este importante avance tecnológico proporciona aún más pruebas de que cuando los polímeros similares a poleas que llevan enlaces mecánicos desplazan a los materiales convencionales basados ​​únicamente en enlaces químicos, la influencia única de este vínculo físico sobre las propiedades de los materiales y el rendimiento de los dispositivos puede ser profunda y revolucionaria ".