Batterigennembrud ved hjælp af 2016 Nobelpris-molekyle

Siliciumanoder får stor opmærksomhed fra batterisamfundet. De kan levere omkring tre til fem gange højere kapacitet sammenlignet med dem, der bruger nuværende grafitanoder i lithium-ion-batterier. En højere kapacitet betyder længere batteriforbrug pr. opladning, hvilket er særligt vigtigt i forbindelse med at forlænge køreafstanden for helt elektriske køretøjer. Selvom silicium er rigeligt og billigt, Si-anoder har et begrænset antal opladnings-afladningscyklus, hvilket typisk er mindre end 100 gange med mikropartikelstørrelser. Deres volumen udvider sig enormt under hver opladnings-afladningscyklus, fører til brud på elektrodepartiklerne eller delaminering af elektrodefilmen på samme måde, selv ved at forfalde dens kapacitet.

Et KAIST-forskerhold ledet af professorerne Jang Wook Choi og Ali Coskun rapporterede om en molekylær remskivebinder til højkapacitets siliciumanoder af lithium-ion-batterier i Videnskab den 20. juli.

KAIST-teamet integrerede molekylære remskiver, kaldet polyrotaxaner, ind i en batterielektrodebinder, en polymer inkluderet i batterielektroder til at fastgøre elektroderne på metalliske substrater. I en polyrotaxan, ringe er skruet ind i en polymer-rygrad og kan frit bevæge sig langs rygraden.

Den frie bevægelse af ringene i polyrotaxaner kan følge volumenændringerne af siliciumpartiklerne. Ringenes glidende bevægelse kan effektivt holde Si-partikler uden at gå i opløsning under deres kontinuerlige volumenændring. Det er bemærkelsesværdigt, at selv pulveriserede siliciumpartikler kan forblive sammensmeltede på grund af polyrotaxanbinderens høje elasticitet. Funktionaliteten af ​​de nye bindemidler står i skarp kontrast til eksisterende bindemidler (normalt simple lineære polymerer) med begrænset elasticitet, da eksisterende bindemidler ikke er i stand til at holde pulveriserede partikler fast. Tidligere bindemidler tillod pulveriserede partikler at sprede sig, og siliciumelektroden nedbrydes og mister sin kapacitet.

Forfatterne bemærker, "Dette er et godt eksempel på vigtigheden af ​​grundforskning. Polyrotaxane modtog Nobelprisen sidste år baseret på konceptet om en "mekanisk binding." Dette er et nyligt identificeret koncept, og kan føjes til klassiske kemiske bindinger i kemi, såsom kovalent, ionisk, koordination og metalliske bindinger. Den lange grundlæggende undersøgelse udvides nu i en uventet retning, der adresserer mangeårige udfordringer inden for batteriteknologi."

Forfatterne nævner også, at de i øjeblikket arbejder med en stor batteriproducent for at få deres molekylære remskiver integreret i rigtige batteriprodukter.

Sir Fraser Stoddart fra Northwestern University, 2016 noble prisvinder i kemi, siger, "Mekaniske bindinger er kommet til undsætning for første gang i en energilagringssammenhæng. KAIST-teamets geniale brug af mekaniske bindinger i polyrotaxaner med glidende ring – baseret på polyethylenglycol gevind med funktionaliserede alfa-cyclodextrinringe – markerer et gennembrud i ydeevnen af salgbare lithium-ion-batterier. Dette vigtige teknologiske fremskridt giver endnu flere beviser for, at når remskivelignende polymerer, der bærer mekaniske bindinger, fortrænger konventionelle materialer baseret på kemiske bindinger alene, den unikke indflydelse af dette fysiske bånd på materialernes egenskaber og enheders ydeevne kan være dybtgående og spilskiftende."