Les anodes en silicium ont attiré une grande attention dans l’industrie des batteries.Comparé àbatteries lithium-ionen utilisant des anodes en graphite, ils peuvent fournir une capacité 3 à 5 fois plus grande.La plus grande capacité signifie que la batterie durera plus longtemps après chaque charge, ce qui peut prolonger considérablement la distance de conduite des véhicules électriques.Bien que le silicium soit abondant et bon marché, les cycles de charge-décharge des anodes en Si sont limités.Au cours de chaque cycle de charge-décharge, leur volume augmentera considérablement et même leur capacité diminuera, ce qui entraînera la fracture des particules d'électrode ou le délaminage du film d'électrode.

L'équipe KAIST, dirigée par les professeurs Jang Wook Choi et Ali Coskun, a présenté le 20 juillet un adhésif moléculaire pour poulies destiné aux batteries lithium-ion de grande capacité avec anodes en silicium.

L’équipe KAIST a intégré des poulies moléculaires (appelées polyrotaxanes) dans des liants d’électrodes de batterie, notamment en ajoutant des polymères aux électrodes de batterie pour fixer les électrodes aux substrats métalliques.Les anneaux en polyrotane sont vissés dans le squelette polymère et peuvent se déplacer librement le long du squelette.

Les anneaux en polyrotane peuvent se déplacer librement avec le changement de volume des particules de silicium.Les anneaux coulissants peuvent efficacement conserver la forme des particules de silicium, de sorte qu'elles ne se désintègrent pas lors du processus continu de changement de volume.Il est à noter que même les particules de silicium broyées peuvent rester coalescentes en raison de la grande élasticité des adhésifs polyrotane.La fonction des nouveaux adhésifs contraste fortement avec celle des adhésifs existants (généralement de simples polymères linéaires).Les adhésifs existants ont une élasticité limitée et ne peuvent donc pas maintenir fermement la forme des particules.Les adhésifs antérieurs peuvent disperser les particules broyées et réduire, voire perdre, la capacité des électrodes de silicium.

L'auteur estime qu'il s'agit là d'une excellente démonstration de l'importance de la recherche fondamentale.Le polyrotaxane a remporté le prix Nobel l'année dernière pour son concept de « liaisons mécaniques ».La « liaison mécanique » est un concept nouvellement défini qui peut être ajouté aux liaisons chimiques classiques, telles que les liaisons covalentes, les liaisons ioniques, les liaisons de coordination et les liaisons métalliques.La recherche fondamentale à long terme aborde progressivement les défis de longue date de la technologie des batteries, à un rythme inattendu.Les auteurs ont également mentionné qu’ils travaillent actuellement avec un grand fabricant de batteries pour intégrer leurs poulies moléculaires dans de véritables produits de batteries.

Sir Fraser Stoddart, lauréat du prix Noble Laureate Chemistry Award 2006 à l'Université Northwestern, a ajouté : « Les liaisons mécaniques se sont rétablies pour la première fois dans un environnement de stockage d'énergie.L'équipe KAIST a habilement utilisé des liants mécaniques dans des polyrotaxanes à bagues collectrices et du polyéthylène glycol en spirale d'alpha-cyclodextrine fonctionnalisé, marquant une percée dans les performances des batteries lithium-ion sur le marché, lorsque des agrégats en forme de poulie avec des liants mécaniques.Les composés remplacent les matériaux conventionnels par une seule liaison chimique, ce qui aura un impact significatif sur les propriétés des matériaux et des équipements.