Les anodes en silicium ont suscité un vif intérêt dans l'industrie des batteries. Comparées àbatteries lithium-ionL'utilisation d'anodes en graphite permet d'obtenir une capacité 3 à 5 fois supérieure. Cette capacité accrue se traduit par une autonomie prolongée des véhicules électriques. Bien que le silicium soit abondant et bon marché, le nombre de cycles de charge-décharge des anodes en silicium est limité. À chaque cycle, leur volume augmente considérablement, voire leur capacité diminue, ce qui peut entraîner la rupture des particules d'électrode ou le décollement du film d'électrode.

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

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

Les anneaux du polyrotane peuvent se déplacer librement en fonction des variations de volume des particules de silicium. Le glissement de ces anneaux permet de maintenir efficacement la forme des particules, évitant ainsi leur désintégration lors des variations de volume continues. Il est à noter que même des particules de silicium broyées restent agglomérées grâce à la grande élasticité des adhésifs en polyrotane. Le fonctionnement de ces nouveaux adhésifs contraste fortement avec celui des adhésifs existants (généralement des polymères linéaires simples). Ces derniers, de par leur élasticité limitée, ne peuvent maintenir fermement la forme des particules. Ils peuvent disperser les particules broyées et réduire, voire annuler, la capacité des électrodes en silicium.

L'auteur estime que cela illustre parfaitement l'importance de la recherche fondamentale. Le polyrotaxane a reçu le prix Nobel l'an dernier pour le concept de « liaisons mécaniques ». Ce concept, récemment défini, s'ajoute aux liaisons chimiques classiques telles que les liaisons covalentes, ioniques, de coordination et métalliques. La recherche fondamentale, menée sur le long terme, permet de relever progressivement et à un rythme inattendu les défis de longue date posés par la technologie des batteries. Les auteurs précisent également qu'ils collaborent actuellement avec un grand fabricant de batteries afin d'intégrer leurs poulies moléculaires dans des produits finis.

Sir Fraser Stoddart, lauréat du prix Nobel de chimie 2006 à l'Université Northwestern, a ajouté : « Les liaisons mécaniques font leur retour pour la première fois dans le domaine du stockage d'énergie. L'équipe du KAIST a habilement utilisé des liants mécaniques dans des polyrotaxanes à anneaux collecteurs et du polyéthylène glycol spiralé à base d'alpha-cyclodextrine fonctionnalisée, marquant une avancée majeure dans les performances des batteries lithium-ion disponibles sur le marché. Ces composés, qui s'organisent en agrégats en forme de poulie avec des liants mécaniques, remplacent les matériaux conventionnels ne possédant qu'une seule liaison chimique, ce qui aura un impact significatif sur les propriétés des matériaux et des équipements. »