Siliciumanoden krijgen veel aandacht van de batterijgemeenschap. Ze kunnen een drie tot vijf keer hogere capaciteit leveren in vergelijking met de huidige grafietanodes in lithium-ionbatterijen. Een hogere capaciteit betekent langer gebruik van de batterij per lading, wat met name van cruciaal belang is bij het verlengen van het aantal kilometers van volledig elektrische voertuigen. Hoewel silicium overvloedig en goedkoop is, Si-anoden hebben een beperkt aantal laad-ontlaadcycli, wat typisch minder dan 100 keer is met microdeeltjesgroottes. Hun volume neemt enorm toe tijdens elke laad-ontlaadcyclus, wat leidt tot breuken van de elektrodedeeltjes of delaminatie van de elektrodefilm, zelfs in het vervallen van zijn capaciteit.

Een KAIST-onderzoeksteam onder leiding van professoren Jang Wook Choi en Ali Coskun rapporteerde een moleculair katrolbindmiddel voor siliciumanoden met hoge capaciteit van lithium-ionbatterijen in Wetenschap op 20 juli.

Het KAIST-team integreerde moleculaire katrollen, genaamd polyrotaxanen, in een batterij-elektrodebinder, een polymeer dat is opgenomen in batterij-elektroden om de elektroden op metalen substraten te bevestigen. In een polyrotaxaan, ringen zijn in een polymeerruggengraat geregen en kunnen vrij langs de ruggengraat bewegen.

De vrije beweging van de ringen in polyrotaxanen kan de volumeveranderingen van de siliciumdeeltjes volgen. De glijdende beweging van de ringen kan Si-deeltjes efficiënt vasthouden zonder desintegratie tijdens hun continue volumeverandering. Het is opmerkelijk dat zelfs verpulverde siliciumdeeltjes kunnen blijven samenvloeien vanwege de hoge elasticiteit van het polyrotaxaanbindmiddel. De functionaliteit van de nieuwe bindmiddelen staat in schril contrast met bestaande bindmiddelen (meestal eenvoudige lineaire polymeren) met beperkte elasticiteit, aangezien bestaande bindmiddelen niet in staat zijn verpulverde deeltjes stevig vast te houden. Eerdere bindmiddelen lieten verpulverde deeltjes toe om zich te verspreiden, en de siliciumelektrode gaat dus achteruit en verliest zijn capaciteit.

De auteurs merken op, "Dit is een goed voorbeeld van het belang van fundamenteel onderzoek. Polyrotaxane ontving vorig jaar de Nobelprijs op basis van het concept van een 'mechanische binding'. Dit is een nieuw geïdentificeerd concept, en kan worden toegevoegd aan klassieke chemische bindingen in de chemie, zoals covalente, ionisch, coördinatie en metaalbindingen. De lange fundamentele studie breidt zich nu uit in een onverwachte richting die langdurige uitdagingen in batterijtechnologie aanpakt."

De auteurs vermelden ook dat ze momenteel samenwerken met een grote batterijfabrikant om hun moleculaire katrollen te integreren in echte batterijproducten.

Sir Fraser Stoddart van de Northwestern University, de 2016 Nobelprijswinnaar in de Scheikunde, zegt, "Mechanische bindingen zijn voor het eerst te hulp gekomen in een context van energieopslag. Het ingenieuze gebruik van mechanische bindingen door het KAIST-team in glijringpolyrotaxanen - op basis van polyethyleenglycol met schroefdraad met gefunctionaliseerde alfa-cyclodextrineringen - markeert een doorbraak in de prestaties van verhandelbare lithium-ionbatterijen. Deze belangrijke technologische vooruitgang levert nog meer bewijs dat wanneer katrolachtige polymeren die mechanische bindingen dragen, conventionele materialen verdringen die alleen op chemische bindingen zijn gebaseerd, de unieke invloed van deze fysieke binding op de eigenschappen van materialen en de prestaties van apparaten kan diepgaand en baanbrekend zijn."