Cực dương silicon đã thu hút sự chú ý lớn trong ngành công nghiệp pin.So sánh vớipin lithium-ionsử dụng cực dương than chì, chúng có thể cung cấp công suất lớn hơn 3-5 lần.Dung lượng lớn hơn đồng nghĩa với việc pin sẽ có tuổi thọ cao hơn sau mỗi lần sạc, điều này có thể kéo dài đáng kể quãng đường di chuyển của xe điện.Mặc dù silicon rất dồi dào và rẻ tiền nhưng chu kỳ phóng điện của cực dương Si lại bị hạn chế.Trong mỗi chu kỳ phóng điện, thể tích của chúng sẽ tăng lên rất nhiều và thậm chí điện dung của chúng sẽ giảm, điều này sẽ dẫn đến sự đứt gãy của các hạt điện cực hoặc sự tách lớp của màng điện cực.

Nhóm KAIST, do Giáo sư Jang Wook Choi và Giáo sư Ali Coskun dẫn đầu, đã báo cáo vào ngày 20 tháng 7 về chất kết dính ròng rọc phân tử cho pin lithium ion dung lượng lớn với cực dương silicon.

Nhóm KAIST đã tích hợp các ròng rọc phân tử (gọi là polyrotaxan) vào chất kết dính điện cực pin, bao gồm cả việc thêm polyme vào các điện cực pin để gắn các điện cực vào nền kim loại.Các vòng trong polyrotane được gắn chặt vào khung polyme và có thể di chuyển tự do dọc theo khung.

Các vòng trong polyrotane có thể chuyển động tự do theo sự thay đổi thể tích của các hạt silicon.Vòng trượt có thể giữ hình dạng của các hạt silicon một cách hiệu quả, để chúng không bị phân hủy trong quá trình thay đổi thể tích liên tục.Đáng chú ý là ngay cả các hạt silicon bị nghiền nát vẫn có thể kết tụ lại do tính đàn hồi cao của chất kết dính polyrotane.Chức năng của chất kết dính mới hoàn toàn trái ngược với chức năng của chất kết dính hiện có (thường là các polyme tuyến tính đơn giản).Các chất kết dính hiện có có độ đàn hồi hạn chế và do đó không thể duy trì chắc chắn hình dạng hạt.Các chất kết dính trước đây có thể làm phân tán các hạt bị nghiền nát và làm giảm hoặc thậm chí làm mất công suất của các điện cực silicon.

Tác giả tin rằng đây là một minh chứng xuất sắc về tầm quan trọng của nghiên cứu cơ bản.Polyrotaxane đã giành giải Nobel năm ngoái cho khái niệm “liên kết cơ học”.“Liên kết cơ học” là một khái niệm mới được xác định có thể được thêm vào các liên kết hóa học cổ điển, chẳng hạn như liên kết cộng hóa trị, liên kết ion, liên kết phối trí và liên kết kim loại.Nghiên cứu cơ bản dài hạn đang dần giải quyết những thách thức lâu dài của công nghệ pin với tốc độ không ngờ tới.Các tác giả cũng đề cập rằng họ hiện đang làm việc với một nhà sản xuất pin lớn để tích hợp ròng rọc phân tử của họ vào các sản phẩm pin thực tế.

Ngài Fraser Stoddart, người đoạt Giải thưởng Hóa học Cao quý năm 2006 tại Đại học Northwestern, nói thêm: “Các liên kết cơ học đã phục hồi lần đầu tiên trong môi trường lưu trữ năng lượng.Nhóm KAIST đã khéo léo sử dụng chất kết dính cơ học trong polyrotaxan vòng trượt và polyethylen glycol xoắn ốc alpha-cyclodextrin được chức năng hóa, đánh dấu bước đột phá về hiệu suất của pin lithium-ion trên thị trường khi kết hợp hình ròng rọc với chất kết dính cơ học.Hợp chất thay thế vật liệu thông thường chỉ bằng một liên kết hóa học sẽ ảnh hưởng không nhỏ đến tính chất của vật liệu, thiết bị.