Các điện cực anot silicon đã thu hút sự chú ý lớn trong ngành công nghiệp pin. So với...pin lithium-ionSử dụng cực dương than chì, chúng có thể cung cấp dung lượng lớn hơn từ 3 đến 5 lần. Dung lượng lớn hơn có nghĩa là pin sẽ hoạt động lâu hơn sau mỗi lần sạc, điều này có thể kéo dài đáng kể quãng đường di chuyển của xe điện. Mặc dù silicon dồi dào và rẻ, nhưng chu kỳ sạc-xả của cực dương silicon bị hạn chế. Trong mỗi chu kỳ sạc-xả, thể tích của chúng sẽ giãn nở đáng kể, thậm chí dung lượng của chúng cũng sẽ giảm, dẫn đến sự nứt vỡ của các hạt điện cực hoặc sự bong tróc của màng điện cực.

Nhóm nghiên cứu của KAIST, do Giáo sư Jang Wook Choi và Giáo sư Ali Coskun dẫn đầu, đã báo cáo vào ngày 20 tháng 7 về một loại keo dán phân tử dạng ròng rọc dành cho pin lithium ion dung lượng lớn với cực dương silicon.

Nhóm nghiên cứu 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 điện cực pin để gắn điện cực vào chất nền kim loại. Các vòng trong polyrotan được bắt vít vào khung polyme và có thể di chuyển tự do dọc theo khung.

Các vòng polyrotane có thể di chuyển tự do theo sự thay đổi thể tích của các hạt silicon. Sự trượt của các vòng có thể giữ nguyên hình dạng của các hạt silicon một cách hiệu quả, nhờ đó chúng sẽ không bị phân rã trong quá trình thay đổi thể tích liên tục. Điều đáng chú ý là ngay cả các hạt silicon bị nghiền nát cũng có thể kết dính lại với nhau nhờ độ đàn hồi cao của chất kết dính polyrotane. Chức năng của các chất kết dính mới này hoàn toàn trái ngược với các 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 giữ vững hình dạng của 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 khả năng dẫn điện 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 đoạt giải Nobel năm ngoái nhờ khái niệm “liên kết cơ học”. “Liên kết cơ học” là một khái niệm mới được định nghĩa, có thể được bổ sung vào các liên kết hóa học cổ điển, chẳng hạn như liên kết cộng hóa trị, liên kết ion, liên kết phối hợp 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 ngoài sức tưởng tượng. Các tác giả cũng đề cập rằng họ hiện đang hợp tác với một nhà sản xuất pin lớn để tích hợp các ròng rọc phân tử của họ vào các sản phẩm pin thực tế.

Ngài Fraser Stoddart, người đoạt giải Nobel Hóa học năm 2006 tại Đại học Northwestern, cho biết thêm: “Các liên kết cơ học đã được phục hồi lần đầu tiên trong môi trường lưu trữ năng lượng. Nhóm nghiên cứu KAIST đã khéo léo sử dụng các chất kết dính cơ học trong polyrotaxan vòng trượt và polyethylen glycol xoắn alpha-cyclodextrin được chức năng hóa, đánh dấu một bước đột phá trong hiệu suất của pin lithium-ion trên thị trường, khi các cụm hình ròng rọc với các hợp chất kết dính cơ học thay thế các vật liệu thông thường chỉ có một liên kết hóa học, điều này sẽ có tác động đáng kể đến các đặc tính của vật liệu và thiết bị.”