Gli anodi di silicio stanno ricevendo una grande attenzione da parte della comunità delle batterie. Possono fornire una capacità da tre a cinque volte superiore rispetto a quelli che utilizzano gli attuali anodi di grafite nelle batterie agli ioni di litio. Una maggiore capacità significa un uso più lungo della batteria per carica, che è particolarmente critico nell'estensione del chilometraggio di guida dei veicoli completamente elettrici. Sebbene il silicio sia abbondante ed economico, Gli anodi di silicio hanno un numero limitato di cicli di carica-scarica, che in genere è inferiore a 100 volte con le dimensioni delle microparticelle. Il loro volume si espande enormemente durante ogni ciclo di carica-scarica, portando a fratture delle particelle dell'elettrodo o delaminazione della pellicola dell'elettrodo allo stesso modo, anche nel decadimento della sua capacità.

Un gruppo di ricerca KAIST guidato dai professori Jang Wook Choi e Ali Coskun ha riportato un legante di pulegge molecolari per anodi di silicio ad alta capacità di batterie agli ioni di litio in Scienza il 20 luglio.

Il team KAIST ha integrato pulegge molecolari, chiamati polirotassani, in un raccoglitore di elettrodi per batterie, un polimero incluso negli elettrodi della batteria per fissare gli elettrodi su substrati metallici. In un polirotassano, gli anelli sono infilati in uno scheletro polimerico e possono muoversi liberamente lungo lo scheletro.

Il libero movimento degli anelli nei polirotassani può seguire le variazioni di volume delle particelle di silicio. Il movimento di scorrimento degli anelli può trattenere efficacemente le particelle di Si senza disintegrarsi durante il loro continuo cambiamento di volume. È notevole che anche le particelle di silicio polverizzato possono rimanere coalizzate a causa dell'elevata elasticità del legante polirotassano. La funzionalità dei nuovi leganti è in netto contrasto con i leganti esistenti (solitamente semplici polimeri lineari) con elasticità limitata, poiché i leganti esistenti non sono in grado di trattenere saldamente le particelle polverizzate. I leganti precedenti consentivano alle particelle polverizzate di disperdersi, e l'elettrodo di silicio così si degrada e perde la sua capacità.

Gli autori notano, "Questo è un buon esempio dell'importanza della ricerca fondamentale. Polyrotaxane ha ricevuto il premio Nobel l'anno scorso sulla base del concetto di 'legame meccanico'. Questo è un concetto appena identificato, e può essere aggiunto ai classici legami chimici in chimica, come covalente, ionico, coordinazione e legami metallici. Il lungo studio fondamentale si sta ora espandendo in una direzione inaspettata che affronta le sfide di lunga data nella tecnologia delle batterie".

Gli autori menzionano anche che stanno attualmente lavorando con un importante produttore di batterie per integrare le loro pulegge molecolari in prodotti a batteria reali.

Sir Fraser Stoddart della Northwestern University, il Premio Nobel 2016 in Chimica, dice, "I legami meccanici sono venuti in soccorso per la prima volta in un contesto di accumulo di energia. L'uso ingegnoso del team KAIST di legami meccanici in polirotassani ad anello scorrevole, a base di glicole polietilenico filettato con anelli di alfa-ciclodestrina funzionalizzati, segna un passo avanti nelle prestazioni di batterie agli ioni di litio commerciabili.Questo importante progresso tecnologico fornisce ancora più prove che quando i polimeri simili a pulegge che trasportano legami meccanici sostituiscono i materiali convenzionali basati solo sui legami chimici, l'influenza unica di questo legame fisico sulle proprietà dei materiali e sulle prestazioni dei dispositivi può essere profonda e rivoluzionaria".