Die Leistung von Lithiumbatterien wurde schrittweise durchbrochen

Siliziumanoden haben in der Batterieindustrie große Aufmerksamkeit erregt. Im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien mit Graphitanoden können sie eine 3-5-mal größere Kapazität bieten. Die größere Kapazität bedeutet, dass die Batterie nach jedem Aufladen länger hält, was die Fahrstrecke von Elektrofahrzeugen erheblich verlängern kann. Obwohl Silizium reichlich vorhanden und billig ist, sind die Lade- / Entladezyklen von Si-Anoden begrenzt. Während jedes Lade- / Entladezyklus wird ihr Volumen stark erweitert und sogar ihre Kapazität nimmt ab, was zum Bruch der Elektrodenpartikel oder zur Delaminierung des Elektrodenfilms führt.

Das KAIST-Team unter der Leitung von Professor Jang Wook Choi und Professor Ali Coskun berichtete am 20. Juli über einen molekularen Riemenscheibenklebstoff für Lithium-Ionen-Batterien mit großer Kapazität und Siliziumanoden.

Das KAIST-Team integrierte molekulare Riemenscheiben (sogenannte Polyrotaxane) in Batterieelektrodenbinder, einschließlich der Zugabe von Polymeren zu den Batterieelektroden, um die Elektroden an Metallsubstraten zu befestigen. Die Ringe aus Polyrotan sind in das Polymerskelett eingeschraubt und können sich frei entlang des Skeletts bewegen.

Die Ringe aus Polyrotan können sich mit der Volumenänderung der Siliziumpartikel frei bewegen. Der Schlupf der Ringe kann die Form der Siliziumpartikel effektiv beibehalten, so dass sie sich bei der kontinuierlichen Volumenänderung nicht auflösen. Es ist bemerkenswert, dass selbst zerkleinerte Siliziumpartikel aufgrund der hohen Elastizität von Polyrotan-Klebstoffen koaleszierend bleiben können. Die Funktion der neuen Klebstoffe steht in scharfem Kontrast zu der der vorhandenen Klebstoffe (normalerweise einfache lineare Polymere). Die vorhandenen Klebstoffe weisen eine begrenzte Elastizität auf und können daher die Partikelform nicht fest beibehalten. Bisherige Klebstoffe können zerkleinerte Partikel streuen und die Kapazität von Siliziumelektroden verringern oder sogar verlieren.

Der Autor ist der Ansicht, dass dies eine hervorragende Demonstration der Bedeutung der Grundlagenforschung ist. Polyrotaxan erhielt im vergangenen Jahr den Nobelpreis für das Konzept der "mechanischen Bindungen". "Mechanische Bindung" ist ein neu definiertes Konzept, das klassischen chemischen Bindungen wie kovalenten Bindungen, Ionenbindungen, Koordinationsbindungen und Metallbindungen hinzugefügt werden kann. Die langfristige Grundlagenforschung befasst sich schrittweise und unerwartet mit den langjährigen Herausforderungen der Batterietechnologie. Die Autoren erwähnten auch, dass sie derzeit mit einem großen Batteriehersteller zusammenarbeiten, um ihre molekularen Riemenscheiben in tatsächliche Batterieprodukte zu integrieren.

Sir Fraser Stoddart, Nobelpreisträger für Chemie an der Northwestern University 2006, fügte hinzu: "Mechanische Bindungen haben sich zum ersten Mal in einer energiespeicherumgebung erholt. Das KAIST-Team verwendete gekonnt mechanische Bindemittel in Schleifring-Polyrotaxanen und funktionalisiertem Alpha-Cyclodextrin-Spiralpolyethylen Glykol, das einen Durchbruch in der Leistung von Lithium-Ionen-Batterien auf dem Markt darstellt, wenn riemenscheibenförmige Aggregate mit mechanischen Bindemitteln verwendet werden. Verbindungen ersetzen herkömmliche Materialien durch nur eine chemische Bindung, was einen erheblichen Einfluss auf die Eigenschaften von Materialien und Geräten hat.

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