分子滑轮提升电池特性

【据sciencedaily网站7月20日报道】硅阳极正在受到电池界的大量关注。它能生成，相较于当前在锂离子电池中正在使用的石墨阳极，高3到5倍的电容。更高的电容意味着，每次充电电池能有更长的使用时间，这对于全电动汽车行驶里程的增加，非常关键。尽管硅的储量丰富，而且较便宜，但硅阳极的充放电次数受到限制，通常微粒尺寸大小的硅，充放电次数在100次以内。每次充放电都使它的体积大量增加，并导致电极颗粒产生碎片或者电极薄层的分层，及其电容的下降。

韩国先进科学技术研究所(KAIST)的一个由曹教授及阿里.乔什昆领导的研究团队，在7月20日的《科学》杂志上，发表了利用分子滑轮粘合剂，以形成锂离子电池的高电容硅阳极。

KAIST研究团队将分子轮，一种被称为聚轮烷的的分子，整合进电池电极的粘合剂中，即一种包含于电池电极内，以将电极粘附在金属基底上的聚合物。在聚轮烷内，分子环链被串进聚合物骨架内，并沿骨架自由移动。

聚轮烷内的环链能够随着硅颗粒的体积变化而自由移动。环链的滑移能够有效地保证硅颗在连续的体积变化期间不会发生解体，从而稳定地结合在一起。需要指出的是，由于聚轮烷粘合剂具有很好的弹性，所以即使硅颗粒完全粉碎，仍然能够保持结合在一起的状态。这一新粘合剂的功能，和已有的粘合剂(通常是简单的线性分子链聚合物)形成鲜明对比，而且已有粘合剂由于其弹性有限，而使其不能把破碎的硅颗粒牢固地粘合在一起。以前的粘合剂可能导致破碎的颗粒散裂开，最终使得硅电极性能下降，电容特性也随之恶化。

论文作者说：“这是一个很好地证明了基础研究非常重要的例子。聚轮烷在去年获得了诺贝尔奖，它是建立在机械键思想基础之上，这一机械键是一个新近为人们所认识的概念，在化学中，它被认为是新增的一种传统化学键，如：共价键、离子键、配位键、金属键等。这一长期的基础性研究，正被扩展应用于令人意外的方向，用于解决长期以来在电池技术方面所面临的挑战。

论文作者还提到，他们目前正与主要的电池生产商进行合作，以将他们的分子滑轮整合进实际的电池产品中。

西北大学的弗拉泽尔.斯托德达特先生，2016年的化学诺贝尔奖获得者，也强调：“机械键首先在能源存储领域得到应用。KAIST研究团队在滑环聚轮烷中天才地应用机械键，即利用功能性阿尔法环糊精环链在聚乙烯乙二醇的基础上进行串联，取得了市场化锂离子电池性能的重大突破。这一重要技术进步还提供了更多证据表明，当具有机械键的类似分子滑轮聚合物取代传统的单化学键材料时，这一物理键在材料特性及设备性能方面的影响是深远的，并且是颠覆性的。

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