锂电池性能突破：分子“滑轮”粘合剂

    在电池界中硅阳极受到极大的关注，与当前使用石墨阳极的锂离子电池相比，它们可以提供3-5倍的更大容量，更大的容量意味着每次充电过后，电池的使用时间更长，这能显著延长电动车辆的行驶里程。尽管硅丰富而廉价，但Si阳极的充放电循环次数有限，在每个充放电循环期间，它们的体积会大大扩大，甚至其电容的衰减，会导致电极颗粒产生断裂或电极膜的分层现象。

    由Jang Wook Choi教授和Ali Coskun教授领衔的KAIST研究小组于7月20日报道了一种用于硅阳极锂离子大容量电池的分子滑轮粘合剂。

    KAIST团队将分子滑轮（称为聚轮烷）整合到电池电极粘合剂中，包括在电池电极中加入聚合物，以便将电极附着到金属基底上。将聚轮烷中的环拧入聚合物骨架中，并且可以沿骨架自由移动。

    聚轮烷中的环可以随着硅颗粒的体积变化而自由移动，环的滑动可以有效地保持Si的颗粒形状，使其不会在连续的体积变化过程中崩解。值得注意的是，由于聚轮烷粘合剂具有高弹性，即使粉碎的硅颗粒也能保持聚结状态。新粘合剂的功能与现有的粘合剂（通常是简单的线性聚合物）形成鲜明对比，现有的粘合剂弹性有限，因此不能牢固地保持颗粒形状。以前的粘合剂会使粉碎的颗粒发生散射，会使得硅电极降低甚至失去其容量。

    作者认为这极好地显示了基础研究的重要性，Polyrotaxane去年凭借“机械债券”这个概念获得了诺贝尔奖。 “机械结合”是一个新确定的概念，可以添加到经典化学键中，如共价键，离子键，配位键和金属键。长期的基础研究正在以意想不到的速度，逐步解决电池技术方向长期存在的挑战。作者还提到，他们目前正在与一家大型电池制造商合作，将其分子滑轮集成到实际的电池产品中。

    西北大学2006年度Noble Laureate化学奖得主Fraser Stoddart爵士还补充说：“机械式债券在储能环境中首次复苏，KAIST团队巧妙地使用滑环聚轮烷中的机械粘合剂，在α-环糊精环螺旋的聚乙二醇上的功能化，标志着市场上锂离子电池性能的突破，当带有机械粘合剂的滑轮状聚合物取代仅有单独化学键的常规材料，这种物理键会给材料性能以及设备性能带来极为显著的影响。”