锂电池性能突破：分子“滑轮”粘合剂

概要：
韩国滚球体育 大学（KAIST）的科学家们已成功利用分子滑轮粘合剂研制出以硅为阳极的锂离子大容量电池。

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。

【图注】分子滑轮粘合剂的工作原理。

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。”

原文链接：Molecular 'pulleys' improve battery performance
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