Замена графита на кремний в анодах литий-ионных батарей способна обеспечить рост их ёмкости в 3–5 раз. Кремний дёшев и широкодоступен, но, к сожалению, испытывает большие изменения объема в ходе зарядки-разрядки. Это приводит к развитию трещин или к отслоению электродной плёнки, в результате батареи быстро выходят из строя — обычно менее, чем за 100 циклов эксплуатации.

Во вчерашнем номере Science сотрудники KAIST предложили использовать для улучшения циклической стабильности высокоёмких кремниевых электродов литий-ионных батарей эластичную молекулярную сетку, состоящую из необычных полимеров — полиротаксанов.

В полиротаксанах нити полиэтиленгликоля продеты в свободно движущиеся кольца альфа-циклодекстрина и крепят электрод к металлической основе. Благодаря таким подвижным соединениям сетчатая полимерная структура может адаптироваться не разрушаясь к изменениям объёма кремниевых частиц.

В отличие от примеряемых в этих же целях сегодня линейных полимеров с ограниченной эластичностью, полиротаксаны препятствуют рассеиванию даже мельчайших, пылевидных частиц электрода, эффективно предотвращая деградацию ёмкости батареи.

Полученные в KAIST результаты демонстрируют практическую важность фундаментальных исследований. В прошлом году создание полиротаксановых молекулярных машин, использующих новую концепцию «механической связи» (в дополнение к классическим ковалентной, ионной, координационной и металлической связи) было отмечено Нобелевской премией по химии.

Новое исследование вызвало интерес одного из ведущих производителей батарей, который вместе с авторами статьи уже работает над интеграцией молекулярных сеток в реальные коммерческие продукты.