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锂电池硅负极，“分子滑轮”来改变命运？

来源: X-MOL 2017-07-31 14:28:38

随着新能源汽车和电子器件的发展，对高容量高性能锂离子电池的需求也不断地增加。传统锂离子电池石墨负极的理论容量仅为370 mAh•g-1，已经无法满足现有需要。各路大神都在想着开发新的负极材料，比如金属锂，再比如崔屹教授团队新发现的一种比金属锂更好的锂合金/石墨烯纳米结构材料（点击阅读相关）。除此之外，硅作为一种高容量的负极材料一直是研究的热点。不过，硅有个致命弱点——在反复充放电的过程中体积膨胀变化太大（最高可至300%左右），易导致材料微结构受损，电极电解质界面不稳定，电池循环寿命因而大大缩短。最近，科学家们已经认识到添加粘合剂可以极大地改善其循环寿命。[1] 不过这种改善还不足以将硅负极推向大规模商业化应用。

近日，韩国科学技术院（KAIST）的Ali Coskun教授和Jang Wook Choi教授等研究人员在Science 上发表文章，巧妙地利用滑轮原理，通过在常规的聚丙烯酸粘合剂中加入少量的聚轮烷（polyrotaxane，PR）作为“分子滑轮组”，就能极大提高粘合剂的弹性，从而极大提高硅微粒负极在充放电过程中的稳定性。

觉得有点懵？“滑轮”不是公元前就被发明的工具么，和硅负极粘合剂又有什么关系？

其实，将宏观机器缩小到纳米尺度并发挥功能早已是科学家的研究方向，也是这些年纳米研究的热点，2016年诺贝尔化学奖更是颁给了在“分子机器”领域做出开拓性研究的三位科学家。

Ali Coskun教授和Jang Wook Choi教授一直都希望改善硅负极的性能。2015年，他们的研究团队在ACS Nano杂志上发表文章，试图通过β-环糊精和树枝状6AD分子的相互作用，来解决硅负极嵌锂脱锂过程中体积膨胀收缩的问题。[2]

材料学

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