シリコンアノードは電池業界で大きな注目を集めている。リチウムイオン電池グラファイト負極を使用すると、3～5倍の容量が得られます。容量が大きいということは、充電後のバッテリーの持続時間が長くなり、電気自動車の走行距離を大幅に伸ばすことができます。シリコンは豊富で安価ですが、Si負極の充放電サイクルには限界があります。充放電サイクルごとに体積が大きく膨張し、静電容量も低下するため、電極粒子の破損や電極膜の剥離につながります。

チャン・ウク・チェ教授とアリ・コシュクン教授が率いるKAISTの研究チームは、7月20日、シリコン負極を用いた大容量リチウムイオン電池向けの分子プーリー接着剤を発表した。

KAISTの研究チームは、ポリロタキサンと呼ばれる分子プーリーを電池電極バインダーに組み込み、電池電極にポリマーを添加して電極を金属基板に接着させる手法を開発した。ポリロタキサンの環状構造はポリマー骨格にねじ込まれており、骨格に沿って自由に移動できる。

ポリロタン中のリングは、シリコン粒子の体積変化に合わせて自由に動くことができます。リングの滑りによってシリコン粒子の形状が効果的に維持されるため、連続的な体積変化の過程で粒子が崩壊することはありません。特筆すべきは、ポリロタン接着剤の高い弾性により、粉砕されたシリコン粒子でさえも凝集状態を維持できることです。この新しい接着剤の機能は、既存の接着剤（通常は単純な線状ポリマー）の機能とは大きく異なります。既存の接着剤は弾性が限られているため、粒子の形状をしっかりと維持することができません。従来の接着剤では、粉砕された粒子が散乱し、シリコン電極の容量が低下したり、場合によっては失われたりする可能性がありました。

著者は、これは基礎研究の重要性を示す優れた事例だと考えている。ポリロタキサンは昨年、「機械的結合」の概念でノーベル賞を受賞した。「機械的結合」は、共有結合、イオン結合、配位結合、金属結合といった従来の化学結合に加えることができる、新たに定義された概念である。長期にわたる基礎研究は、予想外の速さで、電池技術の長年の課題に徐々に取り組んでいる。著者らはまた、現在、大手電池メーカーと協力して、開発した分子プーリーを実際の電池製品に組み込むための研究を進めていることも述べている。

ノースウェスタン大学で2006年にノーベル化学賞を受賞したフレイザー・ストッダート卿は、「エネルギー貯蔵環境において、機械的結合が初めて回復した。KAISTチームは、スリップリングポリロタキサンと機能化α-シクロデキストリンらせんポリエチレングリコールに機械的結合剤を巧みに使用し、機械的結合剤を持つ滑車状の集合体化合物が従来の化学結合が1つしかない材料に取って代わることで、材料と機器の特性に大きな影響を与えるリチウムイオン電池の性能に画期的な進歩を遂げた」と付け加えた。