Jaké jsou různé typy katodových materiálů?
Materiály katod jsou obvykle omezujícím faktorem, pokud jde o výrobu spolehlivých lithium-iontových baterií. S dobíjecími bateriemi, které se stále více používají, vědci stále hledají materiály katod, které kombinují vysoký výkon a bezpečný provoz. V závislosti na aplikaci se používá celá řada materiálů. Baterie pro spotřební spotřebiče již dlouho používají oxid kobaltu jako svůj hlavní katodový materiál a fosforečnan železitý je poptávka po bateriích elektrických automobilů.
Mezi žádoucí vlastnosti materiálů katody patří to, že zahrnují reverzibilní reakci, která může produkovat dobíjecí baterii, a že tato reakce nezpůsobuje změnu fáze mezi žádným z použitých materiálů. Mimořádná energie potřebná pro výměnu materiálů mezi jejich plynnou, kapalnou a pevnou fází činí nepraktickou konstrukci baterie, která vyžaduje takovou změnu. Časné verze dobíjecích lithiových baterií používaly roztavenou síru jako katodu, obklopenou roztavenou solí, která byla 842 stupňů Fahrenheita (450 stupňů Celsia). Tyto baterie by mohly poskytovat vysoký výkon, ale udržování oddělených kapalných materiálů bylo příliš velkým problémem. Vědci hledali praktický způsob využití síry jako materiálu katody.
Jednou z obtíží při vývoji lepších katodových materiálů je jejich vlastní těkavost. Aby baterie fungovala, katoda musí mít silný elektrický náboj vzhledem k druhé elektrodě, anodě. To vyžaduje látku s vysokým obsahem kyslíku. Takový materiál je potenciálně velmi hořlavý, zejména pokud je kombinován s teplem, které je často spojeno s chemickou reakcí, ke které dochází v baterii.
To je jeden z důvodů zájmu o sloučeniny síry pro katody. Síra má elektrické vlastnosti kyslíku bez její těkavosti. Problém se sloučeninami síry spočívá v tom, že vytvářejí katody s kratší životností, protože jejich chemické reakce zanechávají vedlejší produkty, které se rozpouštějí v elektrolytickém materiálu, který odděluje obě elektrody.
Na počátku sedmdesátých let se objevila nová skupina sloučenin, která upoutala pozornost vědců, kteří se vzdali myšlenky použití roztavené síry. Nejlehčí z těchto sloučenin, disulfid titanu, se během této dekády běžně používal. V roce 1980 byl nahrazen oxidem lithného kobaltu, který produkoval první skutečně úspěšnou lithium-iontovou baterii.
Oxid kobaltnatý je dominantním katodovým materiálem na trhu a běžně se používá v dobíjecích bateriích mobilních telefonů a přenosných počítačů. Ve zdravotnických zařízeních, jako jsou srdeční defibrilátory, se pro katody běžně používá oxid stříbrný vanadu. Tento typ baterie má stříbro jako vedlejší produkt své chemické reakce, což zlepšuje vodivost baterie.
Fosforečnan železa a v menší míře titaničitan lithný, upoutaly pozornost výrobců automobilů jako potenciálních katodových materiálů pro elektrické autobaterie. Jedním z důvodů je to, že baterie s katodami vyrobenými z těchto sloučenin lze rychle nabít za pouhých 10 minut. Buňky s katodami vyrobenými z nikelátu mají nejvyšší hustotu energie. Tato vysoká hustota energie znamená, že nejsou ze své podstaty tak bezpečné jako baterie fosforečnanu železitého nebo lithium titaničitých baterií.