Hvad er de forskellige typer katodemateriale?
Katodematerialer er normalt den begrænsende faktor, når det gælder fremstilling af pålidelige lithium-ion-batterier. Med genopladelige batterier i stadig stigende brug søger forskere katodematerialer, der kombinerer høj ydelse med sikker betjening. Afhængig af anvendelsen bruges forskellige materialer. Batterier til forbrugsapparater har længe brugt koboltoxid som hovedkatodemateriale, og jernfosfat er efterspurgt efter elbilbatterier.
Ønskelige egenskaber i katodematerialer er, at de involverer en reversibel reaktion, der kan frembringe et genopladeligt batteri, og at denne reaktion ikke forårsager en faseændring blandt de involverede materialer. Den ekstra energi, der kræves for at skifte materialer mellem deres gas, væske og faste faser, gør det upraktisk at designe et batteri, der involverer en sådan ændring. Tidlige versioner af genopladelige lithiumbatterier anvendte smeltet svovl som en katode, omgivet af smeltet salt, der var 842 grader Fahrenheit (450 grader Celsius). Disse batterier kunne give et højt output, men at holde de flydende materialer adskilt var for meget af et problem. Forskere har kigget efter en praktisk metode til anvendelse af svovl som katodemateriale.
En af vanskelighederne med at udvikle bedre katodematerialer er deres iboende flygtighed. For at batteriet skal fungere, er katoden nødt til at have en stærk elektrisk ladning med hensyn til den anden elektrode, anoden. Dette kræver et stof med et højt iltindhold. Sådant materiale er potentielt meget brændbart, især når det kombineres med den varme, der ofte er forbundet med den kemiske reaktion, der finder sted inden i et batteri.
Dette er en af grundene til interessen for svovlforbindelser til katoder. Svovl har iltens elektriske egenskaber uden dets flygtighed. Problemet med svovlforbindelser er, at de producerer katoder med kortere levetid, fordi deres kemiske reaktioner efterlader biprodukter, der opløses i elektrolytmaterialet, der adskiller de to elektroder.
I de tidlige 1970'ere dukkede en ny gruppe forbindelser op, der henledte opmærksomheden fra forskere, der havde givet op ideen om at bruge smeltet svovl. Den letteste af disse forbindelser, titandisulfid, blev ofte brugt i løbet af dette årti. Det blev erstattet i ca. 1980 af lithiumcobaltoxid, der producerede det første virkelig succesrige lithium-ion-batteri.
Koboltoxid er det dominerende katodemateriale på markedet og bruges ofte i genopladelige batterier til mobiltelefoner og bærbare computere. I medicinsk udstyr, såsom hjertedefibrillatorer, anvendes sølvvanadiumoxid ofte til katoderne. Denne type batteri har sølv som biprodukt af sin kemiske reaktion, og dette forbedrer batteriets ledningsevne.
Jernfosfat og i mindre grad lithiumtitanat har gjort opmærksom på bilproducenterne som potentielle katodematerialer til elbilbatterier. En af grundene hertil er, at batterier med katoder fremstillet af disse forbindelser hurtigt kan oplades på så få som 10 minutter. Celler med katoder fremstillet af nikkelat har den højeste energitæthed. Denne høje energitæthed betyder, at de i sagens natur ikke er så sikre som jernfosfat- eller lithiumtitanatbatterier.