Was sind die verschiedenen Arten von Kathodenmaterialien?

Kathodenmaterialien sind in der Regel der limitierende Faktor für die Herstellung zuverlässiger Lithium-Ionen-Batterien. Mit den immer häufiger verwendeten wiederaufladbaren Batterien suchen die Wissenschaftler weiterhin nach Kathodenmaterialien, die eine hohe Leistung mit einem sicheren Betrieb kombinieren. Je nach Anwendung kommen unterschiedliche Materialien zum Einsatz. Batterien für Verbrauchergeräte verwenden seit langem Kobaltoxid als Hauptkathodenmaterial, und Eisenphosphat ist bei Batterien für Elektroautos gefragt.

Wünschenswerte Eigenschaften von Kathodenmaterialien sind, dass sie eine reversible Reaktion beinhalten, die eine wiederaufladbare Batterie erzeugen kann, und dass diese Reaktion bei keinem der beteiligten Materialien eine Phasenänderung verursacht. Die zusätzliche Energie, die erforderlich ist, um Materialien zwischen ihrer Gas-, Flüssig- und Festphase zu wechseln, macht es unpraktisch, eine Batterie zu entwerfen, die einen solchen Wechsel beinhaltet. Frühe Versionen von wiederaufladbaren Lithiumbatterien verwendeten geschmolzenen Schwefel als Kathode, umgeben von geschmolzenem Salz, das 842 Grad Fahrenheit (450 Grad Celsius) betrug. Diese Batterien könnten eine hohe Leistung erbringen, die Trennung der flüssigen Materialien war jedoch zu problematisch. Forscher haben nach einer praktischen Methode zur Verwendung von Schwefel als Kathodenmaterial gesucht.

Eine der Schwierigkeiten bei der Entwicklung besserer Kathodenmaterialien ist ihre inhärente Flüchtigkeit. Damit die Batterie funktioniert, muss die Kathode in Bezug auf die andere Elektrode, die Anode, eine starke elektrische Ladung aufweisen. Dies erfordert einen Stoff mit einem hohen Sauerstoffgehalt. Ein solches Material ist möglicherweise sehr brennbar, insbesondere wenn es mit der Wärme in Verbindung gebracht wird, die häufig mit der chemischen Reaktion in einer Batterie verbunden ist.

Dies ist einer der Gründe für das Interesse an Schwefelverbindungen für Kathoden. Schwefel hat die elektrischen Eigenschaften von Sauerstoff ohne seine Flüchtigkeit. Das Problem bei Schwefelverbindungen besteht darin, dass sie Kathoden mit einer kürzeren Lebensdauer produzieren, da ihre chemischen Reaktionen Nebenprodukte hinterlassen, die sich in dem Elektrolytmaterial auflösen, das die beiden Elektroden trennt.

In den frühen 1970er Jahren entstand eine neue Gruppe von Verbindungen, die die Aufmerksamkeit von Forschern auf sich zog, die die Idee der Verwendung von geschmolzenem Schwefel aufgegeben hatten. Die leichteste dieser Verbindungen, Titandisulfid, wurde üblicherweise in diesem Jahrzehnt verwendet. Es wurde um 1980 durch Lithiumkobaltoxid ersetzt, das die erste wirklich erfolgreiche Lithium-Ionen-Batterie hervorbrachte.

Kobaltoxid ist das dominierende Kathodenmaterial auf dem Markt und wird üblicherweise in wiederaufladbaren Batterien von Mobiltelefonen und Laptops verwendet. In medizinischen Geräten wie Herzdefibrillatoren wird üblicherweise Silbervanadiumoxid für die Kathoden verwendet. Dieser Batterietyp enthält Silber als Nebenprodukt seiner chemischen Reaktion, wodurch die Leitfähigkeit der Batterie verbessert wird.

Eisenphosphat und in geringerem Maße Lithiumtitanat haben die Autohersteller als potenzielle Kathodenmaterialien für Batterien von Elektroautos auf sich aufmerksam gemacht. Ein Grund dafür ist, dass Batterien mit Kathoden aus diesen Verbindungen in nur 10 Minuten schnell geladen werden können. Zellen mit Kathoden aus Nickelat haben die höchste Energiedichte. Diese hohe Energiedichte bedeutet, dass sie von Natur aus nicht so sicher sind wie Eisenphosphat- oder Lithiumtitanat-Batterien.