¿Cuáles son los diferentes tipos de materiales de cátodo?

Los materiales del cátodo suelen ser el factor limitante cuando se trata de hacer baterías confiables de iones de litio. Con baterías recargables en un uso cada vez mayor, los científicos continúan buscando materiales de cátodo que combinen una alta producción con operaciones seguras. Se utilizan una variedad de materiales, dependiendo de la aplicación. Las baterías para electrodomésticos de consumo han usado el óxido de cobalto durante mucho tiempo como su material cátodo principal, y el fosfato de hierro tiene demanda de baterías eléctricas para el automóvil.

Las cualidades deseables en los materiales de cátodo son que implican una reacción reversible que puede producir una batería recargable, y esta reacción no causa un cambio de fase entre los materiales involucrados. La energía adicional requerida para cambiar los materiales entre sus fases de gas, líquido y sólido hace que sea poco práctico diseñar una batería que implique tal cambio. Las primeras versiones de las baterías de litio recargables utilizaron azufre fundido como cátodo, rodeado de sal fundida que era de 842 grados Fahrenheit (450 gradosEs Celsius). Estas baterías podrían proporcionar una alta salida, pero mantener los materiales líquidos separados era un gran problema. Los investigadores han buscado un método práctico para usar azufre como material de cátodo.

Una de las dificultades para desarrollar mejores materiales de cátodo es su volatilidad inherente. Para que la batería funcione, el cátodo debe tener una fuerte carga eléctrica con respecto al otro electrodo, el ánodo. Esto requiere una sustancia con un alto contenido de oxígeno. Tal material es potencialmente muy combustible, especialmente cuando se combina con el calor que a menudo se asocia con la reacción química que tiene lugar dentro de una batería.

Esta es una de las razones del interés en los compuestos de azufre para los cátodos. El azufre tiene cualidades eléctricas de oxígeno sin su volatilidad. El problema con los compuestos de azufre es que producen cátodos con vida más cortaEspanses, porque sus reacciones químicas dejan subcontrolos que se disuelven en el material electrolítico que separa los dos electrodos.

A principios de la década de 1970, surgió un nuevo grupo de compuestos que llamaron la atención de los investigadores que habían renunciado a la idea de usar azufre fundido. El más ligero de estos compuestos, el disulfuro de titanio, se usó comúnmente durante esta década. Fue reemplazado en aproximadamente 1980 por el óxido de cobalto de litio, que produjo la primera batería de iones de litio verdaderamente exitosa.

El óxido de cobalto es el material del cátodo dominante en el mercado y se usa comúnmente en las baterías recargables de teléfonos celulares y computadoras portátiles. En equipos médicos como desfibriladores cardíacos, el óxido de vanadio de plata se usa comúnmente para los cátodos. Este tipo de batería tiene plata como subproducto de su reacción química, y esto mejora la conductividad de la batería.

El fosfato de hierro, y en menor medida titanato de litio, ha llamado la atención de los fabricantes de automóviles AS Posibles materiales de cátodo para baterías de automóviles eléctricos. Una razón para esto es porque las baterías con cátodos hechos de estos compuestos se pueden cargar rápidamente en tan solo 10 minutos. Las células con cátodos hechos de níquelato tienen la mayor densidad de energía. Esta alta densidad de energía significa que no son inherentemente tan seguros como las baterías de fosfato de hierro o titanato de litio.