Quels sont les différents types de matériaux cathodiques?
Les matériaux cathodiques sont généralement le facteur limitant pour la fabrication de batteries lithium-ion fiables. Les piles rechargeables étant de plus en plus utilisées, les scientifiques continuent de rechercher des matériaux cathodiques combinant un débit élevé et un fonctionnement sûr. Une variété de matériaux sont utilisés, en fonction de l'application. Les piles pour appareils ménagers utilisent depuis longtemps l’oxyde de cobalt comme matériau de cathode principal, et le phosphate de fer est recherché pour les batteries de voiture électrique.
Les qualités souhaitables dans les matériaux de cathode sont qu’elles impliquent une réaction réversible pouvant produire une pile rechargeable et que cette réaction ne provoque pas de changement de phase parmi les matériaux impliqués. L'énergie supplémentaire requise pour changer les matériaux entre leurs phases gazeuse, liquide et solide rend difficile la conception d'une batterie impliquant un tel changement. Les premières versions de piles au lithium rechargeables utilisaient du soufre fondu comme cathode, entourée de sel fondu à une température de 842 degrés Fahrenheit (450 degrés Celsius). Ces batteries pouvaient fournir un rendement élevé, mais le fait de séparer les matières liquides posait trop de problèmes. Les chercheurs ont recherché une méthode pratique d'utilisation du soufre comme matériau de cathode.
L'une des difficultés pour développer de meilleurs matériaux cathodiques est leur volatilité inhérente. Pour que la batterie fonctionne, la cathode doit avoir une forte charge électrique par rapport à l’autre électrode, l’anode. Cela nécessite une substance à forte teneur en oxygène. Ce type de matériau est potentiellement très combustible, en particulier lorsqu'il est combiné à la chaleur souvent associée à la réaction chimique qui se produit dans une batterie.
C'est l'une des raisons de l'intérêt des composés soufrés pour les cathodes. Le soufre a les qualités électriques de l'oxygène sans sa volatilité. Le problème avec les composés soufrés est qu’ils produisent des cathodes dont la durée de vie est plus courte, car leurs réactions chimiques laissent des sous-produits qui se dissolvent dans le matériau électrolytique qui sépare les deux électrodes.
Au début des années 1970, un nouveau groupe de composés est apparu qui a attiré l’attention des chercheurs qui avaient abandonné l’idée de l’utilisation du soufre fondu. Le plus léger de ces composés, le disulfure de titane, a été couramment utilisé au cours de cette décennie. Elle a été remplacée vers 1980 par l’oxyde de lithium et de cobalt, qui a donné naissance à la première batterie lithium-ion véritablement performante.
L'oxyde de cobalt est le matériau de cathode dominant sur le marché et est couramment utilisé dans les piles rechargeables des téléphones portables et des ordinateurs portables. Dans les équipements médicaux tels que les défibrillateurs cardiaques, l'oxyde d'argent et de vanadium est couramment utilisé pour les cathodes. Ce type de batterie a de l'argent comme sous-produit de sa réaction chimique, ce qui améliore la conductivité de la batterie.
Le phosphate de fer et, dans une moindre mesure, le titanate de lithium, ont attiré l'attention des constructeurs automobiles en tant que matériaux cathodiques potentiels pour les batteries de voitures électriques. Cela s'explique notamment par le fait que les batteries à cathodes fabriquées à partir de ces composés peuvent être rapidement chargées en 10 minutes à peine. Les cellules avec des cathodes en nickelate ont la plus haute densité d'énergie. Cette densité d'énergie élevée signifie qu'elles ne sont pas intrinsèquement aussi sûres que les batteries au phosphate de fer ou au titanate de lithium.