Quali sono i diversi tipi di materiali catodici?
I materiali catodici sono di solito il fattore limitante quando si tratta di produrre batterie agli ioni di litio affidabili. Con batterie ricaricabili in uso sempre crescente, gli scienziati continuano a cercare materiali catodici che combinano un alto rendimento con un funzionamento sicuro. Viene utilizzata una varietà di materiali, a seconda dell'applicazione. Le batterie per apparecchi di consumo hanno usato a lungo l'ossido di cobalto come principale materiale catodico e il fosfato di ferro è richiesto per le batterie delle auto elettriche.
Le qualità desiderabili nei materiali catodici sono che comportano una reazione reversibile che può produrre una batteria ricaricabile e che questa reazione non provoca un cambiamento di fase tra i materiali coinvolti. L'energia extra necessaria per cambiare i materiali tra le fasi gas, liquido e solido rende poco pratico progettare una batteria che comporta un tale cambiamento. Le prime versioni di batterie al litio ricaricabili utilizzavano lo zolfo fuso come catodo, circondato da sale fuso di 842 gradi Fahrenheit (450 gradi Celsius). Queste batterie potrebbero fornire un alto rendimento, ma mantenere separati i materiali liquidi era un problema eccessivo. I ricercatori hanno cercato un metodo pratico per utilizzare lo zolfo come materiale catodico.
Una delle difficoltà nello sviluppo di materiali catodici migliori è la loro volatilità intrinseca. Affinché la batteria funzioni, il catodo deve avere una forte carica elettrica rispetto all'altro elettrodo, l'anodo. Ciò richiede una sostanza con un alto contenuto di ossigeno. Tale materiale è potenzialmente molto combustibile, specialmente se combinato con il calore che è spesso associato alla reazione chimica che si verifica all'interno di una batteria.
Questo è uno dei motivi dell'interesse per i composti dello zolfo per i catodi. Lo zolfo ha le qualità elettriche dell'ossigeno senza la sua volatilità. Il problema con i composti dello zolfo è che producono catodi con durata della vita più breve, perché le loro reazioni chimiche lasciano sottoprodotti che si dissolvono nel materiale elettrolitico che separa i due elettrodi.
All'inizio degli anni '70 emerse un nuovo gruppo di composti che attirò l'attenzione dei ricercatori che avevano rinunciato all'idea di utilizzare lo zolfo fuso. Il più leggero di questi composti, il disolfuro di titanio, veniva comunemente usato durante questo decennio. Fu sostituito nel 1980 circa da ossido di litio cobalto, che produsse la prima batteria agli ioni di litio di grande successo.
L'ossido di cobalto è il materiale catodico dominante sul mercato ed è comunemente usato nelle batterie ricaricabili di telefoni cellulari e laptop. In apparecchiature mediche come i defibrillatori cardiaci, l'ossido di vanadio d'argento è comunemente usato per i catodi. Questo tipo di batteria ha l'argento come sottoprodotto della sua reazione chimica e questo migliora la conduttività della batteria.
Il fosfato di ferro e, in misura minore, il titanato di litio, hanno attirato l'attenzione dei produttori di automobili come potenziali materiali catodici per batterie di auto elettriche. Uno dei motivi è che le batterie con catodi prodotti con questi composti possono essere caricate rapidamente in soli 10 minuti. Le cellule con catodi fatte di nichelato hanno la più alta densità di energia. Questa elevata densità di energia significa che non sono intrinsecamente sicuri come le batterie al fosfato di ferro o al titanio al litio.