陰極材料の種類は何ですか？

カソード材料は通常、信頼性の高いリチウムイオン電池の製造を制限する要因です。 充電式電池の使用が増え続ける中、科学者は高出力と安全な動作を兼ね備えた正極材料を探し続けています。 用途に応じて、さまざまな材料が使用されます。 民生機器用のバッテリーは主にカソード材料として酸化コバルトを使用しており、リン酸鉄は電気自動車用バッテリーの需要があります。

カソード材料の望ましい品質は、再充電可能なバッテリーを生成する可逆反応を伴うこと、およびこの反応が関係する材料間で相変化を引き起こさないことです。 材料を気相、液相、固相の間で変更するために必要な余分なエネルギーにより、そのような変更を伴うバッテリーの設計は実用的ではありません。 充電式リチウム電池の初期のバージョンでは、溶融硫黄がカソードとして使用され、華氏842度（450度）の溶融塩に囲まれていました。 これらのバッテリーは高出力を提供できますが、液体材料を分離しておくことはあまりにも大きな問題でした。 研究者は硫黄をカソード材料として使用する実用的な方法を探してきました。

より良いカソード材料を開発する際の困難の1つは、その固有の揮発性です。 バッテリーが機能するためには、カソードが他の電極であるアノードに対して強い電荷を持っている必要があります。 これには、酸素含有量の高い物質が必要です。 そのような材料は、特にバッテリー内で起こる化学反応に関連することが多い熱と組み合わされた場合、特に非常に可燃性です。

これが、カソード用の硫黄化合物に関心がある理由の1つです。 硫黄には、揮発性のない酸素の電気的性質があります。 硫黄化合物の問題は、化学反応により2つの電極を分離する電解質材料に溶解する副産物が残るため、カソードの寿命が短くなることです。

1970年代初頭に、溶融硫黄の使用のアイデアをあきらめた研究者の注目を集めた化合物の新しいグループが登場しました。 これらの化合物の中で最も軽い二硫化チタンは、この10年間に一般的に使用されていました。 1980年頃にコバルト酸リチウムに置き換えられ、初めて成功したリチウムイオン電池を製造しました。

酸化コバルトは、市場で支配的なカソード材料であり、携帯電話やラップトップコンピューターの充電式バッテリーで一般的に使用されています。 心臓除細動器などの医療機器では、陰極に酸化バナジウム銀が一般的に使用されています。 このタイプのバッテリーには、化学反応の副産物として銀が含まれており、これによりバッテリーの導電性が向上します。

リン酸鉄、および程度は低いがチタン酸リチウムは、電気自動車バッテリーの潜在的なカソード材料として自動車メーカーから注目を集めています。 この理由の1つは、これらの化合物で作られたカソードを備えたバッテリーをわずか10分ですばやく充電できるためです。 ニッケル酸塩で作られたカソードを持つセルは、最高のエネルギー密度を持っています。 この高エネルギー密度は、本質的にリン酸鉄またはチタン酸リチウム電池ほど安全ではないことを意味します。