Wat zijn de verschillende soorten kathodematerialen?

Kathodematerialen zijn meestal de beperkende factor als het gaat om het maken van betrouwbare lithium-ionbatterijen. Met oplaadbare batterijen in steeds groter wordend gebruik, blijven wetenschappers kathodematerialen zoeken die een hoge output combineren met veilige werking. Er worden verschillende materialen gebruikt, afhankelijk van de toepassing. Batterijen voor consumentenapparatuur hebben al lang kobaltoxide gebruikt als hun belangrijkste kathodemateriaal, en ijzerfosfaat is in vraag naar elektrische auto -batterijen.

gewenste eigenschappen in kathodematerialen zijn dat ze een omkeerbare reactie met zich meebrengen die een oplaadbare batterij kan produceren en dat deze reactie geen faseverandering veroorzaakt tussen de betrokken materialen. De extra energie die nodig is om materialen tussen hun gas, vloeibare en vaste fasen te veranderen, maakt het onpraktisch om een ​​batterij te ontwerpen die een dergelijke verandering inhoudt. Vroege versies van oplaadbare lithiumbatterijen gebruikten gesmolten zwavel als een kathode, omringd door gesmolten zout dat 842 graden Fahrenheit was (450 gradenes Celsius). Deze batterijen kunnen een hoge output bieden, maar het gescheiden houden van de vloeibare materialen was te veel een probleem. Onderzoekers hebben gezocht naar een praktische methode om zwavel te gebruiken als kathodemateriaal.

Een van de moeilijkheden bij het ontwikkelen van betere kathodematerialen is hun inherente volatiliteit. Om de batterij te laten functioneren, moet de kathode een sterke elektrische lading hebben ten opzichte van de andere elektrode, de anode. Dit vereist een stof met een hoog zuurstofgehalte. Dergelijk materiaal is potentieel zeer brandbaar, vooral in combinatie met de warmte die vaak wordt geassocieerd met de chemische reactie die plaatsvindt in een batterij.

Dit is een van de redenen voor de interesse in zwavelverbindingen voor kathoden. Zwavel heeft de elektrische kwaliteiten van zuurstof zonder zijn volatiliteit. Het probleem met zwavelverbindingen is dat ze kathoden produceren met kortere levensEspans, omdat hun chemische reacties bijproducten achterlaten die oplossen in het elektrolytmateriaal dat de twee elektroden scheidt.

In de vroege jaren zeventig ontstond een nieuwe groep verbindingen die de aandacht trok van onderzoekers die het idee hadden opgegeven om gesmolten zwavel te gebruiken. De lichtste van deze verbindingen, titaniumdisulfide, werd in dit decennium vaak gebruikt. Het werd in ongeveer 1980 vervangen door lithiumcobaltoxide, dat de eerste echt succesvolle lithium-ionbatterij produceerde.

Kobaltoxide is het dominante kathodemateriaal op de markt en wordt vaak gebruikt in de oplaadbare batterijen van mobiele telefoons en laptops. In medische apparatuur zoals hartdefibrillators wordt zilver vanadiumoxide vaak gebruikt voor de kathoden. Dit type batterij heeft zilver als bijproduct van zijn chemische reactie, en dit verbetert de geleidbaarheid van de batterij.

IJzerfosfaat, en in mindere mate lithiumtitanaat, hebben de aandacht getrokken van autofabrikanten aS potentiële kathodematerialen voor batterijen voor elektrische auto's. Een reden hiervoor is omdat batterijen met kathoden gemaakt van deze verbindingen snel kunnen worden opgeladen in slechts 10 minuten. Cellen met kathoden gemaakt van nikkelaat hebben de hoogste energiedichtheid. Deze hoge energiedichtheid betekent dat ze inherent niet zo veilig zijn als ijzerfosfaat of lithiumtitanaatbatterijen.