Wat zijn de verschillende soorten kathodematerialen?

Kathodematerialen zijn meestal de beperkende factor bij het maken van betrouwbare lithium-ionbatterijen. Met oplaadbare batterijen die steeds vaker worden gebruikt, blijven wetenschappers op zoek naar kathodematerialen die een hoge output combineren met een veilige werking. Afhankelijk van de toepassing worden verschillende materialen gebruikt. Batterijen voor consumentenapparatuur hebben lang kobaltoxide gebruikt als hun belangrijkste kathodemateriaal en er is vraag naar ijzerfosfaat voor batterijen voor elektrische auto's.

Wenselijke 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-, vloeistof- en vaste fase 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 (450 graden Celsius) was. Deze batterijen kunnen een hoge output leveren, maar het gescheiden houden van de vloeibare materialen was een te groot probleem. Onderzoekers hebben gezocht naar een praktische methode om zwavel als kathodemateriaal te gebruiken.

Een van de moeilijkheden bij het ontwikkelen van betere kathodematerialen is hun inherente vluchtigheid. Om de batterij te laten werken, 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 hitte 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 eigenschappen van zuurstof zonder zijn vluchtigheid. Het probleem met zwavelverbindingen is dat ze kathoden produceren met een kortere levensduur, omdat hun chemische reacties bijproducten achterlaten die oplossen in het elektrolytmateriaal dat de twee elektroden scheidt.

In de vroege jaren 1970 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, titaandisulfide, werd in dit decennium algemeen gebruikt. Het werd in ongeveer 1980 vervangen door lithiumkobaltoxide, 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 hartdefibrillatoren wordt zilvervanadiumoxide gewoonlijk 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 als potentiële kathodematerialen voor batterijen voor elektrische auto's. Een reden hiervoor is dat batterijen met kathoden gemaakt van deze verbindingen snel kunnen worden opgeladen in slechts 10 minuten. Cellen met kathoden gemaakt van nikkel hebben de hoogste energiedichtheid. Deze hoge energiedichtheid betekent dat ze inherent niet zo veilig zijn als ijzerfosfaat- of lithiumtitanaatbatterijen.