Hva er de forskjellige typene av katodemateriale?
Katodematerialer er vanligvis den begrensende faktoren når det gjelder å lage pålitelige litium-ion-batterier. Med oppladbare batterier i stadig økende bruk, fortsetter forskere å søke katodematerialer som kombinerer høy ytelse og sikker drift. Avhengig av bruken brukes en rekke materialer. Batterier til forbrukerapparater har lenge brukt koboltoksid som sitt viktigste katodemateriale, og jernfosfat er etterspurt etter elbilbatterier.
Ønskelige egenskaper i katodematerialer er at de involverer en reversibel reaksjon som kan gi et oppladbart batteri, og at denne reaksjonen ikke forårsaker en faseendring blant noe av de involverte materialene. Den ekstra energien som kreves for å skifte materiale mellom deres gass-, væske- og faste fase, gjør det upraktisk å designe et batteri som innebærer en slik endring. Tidlige versjoner av ladbare litiumbatterier brukte smeltet svovel som en katode, omgitt av smeltet salt som var 842 grader Fahrenheit (450 grader Celsius). Disse batteriene kunne gi høy ytelse, men å holde de flytende materialene atskilt var for mye av et problem. Forskere har sett etter en praktisk metode for å bruke svovel som katodemateriale.
En av vanskene med å utvikle bedre katodematerialer er deres iboende flyktighet. For at batteriet skal fungere, må katoden ha en sterk elektrisk ladning i forhold til den andre elektroden, anoden. Dette krever et stoff med høyt oksygeninnhold. Slikt materiale er potensielt veldig brennbart, spesielt når det kombineres med varmen som ofte er assosiert med den kjemiske reaksjonen som foregår i et batteri.
Dette er en av grunnene til interessen for svovelforbindelser for katoder. Svovel har oksygenens elektriske egenskaper uten dets flyktighet. Problemet med svovelforbindelser er at de produserer katoder med kortere levetid, fordi deres kjemiske reaksjoner etterlater biprodukter som løses opp i elektrolyttmaterialet som skiller de to elektrodene.
På begynnelsen av 1970-tallet dukket det opp en ny gruppe forbindelser som trakk oppmerksomheten til forskere som hadde gitt opp ideen om å bruke smeltet svovel. Den letteste av disse forbindelsene, titandisulfid, ble ofte brukt i løpet av dette tiåret. Det ble erstattet i 1980 med litiumkoboltoksyd, som produserte det første virkelig vellykkede litium-ion-batteriet.
Koboltoksid er det dominerende katodematerialet i markedet og brukes ofte i de oppladbare batteriene til mobiltelefoner og bærbare datamaskiner. I medisinsk utstyr som hjertestartere brukes ofte vanadiumoksyd til katodene. Denne typen batterier har sølv som et biprodukt av sin kjemiske reaksjon, og dette forbedrer batteriets ledningsevne.
Jernfosfat, og i mindre grad litiumtitanat, har trukket oppmerksomheten fra bilprodusentene som potensielle katodematerialer for elbilbatterier. En årsak til dette er fordi batterier med katoder laget av disse forbindelsene raskt kan lades på så få som 10 minutter. Celler med katoder laget av nikkelat har den høyeste energitettheten. Denne høye energitettheten betyr at de iboende ikke er like sikre som jernfosfat- eller litiumtitanatbatterier.