Jakie są różne rodzaje materiałów katodowych?

Materiały katodowe są zwykle czynnikiem ograniczającym, jeśli chodzi o tworzenie niezawodnych akumulatorów litowo-jonowych. Dzięki akumulatorom w coraz większym stosowaniu naukowcy nadal szukają materiałów katodowych, które łączą wysoką moc wyjściową z bezpieczną obsługą. W zależności od zastosowania stosuje się różnorodne materiały. Akumulatory dla urządzeń konsumenckich od dawna stosują tlenek kobaltu jako głównego materiału katodowego, a fosforan żelaza jest poszukiwany na akumulatory samochodów elektrycznych.

Pożądane właściwości w materiałach katodowych są takie, że obejmują odwracalną reakcję, która może wytwarzać akumulator, a reakcja nie powoduje zmiany fazy wśród żadnych z materiałów. Dodatkowa energia wymagana do zmiany materiałów między fazami gazu, cieczy i stałymi sprawia, że ​​zaprojektowanie akumulatora wymagają takiej zmiany. Wczesne wersje akumulatorów litowych stosowane przez stopioną siarkę jako katodę, otoczone stopioną solą, która wynosiła 842 stopnie Fahrenheita (450 stopnies celsjusz). Akumulatory te mogą zapewnić wysoką moc wyjściową, ale utrzymanie oddzielonych materiałów cieczy było zbyt dużym problemem. Naukowcy szukali praktycznej metody stosowania siarki jako materiału katodowego.

Jedną z trudności w opracowywaniu lepszych materiałów katodowych jest ich nieodłączna zmienność. Aby akumulator działał, katoda musi mieć silny ładunek elektryczny w odniesieniu do drugiej elektrody, anody. Wymaga to substancji o wysokiej zawartości tlenu. Taki materiał jest potencjalnie bardzo palny, szczególnie w połączeniu z ciepłem często związanym z reakcją chemiczną, która ma miejsce w baterii.

Jest to jeden z powodów zainteresowania związkami siarki dla katod. Siarka ma cechy elektryczne tlenu bez jego zmienności. Problem ze związkami siarki polega na tym, że wytwarzają katody o krótszym LIFEspans, ponieważ ich reakcje chemiczne pozostawiają produkty uboczne, które rozpuszczają się w materiał elektrolityczny, który oddziela dwie elektrody.

Na początku lat siedemdziesiątych pojawiła się nowa grupa związków, która zwróciła uwagę badaczy, którzy zrezygnowali z pomysłu stosowania stopionej siarki. Najlżejszy z tych związków, tytanowy disiarczek, był powszechnie stosowany podczas tej dekady. Został zastąpiony około 1980 roku litowym tlenkiem kobaltu, który wytworzył pierwszy naprawdę udany bateria litowo-jonowa.

Tlenek kobaltu jest dominującym materiałem katodowym na rynku i jest powszechnie stosowany w akumulatorach telefonów komórkowych i komputerach laptopowych. W sprzęcie medycznym, takim jak defibrylatory serca, srebrny wanad tlenek jest powszechnie stosowany w katodach. Ten rodzaj baterii ma srebro jako produkt uboczny swojej reakcji chemicznej, co poprawia przewodność baterii.

Fosforan żelaza i w mniejszym stopniu litowy tytanian zwrócił uwagę producentów samochodów as Potencjalne materiały katodowe do akumulatorów samochodów elektrycznych. Jednym z powodów jest to, że baterie z katodami wykonanymi z tych związków można szybko naładować w ciągu zaledwie 10 minut. Komórki z katodami wykonanymi z nikelatu mają najwyższą gęstość energii. Ta wysoka gęstość energii oznacza, że ​​z natury nie są one tak bezpieczne jak fosforan żelaza lub litowe baterie tytanianu.