Jakie są różne rodzaje materiałów katodowych?
Materiały katodowe są zwykle czynnikiem ograniczającym, jeśli chodzi o wytwarzanie niezawodnych akumulatorów litowo-jonowych. Przy stale rosnącym użyciu akumulatorów naukowcy nadal poszukują materiałów katodowych, które łączą wysoką wydajność z bezpieczną pracą. Stosowane są różnorodne materiały, w zależności od zastosowania. Akumulatory do urządzeń domowych od dawna wykorzystują tlenek kobaltu jako główny materiał katodowy, a fosforany żelaza są poszukiwane w akumulatorach do samochodów elektrycznych.
Pożądane cechy materiałów katodowych polegają na tym, że pociągają one za sobą odwracalną reakcję, która może wytworzyć akumulator, i że reakcja ta nie powoduje zmiany fazy między żadnym z zaangażowanych materiałów. Dodatkowa energia potrzebna do zmiany materiałów między fazą gazową, ciekłą i stałą sprawia, że zaprojektowanie akumulatora, który wymaga takiej zmiany, jest niepraktyczne. Wczesne wersje akumulatorów litowych używały stopionej siarki jako katody, otoczonej stopioną solą o temperaturze 842 stopni Fahrenheita (450 stopni Celsjusza). Baterie te mogły zapewnić wysoką moc wyjściową, ale utrzymywanie oddzielenia płynnych materiałów było zbyt dużym problemem. Naukowcy szukali praktycznej metody wykorzystania siarki jako materiału katodowego.
Jedną z trudności w opracowaniu lepszych materiałów katodowych jest ich naturalna lotność. Aby akumulator działał, katoda musi mieć silny ładunek elektryczny względem drugiej elektrody, anody. Wymaga to substancji o wysokiej zawartości tlenu. Taki materiał jest potencjalnie bardzo łatwopalny, szczególnie w połączeniu z ciepłem, które często wiąże się z reakcją chemiczną zachodzącą w akumulatorze.
Jest to jeden z powodów zainteresowania związkami siarki dla katod. Siarka ma właściwości elektryczne tlenu bez jego lotności. Problem ze związkami siarki polega na tym, że wytwarzają one katody o krótszej żywotności, ponieważ ich reakcje chemiczne pozostawiają produkty uboczne, które rozpuszczają się w materiale elektrolitowym, który oddziela dwie elektrody.
Na początku lat siedemdziesiątych pojawiła się nowa grupa związków, która zwróciła uwagę badaczy, którzy zrezygnowali z pomysłu wykorzystania stopionej siarki. Najlżejszy z tych związków, disiarczek tytanu, był powszechnie stosowany w tej dekadzie. Został zastąpiony około 1980 r. Tlenkiem litowo-kobaltowym, który wyprodukował pierwszą naprawdę udaną baterię litowo-jonową.
Tlenek kobaltu jest dominującym materiałem katodowym na rynku i jest powszechnie stosowany w akumulatorach telefonów komórkowych i laptopów. W urządzeniach medycznych, takich jak defibrylatory serca, tlenek srebra wanadu jest powszechnie stosowany do katod. Ten typ baterii ma srebro jako produkt uboczny reakcji chemicznej, co poprawia przewodność baterii.
Fosforan żelaza, aw mniejszym stopniu tytanian litu, zwrócił uwagę producentów samochodów jako potencjalne materiały katodowe do akumulatorów samochodowych. Jednym z powodów jest to, że akumulatory z katodami wykonanymi z tych związków można szybko naładować w zaledwie 10 minut. Komórki z katodami wykonanymi z niklu mają najwyższą gęstość energii. Ta wysoka gęstość energii oznacza, że z natury nie są tak bezpieczne jak baterie fosforanu żelaza lub tytanianu litu.