Quais são os diferentes tipos de materiais catódicos?

Os materiais catódicos são geralmente o fator limitante quando se trata de fabricar baterias de íon-lítio confiáveis. Com baterias recarregáveis ​​em uso cada vez maior, os cientistas continuam buscando materiais catódicos que combinam alto rendimento com operação segura. Uma variedade de materiais é usada, dependendo da aplicação. As baterias para aparelhos de consumo costumam usar o óxido de cobalto como principal material de cátodo, e o fosfato de ferro é procurado por baterias de carros elétricos.

As qualidades desejáveis ​​nos materiais catódicos são que eles envolvem uma reação reversível que pode produzir uma bateria recarregável e que essa reação não causa uma mudança de fase entre nenhum dos materiais envolvidos. A energia extra necessária para trocar materiais entre as fases gasosa, líquida e sólida torna impraticável projetar uma bateria que envolva essa alteração. As primeiras versões das baterias de lítio recarregáveis ​​usavam enxofre derretido como cátodo, cercado por sal derretido que era de 450 graus Celsius (842 graus Fahrenheit). Essas baterias poderiam fornecer uma saída alta, mas manter os materiais líquidos separados era um problema demais. Os pesquisadores procuraram um método prático de usar o enxofre como material catódico.

Uma das dificuldades no desenvolvimento de melhores materiais catódicos é a volatilidade inerente. Para que a bateria funcione, o cátodo precisa ter uma carga elétrica forte em relação ao outro eletrodo, o ânodo. Isso requer uma substância com alto teor de oxigênio. Esse material é potencialmente muito combustível, especialmente quando combinado com o calor frequentemente associado à reação química que ocorre dentro de uma bateria.

Esta é uma das razões do interesse em compostos de enxofre para cátodos. O enxofre possui as qualidades elétricas do oxigênio sem sua volatilidade. O problema com os compostos de enxofre é que eles produzem cátodos com vida útil mais curta, porque suas reações químicas deixam subprodutos que se dissolvem no material eletrolítico que separa os dois eletrodos.

No início dos anos 70, surgiu um novo grupo de compostos que chamou a atenção de pesquisadores que desistiram da idéia de usar enxofre derretido. O mais leve desses compostos, dissulfeto de titânio, era comumente usado durante esta década. Foi substituído em 1980 por óxido de cobalto e lítio, que produziu a primeira bateria de íon de lítio verdadeiramente bem-sucedida.

O óxido de cobalto é o material catódico dominante no mercado e é comumente usado nas baterias recarregáveis ​​de telefones celulares e laptops. Em equipamentos médicos, como desfibriladores cardíacos, o óxido de vanádio de prata é comumente usado para os catodos. Esse tipo de bateria possui prata como subproduto de sua reação química, e isso melhora a condutividade da bateria.

O fosfato de ferro e, em menor grau, o titanato de lítio, chamaram a atenção dos fabricantes de automóveis como potenciais materiais catódicos para baterias de carros elétricos. Uma razão para isso é porque as baterias com cátodos feitos com esses compostos podem ser carregadas rapidamente em apenas 10 minutos. Células com cátodos feitos de níquel têm a maior densidade de energia. Essa alta densidade de energia significa que eles não são inerentemente tão seguros quanto as baterias de fosfato de ferro ou titanato de lítio.