Какие существуют типы катодных материалов?

Катодные материалы обычно являются ограничивающим фактором, когда речь идет о создании надежных литий-ионных аккумуляторов. С постоянно растущим использованием перезаряжаемых батарей ученые продолжают искать катодные материалы, которые сочетают в себе высокую производительность и безопасную эксплуатацию. Различные материалы используются в зависимости от применения. Батареи для бытовых приборов уже давно используют оксид кобальта в качестве основного катодного материала, а фосфат железа востребован для аккумуляторов электромобилей.

Желательные качества в катодных материалах заключаются в том, что они включают обратимую реакцию, которая может привести к перезаряжаемой батарее, и что эта реакция не вызывает фазового перехода между любыми материалами. Дополнительная энергия, необходимая для изменения материалов между их газовой, жидкой и твердой фазами, делает нецелесообразным проектирование батареи, которая включает такое изменение. Ранние версии перезаряжаемых литиевых батарей использовали расплавленную серу в качестве катода, в окружении расплавленной соли, температура которой составляла 842 градуса по Фаренгейту (450 градусов по Цельсию). Эти батареи могли обеспечить высокую производительность, но держать жидкие материалы отдельно было слишком большой проблемой. Исследователи искали практический метод использования серы в качестве катодного материала.

Одна из трудностей в разработке более качественных катодных материалов заключается в их летучести. Чтобы батарея функционировала, катод должен иметь сильный электрический заряд относительно другого электрода, анода. Для этого требуется вещество с высоким содержанием кислорода. Такой материал потенциально очень горюч, особенно в сочетании с теплом, которое часто связано с химической реакцией, которая происходит внутри батареи.

Это одна из причин интереса к соединениям серы для катодов. Сера обладает электрическими качествами кислорода без его летучести. Проблема с соединениями серы состоит в том, что они производят катоды с более коротким сроком службы, потому что их химические реакции оставляют побочные продукты, которые растворяются в материале электролита, который разделяет два электрода.

В начале 1970-х годов появилась новая группа соединений, которая привлекла внимание исследователей, которые отказались от идеи использования расплавленной серы. Самый легкий из этих соединений, дисульфид титана, широко использовался в течение этого десятилетия. В 1980 году его заменили оксидом лития-кобальта, который стал первым действительно успешным литий-ионным аккумулятором.

Оксид кобальта является доминирующим катодным материалом на рынке и обычно используется в аккумуляторных батареях мобильных телефонов и ноутбуков. В медицинском оборудовании, таком как сердечные дефибрилляторы, для катодов обычно используется оксид серебра-ванадия. Этот тип батареи имеет серебро как побочный продукт его химической реакции, и это улучшает проводимость батареи.

Фосфат железа и, в меньшей степени, титанат лития, привлекли внимание производителей автомобилей как потенциальные катодные материалы для аккумуляторов электромобилей. Одна из причин этого заключается в том, что батареи с катодами, изготовленными из этих соединений, можно быстро зарядить всего за 10 минут. Клетки с катодами из никелата имеют самую высокую плотность энергии. Эта высокая плотность энергии означает, что они по своей природе не так безопасны, как батареи на основе фосфата железа или титаната лития.