Vilka är de olika typerna av katodmaterial?

Katodmaterial är vanligtvis den begränsande faktorn när det gäller att göra tillförlitliga litiumjonbatterier. Med uppladdningsbara batterier i allt större användning fortsätter forskare att söka katodmaterial som kombinerar hög effekt med säker drift. Beroende på applikation används olika material. Batterier för konsumentvaror har länge använt koboltoxid som sitt huvudkatodmaterial, och järnfosfat är efterfrågat efter elbatterier.

Önskvärda egenskaper i katodmaterial är att de involverar en reversibel reaktion som kan producera ett laddningsbart batteri, och att denna reaktion inte orsakar en fasändring bland något av de involverade materialen. Den extra energin som krävs för att byta material mellan deras gas, vätska och fasta faser gör det opraktiskt att konstruera ett batteri som innebär en sådan förändring. Tidigare versioner av laddningsbara litiumbatterier använde smält svavel som en katod, omgiven av smält salt som var 842 grader Fahrenheit (450 grader Celsius). Dessa batterier skulle kunna ge hög effekt, men att hålla flytande material separerade var för mycket problem. Forskare har letat efter en praktisk metod för att använda svavel som katodmaterial.

En av svårigheterna med att utveckla bättre katodmaterial är deras inneboende flyktighet. För att batteriet ska fungera måste katoden ha en stark elektrisk laddning med avseende på den andra elektroden, anoden. Detta kräver ett ämne med högt syreinnehåll. Sådant material är potentiellt mycket brännbart, särskilt när det kombineras med värmen som ofta är förknippad med den kemiska reaktionen som sker inom ett batteri.

Detta är en av orsakerna till intresset för svavelföreningar för katoder. Svavel har syrgas elektriska egenskaper utan dess flyktighet. Problemet med svavelföreningar är att de producerar katoder med kortare livslängd, eftersom deras kemiska reaktioner lämnar biprodukter som löses upp i elektrolytmaterialet som separerar de två elektroderna.

I början av 1970-talet framkom en ny grupp av föreningar som uppmärksammade forskare som hade gett upp tanken på att använda smält svavel. Den lättaste av dessa föreningar, titandisulfid, användes vanligtvis under detta decennium. Det ersattes cirka 1980 av litiumkoboltoxid, som producerade det första verkligen framgångsrika litiumjonbatteriet.

Koboltoxid är det dominerande katodmaterialet på marknaden och används ofta i de laddningsbara batterierna på mobiltelefoner och bärbara datorer. I medicinsk utrustning såsom hjärt defibrillatorer används silver vanadiumoxid vanligtvis för katoderna. Denna typ av batteri har silver som en biprodukt av sin kemiska reaktion, och detta förbättrar batteriets konduktivitet.

Järnfosfat, och i mindre utsträckning litiumtitanat, har uppmärksammat av biltillverkarna som potentiella katodmaterial för elbilsbatterier. En anledning till detta är att batterier med katoder tillverkade av dessa föreningar snabbt kan laddas på så få som 10 minuter. Celler med katoder tillverkade av nickelat har den högsta energitätheten. Denna höga energitäthet innebär att de i sig inte är lika säkra som järnfosfat eller litiumtitanatbatterier.