Ποιοι είναι οι διαφορετικοί τύποι υλικών καθόδου;

Τα υλικά καθόδου είναι συνήθως ο περιοριστικός παράγοντας όταν πρόκειται για την κατασκευή αξιόπιστων μπαταριών ιόντων λιθίου.Με τις επαναφορτιζόμενες μπαταρίες σε συνεχώς αυξανόμενη χρήση, οι επιστήμονες συνεχίζουν να αναζητούν υλικά καθόδου που συνδυάζουν υψηλή παραγωγή με ασφαλή λειτουργία.Χρησιμοποιείται μια ποικιλία υλικών, ανάλογα με την εφαρμογή.Οι μπαταρίες για τις συσκευές καταναλωτών έχουν χρησιμοποιήσει από καιρό οξείδιο του κοβαλτίου ως κύριο υλικό καθόδου και το φωσφορικό σιδήρου είναι σε ζήτηση για μπαταρίες ηλεκτρικών αυτοκινήτων.Η αντίδραση δεν προκαλεί αλλαγή φάσης σε οποιοδήποτε από τα υλικά που εμπλέκονται.Η πρόσθετη ενέργεια που απαιτείται για την αλλαγή των υλικών μεταξύ του αερίου, των υγρών και των στερεών φάσεων τους καθιστά ανέφικτη την σχεδίαση μιας μπαταρίας που περιλαμβάνει μια τέτοια αλλαγή.Οι πρώιμες εκδοχές των επαναφορτιζόμενων μπαταριών λιθίου χρησιμοποίησαν τετηγμένο θείο ως κάθοδο, που περιβάλλεται από τετηγμένο άλας που ήταν 842 βαθμοί Φαρενάιτ (450 βαθμοί Κελσίου).Αυτές οι μπαταρίες θα μπορούσαν να παρέχουν υψηλή απόδοση, αλλά η διατήρηση των υγρών υλικών που διαχωρίζονται ήταν πάρα πολύ ένα πρόβλημα.Οι ερευνητές έχουν αναζητήσει μια πρακτική μέθοδο χρήσης του θείου ως υλικού καθόδου.

Μια από τις δυσκολίες στην ανάπτυξη καλύτερων υλικών καθόδου είναι η εγγενή αστάθεια τους.Προκειμένου να λειτουργήσει η μπαταρία, η κάθοδος πρέπει να έχει ένα ισχυρό ηλεκτρικό φορτίο σε σχέση με το άλλο ηλεκτρόδιο, την άνοδο.Αυτό απαιτεί μια ουσία με υψηλό περιεχόμενο οξυγόνου.Αυτό το υλικό είναι δυνητικά πολύ εύφλεκτο, ειδικά όταν συνδυάζεται με τη θερμότητα που συχνά συνδέεται με τη χημική αντίδραση που λαμβάνει χώρα μέσα σε μια μπαταρία.

Αυτός είναι ένας από τους λόγους για το ενδιαφέρον για τις ενώσεις θείου για τις καθόδους.Το θείο έχει οξυγόνα ηλεκτρικές ιδιότητες χωρίς τη μεταβλητότητά του.Το πρόβλημα με τις ενώσεις του θείου είναι ότι παράγουν καθόδους με μικρότερη διάρκεια ζωής, επειδή οι χημικές αντιδράσεις τους αφήνουν υποπροϊόντα που διαλύονται στο υλικό ηλεκτρολύτη που χωρίζει τα δύο ηλεκτρόδια.Οι ερευνητές που είχαν παραιτηθεί από την ιδέα της χρήσης του λιωμένου θείου.Το ελαφρύτερο από αυτές τις ενώσεις, δισουλφίδιο τιτανίου, χρησιμοποιήθηκε συνήθως κατά τη διάρκεια αυτής της δεκαετίας.Αντικαταστάθηκε περίπου το 1980 από το οξείδιο του κοβαλτίου λιθίου, το οποίο παρήγαγε την πρώτη πραγματικά επιτυχημένη μπαταρία ιόντων λιθίου.

Το οξείδιο του κοβαλτίου είναι το κυρίαρχο υλικό καθόδου στην αγορά και χρησιμοποιείται συνήθως στις επαναφορτιζόμενες μπαταρίες κινητών τηλεφώνων και φορητών υπολογιστών.Στον ιατρικό εξοπλισμό, όπως οι καρδιακοί απινιδωτές, το οξείδιο του ασημένιου βαναδίου χρησιμοποιείται συνήθως για τις κάθοδοι.Αυτός ο τύπος μπαταρίας έχει ασήμι ως υποπροϊόν της χημικής αντίδρασής του και αυτό βελτιώνει την αγωγιμότητα του Batterys.

Φωσφορικό σιδήρου και σε μικρότερο βαθμό τιτανικού λιθίου, έχει προσελκύσει την προσοχή από τους κατασκευαστές αυτοκινήτων ως δυνητικά υλικά καθόδου για μπαταρίες ηλεκτρικών αυτοκινήτων.Ένας λόγος για αυτό είναι επειδή οι μπαταρίες με καθόδους που κατασκευάζονται από αυτές τις ενώσεις μπορούν να φορτωθούν γρήγορα σε μόλις 10 λεπτά.Τα κύτταρα με κάθοδοι από νικελικό έχουν την υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα.Αυτή η υψηλή ενεργειακή πυκνότητα σημαίνει ότι είναι εγγενώς όχι τόσο ασφαλείς όσο οι μπαταρίες τιτανικού λιθίου ή λιθίου.