Quali sono i diversi tipi di materiali catodici?

I materiali catodici sono generalmente il fattore limitante quando si tratta di produrre batterie agli ioni di litio affidabili.Con batterie ricaricabili in uso sempre crescente, gli scienziati continuano a cercare materiali catodici che combinano un'elevata produzione con un funzionamento sicuro.Vengono utilizzate una varietà di materiali, a seconda dell'applicazione.Le batterie per gli elettrodomestici consumatori hanno usato a lungo l'ossido di cobalto come materiale principale del catodo e il fosfato di ferro è richiesto da batterie per auto elettriche.

Qualità desiderabile nei materiali catodici sono che comportano una reazione reversibile che può produrre una batteria ricaricabile e che questoLa reazione non causa un cambiamento di fase tra nessuno dei materiali coinvolti.L'energia extra necessaria per cambiare materiale tra le loro fasi di gas, liquido e solido rende poco pratico progettare una batteria che comporta tale cambiamento.Le prime versioni di batterie al litio ricaricabili usavano lo zolfo fuso come catodo, circondato da sale fuso che era di 842 gradi Fahrenheit (450 gradi Celsius).Queste batterie potrebbero fornire una produzione elevata, ma mantenere separati i materiali liquidi era troppo un problema.I ricercatori hanno cercato un metodo pratico per usare lo zolfo come materiale catodico.

Una delle difficoltà nello sviluppo di materiali catodici migliori è la loro volatilità intrinseca.Affinché la batteria funzioni, il catodo deve avere una forte carica elettrica rispetto all'altro elettrodo, l'anodo.Ciò richiede una sostanza con un alto contenuto di ossigeno.Tale materiale è potenzialmente molto combustibile, specialmente se combinato con il calore che è spesso associato alla reazione chimica che si svolge all'interno di una batteria.

Questo è uno dei motivi per l'interesse per i composti di zolfo per i catodi.Lo zolfo ha qualità elettriche di Oxygens senza la sua volatilità.Il problema con i composti di zolfo è che producono catodi con una durata più breve, perché le loro reazioni chimiche lasciano sottoprodotti che si dissolvono nel materiale elettrolitico che separa i due elettrodi.

All'inizio degli anni '70, è emerso un nuovo gruppo di composti che ha attirato l'attenzione di attenzioneRicercatori che avevano rinunciato all'idea di usare zolfo fuso.Il più leggero di questi composti, disolfuro di titanio, è stato comunemente usato durante questo decennio.Fu sostituito nel 1980 circa dall'ossido di cobalto al litio, che produceva la prima batteria agli ioni di litio di successo.

L'ossido di cobalto è il materiale catodico dominante nel mercato ed è comunemente usato nelle batterie ricaricabili di cellulari e computer portatili.In attrezzature mediche come i defibrillatori cardiaci, l'ossido di vanadio d'argento viene comunemente usato per i catodi.Questo tipo di batteria ha l'argento come sottoprodotto della sua reazione chimica, e questo migliora la conduttività delle batterie.

Fosfato di ferro e, in misura minore, hanno attirato l'attenzione dai produttori di auto come potenziali materiali catodici per le batterie per auto elettriche.Uno dei motivi è perché le batterie con catodi realizzate con questi composti possono essere rapidamente caricate in un minimo di 10 minuti.Le cellule con catodi realizzati in nichelato hanno la più alta densità di energia.Questa alta densità di energia significa che non sono intrinsecamente sicuri come il fosfato di ferro o le batterie al titanate di litio.