¿Cuáles son los diferentes tipos de materiales catódicos?

Los materiales catódicos suelen ser el factor limitante cuando se trata de fabricar baterías confiables de iones de litio. Con baterías recargables en uso cada vez mayor, los científicos continúan buscando materiales catódicos que combinen un alto rendimiento con una operación segura. Se utiliza una variedad de materiales, según la aplicación. Las baterías para electrodomésticos de consumo han utilizado durante mucho tiempo el óxido de cobalto como su principal material de cátodo, y el fosfato de hierro tiene demanda de baterías para automóviles eléctricos.

Las cualidades deseables en los materiales catódicos son que implican una reacción reversible que puede producir una batería recargable, y que esta reacción no causa un cambio de fase entre ninguno de los materiales involucrados. La energía adicional requerida para cambiar los materiales entre sus fases gaseosa, líquida y sólida hace que sea poco práctico diseñar una batería que implique dicho cambio. Las primeras versiones de baterías de litio recargables usaban azufre fundido como cátodo, rodeado de sal fundida que era de 842 grados Fahrenheit (450 grados Celsius). Estas baterías podrían proporcionar un alto rendimiento, pero mantener los materiales líquidos separados era demasiado problema. Los investigadores han buscado un método práctico para usar azufre como material catódico.

Una de las dificultades para desarrollar mejores materiales catódicos es su volatilidad inherente. Para que la batería funcione, el cátodo necesita tener una fuerte carga eléctrica con respecto al otro electrodo, el ánodo. Esto requiere una sustancia con un alto contenido de oxígeno. Tal material es potencialmente muy combustible, especialmente cuando se combina con el calor que a menudo se asocia con la reacción química que tiene lugar dentro de una batería.

Esta es una de las razones del interés en los compuestos de azufre para los cátodos. El azufre tiene las cualidades eléctricas del oxígeno sin su volatilidad. El problema con los compuestos de azufre es que producen cátodos con una vida útil más corta, porque sus reacciones químicas dejan subproductos que se disuelven en el material electrolítico que separa los dos electrodos.

A principios de la década de 1970, surgió un nuevo grupo de compuestos que llamó la atención de los investigadores que habían renunciado a la idea de usar azufre fundido. El más ligero de estos compuestos, el disulfuro de titanio, se usó comúnmente durante esta década. Fue reemplazado aproximadamente en 1980 por óxido de litio y cobalto, que produjo la primera batería de iones de litio verdaderamente exitosa.

El óxido de cobalto es el material de cátodo dominante en el mercado y se usa comúnmente en las baterías recargables de teléfonos celulares y computadoras portátiles. En equipos médicos como los desfibriladores cardíacos, el óxido de plata y vanadio se usa comúnmente para los cátodos. Este tipo de batería tiene plata como subproducto de su reacción química, y esto mejora la conductividad de la batería.

El fosfato de hierro y, en menor medida, el titanato de litio, han llamado la atención de los fabricantes de automóviles como posibles materiales catódicos para baterías de automóviles eléctricos. Una razón para esto es porque las baterías con cátodos hechos de estos compuestos se pueden cargar rápidamente en tan solo 10 minutos. Las células con cátodos hechos de nickelate tienen la mayor densidad de energía. Esta alta densidad de energía significa que no son tan seguros como las baterías de fosfato de hierro o titanato de litio.