Kathodenmaterialien sind in der Regel der limitierende Faktor bei der Herstellung zuverlässiger Lithium-Ionen-Batterien. Da wiederaufladbare Batterien immer häufiger verwendet werden, suchen Wissenschaftler weiterhin nach Kathodenmaterialien, die eine hohe Leistung mit einem sicheren Betrieb kombinieren. Je nach Anwendung kommen unterschiedliche Materialien zum Einsatz. Batterien für Verbrauchergeräte verwenden seit langem Kobaltoxid als Hauptkathodenmaterial, und Eisenphosphat ist für Elektroautobatterien gefragt.
Erwünschte Eigenschaften von Kathodenmaterialien sind, dass sie eine reversible Reaktion beinhalten, die eine wiederaufladbare Batterie erzeugen kann, und dass diese Reaktion keine Phasenänderung zwischen den beteiligten Materialien verursacht. Die zusätzliche Energie, die erforderlich ist, um Materialien zwischen ihrer Gas-, Flüssig- und Festphase zu wechseln, macht es unpraktisch, eine Batterie zu entwickeln, die einen solchen Wechsel beinhaltet. Frühe Versionen von wiederaufladbaren Lithiumbatterien verwendeten geschmolzenen Schwefel als Kathode, umgeben von geschmolzenem Salz mit einer Temperatur von 842 Grad Fahrenheit (450 Grad Celsius). Diese Batterien konnten eine hohe Leistung erbringen, aber die Trennung der flüssigen Materialien war ein zu großes Problem. Forscher haben nach einer praktischen Methode gesucht, Schwefel als Kathodenmaterial zu verwenden.
Eine der Schwierigkeiten bei der Entwicklung besserer Kathodenmaterialien ist ihre inhärente Flüchtigkeit. Damit die Batterie funktioniert, muss die Kathode gegenüber der anderen Elektrode, der Anode, eine starke elektrische Ladung aufweisen. Dies erfordert eine Substanz mit einem hohen Sauerstoffgehalt. Ein solches Material ist potentiell sehr brennbar, insbesondere wenn es mit der Hitze kombiniert wird, die oft mit der chemischen Reaktion in einer Batterie verbunden ist.
Dies ist einer der Gründe für das Interesse an Schwefelverbindungen für Kathoden. Schwefel hat die elektrischen Eigenschaften von Sauerstoff ohne seine Flüchtigkeit. Das Problem mit Schwefelverbindungen besteht darin, dass sie Kathoden mit kürzerer Lebensdauer erzeugen, weil ihre chemischen Reaktionen Nebenprodukte hinterlassen, die sich im Elektrolytmaterial auflösen, das die beiden Elektroden trennt.
In den frühen 1970er Jahren tauchte eine neue Gruppe von Verbindungen auf, die die Aufmerksamkeit von Forschern auf sich zog, die die Idee der Verwendung von geschmolzenem Schwefel aufgegeben hatten. Die leichteste dieser Verbindungen, Titandisulfid, wurde in diesem Jahrzehnt häufig verwendet. Es wurde etwa 1980 durch Lithium-Kobalt-Oxid ersetzt, das die erste wirklich erfolgreiche Lithium-Ionen-Batterie hervorbrachte.
Kobaltoxid ist das dominierende Kathodenmaterial auf dem Markt und wird üblicherweise in wiederaufladbaren Batterien von Mobiltelefonen und Laptops verwendet. In medizinischen Geräten wie Herzdefibrillatoren wird üblicherweise Silbervanadiumoxid für die Kathoden verwendet. Dieser Batterietyp enthält als Nebenprodukt seiner chemischen Reaktion Silber, was die Leitfähigkeit der Batterie verbessert.
Eisenphosphat und in geringerem Maße Lithiumtitanat haben die Aufmerksamkeit der Autohersteller als potenzielle Kathodenmaterialien für Elektroautobatterien auf sich gezogen. Ein Grund dafür ist, dass Batterien mit Kathoden aus diesen Verbindungen in nur 10 Minuten schnell geladen werden können. Zellen mit Kathoden aus Nickelat haben die höchste Energiedichte. Diese hohe Energiedichte bedeutet, dass sie von Natur aus nicht so sicher sind wie Eisenphosphat- oder Lithiumtitanat-Batterien.