Les matériaux de cathode sont généralement le facteur limitant lorsqu’il s’agit de fabriquer des batteries lithium-ion fiables. Avec des batteries rechargeables de plus en plus utilisées, les scientifiques continuent de rechercher des matériaux de cathode qui combinent un rendement élevé avec un fonctionnement sûr. Une variété de matériaux sont utilisés, en fonction de l’application. Les batteries pour les appareils grand public utilisent depuis longtemps l’oxyde de cobalt comme principal matériau de cathode, et le phosphate de fer est en demande pour les batteries de voitures électriques.
Les qualités souhaitables des matériaux cathodiques sont qu’ils impliquent une réaction réversible qui peut produire une batterie rechargeable, et que cette réaction ne provoque pas de changement de phase parmi les matériaux impliqués. L’énergie supplémentaire requise pour changer les matériaux entre leurs phases gazeuse, liquide et solide rend impossible la conception d’une batterie qui implique un tel changement. Les premières versions de batteries au lithium rechargeables utilisaient du soufre fondu comme cathode, entouré de sel fondu à 842 degrés Fahrenheit (450 degrés Celsius). Ces batteries pouvaient fournir un rendement élevé, mais garder les matériaux liquides séparés était trop problématique. Les chercheurs ont cherché une méthode pratique d’utilisation du soufre comme matériau de cathode.
L’une des difficultés pour développer de meilleurs matériaux de cathode est leur volatilité inhérente. Pour que la batterie fonctionne, la cathode doit avoir une forte charge électrique par rapport à l’autre électrode, l’anode. Cela nécessite une substance à forte teneur en oxygène. Un tel matériau est potentiellement très combustible, en particulier lorsqu’il est combiné à la chaleur souvent associée à la réaction chimique qui a lieu dans une batterie.
C’est une des raisons de l’intérêt des composés soufrés pour les cathodes. Le soufre a les qualités électriques de l’oxygène sans sa volatilité. Le problème avec les composés soufrés est qu’ils produisent des cathodes avec une durée de vie plus courte, car leurs réactions chimiques laissent des sous-produits qui se dissolvent dans le matériau électrolytique qui sépare les deux électrodes.
Au début des années 1970, un nouveau groupe de composés a émergé qui a attiré l’attention des chercheurs qui avaient abandonné l’idée d’utiliser du soufre fondu. Le plus léger de ces composés, le disulfure de titane, a été couramment utilisé au cours de cette décennie. Elle a été remplacée vers 1980 par l’oxyde de lithium et de cobalt, qui a produit la première batterie lithium-ion vraiment réussie.
L’oxyde de cobalt est le matériau cathodique dominant sur le marché et est couramment utilisé dans les batteries rechargeables des téléphones portables et des ordinateurs portables. Dans les équipements médicaux tels que les défibrillateurs cardiaques, l’oxyde de vanadium d’argent est couramment utilisé pour les cathodes. Ce type de batterie contient de l’argent comme sous-produit de sa réaction chimique, ce qui améliore la conductivité de la batterie.
Le phosphate de fer et, dans une moindre mesure, le titanate de lithium, ont attiré l’attention des constructeurs automobiles en tant que matériaux cathodiques potentiels pour les batteries de voitures électriques. L’une des raisons à cela est que les batteries avec des cathodes fabriquées à partir de ces composés peuvent être chargées rapidement en aussi peu que 10 minutes. Les cellules dont les cathodes sont en nickelate ont la densité d’énergie la plus élevée. Cette densité énergétique élevée signifie qu’elles ne sont intrinsèquement pas aussi sûres que les batteries au phosphate de fer ou au titanate de lithium.