I materiali catodici sono solitamente il fattore limitante quando si tratta di realizzare batterie agli ioni di litio affidabili. Con le batterie ricaricabili in uso sempre crescente, gli scienziati continuano a cercare materiali catodici che combinino un’elevata potenza con un funzionamento sicuro. Vengono utilizzati diversi materiali, a seconda dell’applicazione. Le batterie per gli apparecchi di consumo utilizzano da tempo l’ossido di cobalto come materiale principale del catodo e il fosfato di ferro è richiesto per le batterie delle auto elettriche.
Le qualità desiderabili nei materiali catodici sono che comportano una reazione reversibile che può produrre una batteria ricaricabile e che questa reazione non provoca un cambiamento di fase tra nessuno dei materiali coinvolti. L’energia extra richiesta per cambiare i materiali tra le loro fasi gassosa, liquida e solida rende poco pratico progettare una batteria che implichi un tale cambiamento. Le prime versioni delle batterie al litio ricaricabili utilizzavano lo zolfo fuso come catodo, circondato da sale fuso a 842 gradi Fahrenheit (450 gradi Celsius). Queste batterie potevano fornire una potenza elevata, ma mantenere separati i materiali liquidi era un problema troppo grande. I ricercatori hanno cercato un metodo pratico per utilizzare lo zolfo come materiale catodico.
Una delle difficoltà nello sviluppo di materiali catodici migliori è la loro intrinseca volatilità. 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, soprattutto se combinato con il calore spesso associato alla reazione chimica che avviene all’interno di una batteria.
Questo è uno dei motivi dell’interesse per i composti dello zolfo per i catodi. Lo zolfo ha le qualità elettriche dell’ossigeno senza la sua volatilità. Il problema con i composti dello zolfo è che producono catodi con una durata di vita più breve, perché le loro reazioni chimiche lasciano sottoprodotti che si dissolvono nel materiale elettrolitico che separa i due elettrodi.
All’inizio degli anni ‘1970 emerse un nuovo gruppo di composti che attirò l’attenzione dei ricercatori che avevano rinunciato all’idea di utilizzare lo zolfo fuso. Il più leggero di questi composti, il disolfuro di titanio, è stato comunemente usato durante questo decennio. È stato sostituito nel 1980 circa dall’ossido di litio-cobalto, che ha prodotto la prima batteria agli ioni di litio di vero successo.
L’ossido di cobalto è il materiale catodico dominante sul mercato ed è comunemente usato nelle batterie ricaricabili dei telefoni cellulari e dei computer portatili. Nelle apparecchiature mediche come i defibrillatori cardiaci, l’ossido di argento vanadio è comunemente usato per i catodi. Questo tipo di batteria ha l’argento come sottoprodotto della sua reazione chimica e questo migliora la conduttività della batteria.
Il fosfato di ferro e, in misura minore, il titanato di litio, hanno attirato l’attenzione dei produttori di automobili come potenziali materiali catodici per le batterie delle auto elettriche. Uno dei motivi è che le batterie con catodi realizzati con questi composti possono essere caricate rapidamente in appena 10 minuti. Le celle con catodi in nichelato hanno la più alta densità di energia. Questa elevata densità di energia significa che non sono intrinsecamente sicure come le batterie al fosfato di ferro o al titanato di litio.