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Lithiumkobaltoxid
May 04, 2018

Lithiumkobaltoxid

Aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

 

Lithium-Cobalt-Oxid, manchmal Lithium-Cobaltat [2] oder Lithium-Cobaltit [3] genannt , ist eine chemische Verbindung mit der Formel LiCoO
2. Die Cobaltatome befinden sich formal in der Oxidationsstufe +3, daher der IUPAC- Name Lithium-Cobalt (III) -oxid.

Lithium-Cobalt-Oxid ist ein dunkelblauer oder bläulich-grauer kristalliner Feststoff, [4] und wird üblicherweise in den positiven Elektroden von Lithium-Ionen-Batterien verwendet .

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Struktur

Die Struktur von LiCoO
2 wurde mit zahlreichen Techniken einschließlich Röntgenbeugung , Elektronenmikroskopie , Neutronenpulverbeugung und EXAFS untersucht :

Der Feststoff besteht aus Schichten einwertiger Lithiumkationen (Li +), die zwischen ausgedehnten anionischen Schichten aus Kobalt- und Sauerstoffatomen liegen, die als kantenverknüpfte Oktaeder angeordnet sind , wobei zwei Flächen parallel zur Blattebene liegen. [6] Die Cobaltatome befinden sich formal in der dreiwertigen Oxidationsstufe (Co3 +) und sind zwischen zwei Schichten von Sauerstoffatomen (O2-) eingeschlossen.

In jeder Schicht (Kobalt, Sauerstoff oder Lithium) sind die Atome in einem regelmäßigen Dreiecksgitter angeordnet. Die Gitter sind versetzt, so dass die Lithiumatome am weitesten von den Kobaltatomen entfernt sind, und die Struktur wiederholt sich in der Richtung senkrecht zu den Ebenen alle drei Kobalt- (oder Lithium-) Schichten. Die Raumgruppe ist in Hermann-Mauguin- Schreibweise {\ displaystyle R {\ bar {3}}} , was eine rhombenartige Einheitszelle mit dreifacher falscher Rotationssymmetrie und einer Spiegelebene bedeutet. Die dreifache Rotationsachse (die senkrecht zu den Schichten ist) wird als unkorrekt bezeichnet, da die Sauerstoffdreiecke (die sich auf gegenüberliegenden Seiten jedes Oktaeders befinden) anti-ausgerichtet sind. [7]

Vorbereitung

Vollständig reduziertes Lithiumkobaltoxid kann durch Erhitzen einer stöchiometrischen Mischung von Lithiumcarbonat Li hergestellt werden
2CO & sub3; und Cobalt (II, III) oxid Co & sub3 ; O & sub4; oder metallisches Cobalt bei 600 bis 800ºC, dann Tempern des Produkts bei 900ºC für viele Stunden, alles unter einer Sauerstoffatmosphäre.

Nanometergroße Teilchen, die für die Kathodenverwendung besser geeignet sind, können auch durch Calcinieren von hydratisiertem Material erhalten werden   Cobaltoxalat & bgr; -CoC 2 O 4 · 2H 2 O in Form von stäbchenförmigen Kristallen mit einer Länge von etwa 8 & mgr; m und einer Breite von 0,4 & mgr; m mit Lithiumhydroxid LiOH bis zu 750 bis 900 ° C.

Ein drittes Verfahren verwendet Lithiumacetat , Kobaltacetat und Zitronensäure in gleichen molaren Mengen in Wasserlösung. Erwärmen auf 80 ° C wandelt die Mischung in ein viskoses transparentes Gel um. Das getrocknete Gel wird dann gemahlen und allmählich auf 550ºC erhitzt.

Verwendung in wiederaufladbaren Batterien

Die Nützlichkeit von Lithium - Cobalt - Oxid als Interkalationselektrode wurde 1980 von John B. Goodenoughs Forschungsgruppe in Oxford entdeckt.

Die Verbindung wird jetzt als Kathode in einigen wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batterien mit Partikelgrößen im Bereich von Nanometern bis Mikrometern verwendet . Während des Ladens wird das Kobalt teilweise in den Zustand +4 oxidiert, wobei sich einige Lithiumionen in den Elektrolyten bewegen, was zu einer Reihe von Verbindungen LixCoO2 mit 0 <1>

Batterien, die mit LiCoO2-Kathoden hergestellt werden, weisen sehr stabile Kapazitäten auf, haben jedoch geringere Kapazitäten und Leistungen als solche mit Kathoden auf der Basis von Nickel-Kobalt-Aluminium (NCA) -Oxiden. Probleme mit der thermischen Stabilität sind für LiCoO2-Kathoden besser als für andere nickelreiche Chemikalien, wenn auch nicht signifikant. Dies macht LiCoO2-Batterien in Fällen von Missbrauch wie Hochtemperaturbetrieb (> 130 ° C) oder Überladung anfällig für thermische Instabilität . Bei erhöhten Temperaturen entsteht beim LiCoO2- Abbau Sauerstoff , der dann mit dem organischen Elektrolyten der Zelle reagiert. Dies ist ein Sicherheitsproblem aufgrund der Größenordnung dieser stark exothermen Reaktion , die sich auf benachbarte Zellen ausbreiten oder in der Nähe brennbares Material entzünden kann. [11] Dies ist im Allgemeinen bei vielen Lithium-Ionen-Batteriekathoden zu beobachten.