Òxid de cobalt(III) i liti

compost químic

L'òxid de cobalt(III) i liti és un compost iònic format per anions òxid, , i cations cobalt(3+), , i liti(1+), . És un òxid de fórmula . S'empra com a càtode en les bateries recarregables d'ió liti àmpliament emprades en dispositius electrònics com ara els telèfons mòbils, les càmeres fotogràfiques o els ordinadors portàtils.

Infotaula de compost químicÒxid de cobalt(III) i liti
Substància químicatipus d'entitat química Modifica el valor a Wikidata
Massa molecular97,939029 Da Modifica el valor a Wikidata
Estructura química
Fórmula químicaCoLiO₂ Modifica el valor a Wikidata
SMILES canònic
Model 2D
[Li+].[O-][Co]=O Modifica el valor a Wikidata
Identificador InChIModel 3D Modifica el valor a Wikidata
Propietat
Densitat1,68 g/cm³ Modifica el valor a Wikidata

Estructura

modifica

L'òxid de cobalt(III) i liti pot presentar-se en dues formes. Si s'obté a altes temperatures, al voltant dels 800 °C, adopta la forma   (grup espacial:  ) en la qual els cations   i  s'ordenen de forma alternada en els plans {111} de l'estructura cristal·lina degut a la gran diferència de volum i de càrrega d'aquests dos cations. L'altra forma s'obté a baixes temperatures, al voltant dels 400 °C, i adopta l'estructura d'espinel·la litiada  , on els cations   ocupen tots els llocs octaèdrics 16d i els cations   els llocs octaèdrics 16c de les espinel·les (grup espacial:  ).[1]

Propietats

modifica

El   és estable fins a una temperatura al voltant dels 1200 K (uns 900 °C). A temperatures superiors es descompon en oxigen,  , i tetraòxid de tricobalt,  . Tanmateix el compost no estequiomètric  , que es produeix en el càtode de les bateries d'ió liti, es descompon només a uns 450 K (uns 170 °C) donant el compost estequiomètric i els productes indicats:[2]

 

Obtenció

modifica

Diferents mètodes d'obtenció del  s'empren en la indústria. El més popular és el que fa reaccionar carbonat de cobalt(III),  , o tetraòxid de tricobalt,  , amb carbonat de liti,  , o hidròxid de liti,  , a altes temperatures (850-900 °C) en aire durant diverses hores.[3]

 D'altres mètodes són la síntesi per combustió on una mescla de nitrat de cobalt(III) i carbonat de liti es crema a 350 °C amb diformilhidrazina;[4] la ruta hidrotermal on es fa reaccionar hidròxid de cobalt(II) amb nitrat de liti a temperatures entre 300 i 800 °C;[5] etc.

Aplicacions

modifica

L'ús de l'òxid de cobalt(II) i liti com a càtode en bateries fou descobert el 1980 pel grup de John B. Goodenough la Universitat d'Oxford.[6] El 1990 l'empresa japonesa Sony dissenyà la primera bateria d'ió liti combinant un càtode de   amb un ànode de grafit.[7] Encara que el càtode de   domina actualment el mercat de bateries de liti, hi ha una disponibilitat limitada de cobalt, que fa que tingui un alt preu. Aquest alt preu limita el seu ús a cel·les petites, com ara les que s'utilitzen en ordinadors, telèfons mòbils i càmeres fotogràfiques.[8]

En el procés de càrrega de la bateria en el càtode de   es dona la semireacció d'oxidació:

 

 
Bateria d'ió liti de Sony

Els cations  presents al   s'oxiden a cations  , alliberant un electró,  , per cada catió   oxidat. Al mateix temps per mantenir l'electroneutralitat del compost surten d'ell cations   formant-se el compost no estequiomètric  . Els cations   viatgen cap l'elèctrode de grafit gràcies a l'electròlit hexafluorofosfat de liti,  , on es redueixen a   a .

Al càtode, en el procés de descàrrega de la bateria, es produeix la semireacció de reducció que ve representada per:  En el procés de descàrrega es produeix una reducció de  , presents al compost no estequiomètric   a  , guanyant un electró,  , per cada catió   reduït; mentre que els àtoms de   s'oxiden a   perdent un electró a l'ànode de grafit,  , i entrant novament en l'estructura del  :[9]

 

Referències

modifica
  1. Maiyalagan, Thandavarayan; Jarvis, Karalee A.; Therese, Soosairaj; Ferreira, Paulo J.; Manthiram, Arumugam «Spinel-type lithium cobalt oxide as a bifunctional electrocatalyst for the oxygen evolution and oxygen reduction reactions» (en anglès). Nature Communications, 5, 27-05-2014, pàg. ncomms4949. DOI: 10.1038/ncomms4949.
  2. Kellerman, D. G. et al. «Investigation of thermal stability of LiCoO₂ and Li1-xCoO2». Chemistry of Sustainable Development, 10, 2002, pàg. 721-726.
  3. Julien, Christian; Mauger, Alain; Vijh, Ashok; Zaghib, Karim. Lithium Batteries: Science and Technology (en anglès). Springer, 2015-09-28. ISBN 9783319191089. 
  4. Rodrigues, Shalini; Munichandraiah, N.; Shukla, A. K. «Novel solution-combustion synthesis of LiCoO2 and its characterization as cathode material for lithium-ion cells». Journal of Power Sources, 102, 1, 01-12-2001, pàg. 322–325. DOI: 10.1016/S0378-7753(01)00770-4.
  5. Dong, Q. et al. «Synthesis of LiCoO2 via a facile hydrothermal-assisted route». Journal of the Ceramic Society of Japan, 119, 6, 2011, pàg. 538-540.
  6. Mizushima, K.; Jones, P. C.; Wiseman, P. J.; Goodenough, J. B. «LixCoO2 (0». Materials Research Bulletin, 15, 6, 01-06-1980, pàg. 783–789. DOI: 10.1016/0025-5408(80)90012-4.
  7. Nagaura, T.; Tozawa, K. «Lithium Ion Rechargeable Battery». Progress in Batteries and Solar Cells, 9, 1990, pàg. 209.
  8. Whittingham, M. Stanley «Lithium Batteries and Cathode Materials». Chem. Rev., 104, 2004, pàg. 4271-4301.
  9. Franco, Alejandro. Rechargeable Lithium Batteries: From Fundamentals to Applications (en anglès). Elsevier, 2015-04-07. ISBN 9781782420989.