stringtranslate.com

Оксид лития-кобальта

Оксид лития-кобальта , иногда называемый кобальтатом лития [2] или кобальтитом лития [3] , представляет собой химическое соединение с формулой LiCoO
2Формально атомы кобальта находятся в степени окисления +3, отсюда и название ИЮПАК — оксид лития-кобальта(III) .

Оксид лития-кобальта представляет собой твёрдое кристаллическое вещество тёмно-синего или голубовато-серого цвета [4] и обычно используется в положительных электродах литий-ионных аккумуляторов .

Структура

Структура LiCoO
2был изучен с помощью многочисленных методов, включая рентгеновскую дифракцию , электронную микроскопию , нейтронную порошковую дифракцию и EXAFS . [5]

Твердое тело состоит из слоев одновалентных катионов лития ( Li+
), которые лежат между протяженными анионными слоями атомов кобальта и кислорода, расположенных в виде октаэдров с общими ребрами , с двумя гранями, параллельными плоскости слоя. [6] Атомы кобальта формально находятся в трехвалентной степени окисления ( Co3+
) и зажаты между двумя слоями атомов кислорода ( O2−
).

В каждом слое (кобальт, кислород или литий) атомы расположены в правильной треугольной решетке. Решетки смещены так, что атомы лития находятся дальше всего от атомов кобальта, а структура повторяется в направлении, перпендикулярном плоскостям, через каждые три слоя кобальта (или лития). Симметрия точечной группы находится в нотации Германа-Могена , что означает элементарную ячейку с тройной неправильной вращательной симметрией и зеркальной плоскостью. Тройная вращательная ось (которая нормальна к слоям) называется неправильной, потому что треугольники кислорода (находящиеся на противоположных сторонах каждого октаэдра) анти-выровнены. [7]

Подготовка

Полностью восстановленный оксид лития-кобальта можно получить нагреванием стехиометрической смеси карбоната лития Li
2КО
3и оксид кобальта(II,III) Co
3О
4или металлический кобальт при 600–800 °C, затем отжиг продукта при 900 °C в течение многих часов, все в атмосфере кислорода. [6] [3] [7]

Синтез LCO
Путь синтеза LCO нанометрового и субмикрометрового размера [8]

Частицы нанометрового размера, более подходящие для использования в качестве катода, также могут быть получены путем прокаливания гидратированного оксалата кобальта β- CoC.
2О
4·2 ч
2O , в виде стержнеобразных кристаллов длиной около 8 мкм и шириной 0,4 мкм, с гидроксидом лития LiOH , до 750–900 °C. [9]

Третий метод использует ацетат лития , ацетат кобальта и лимонную кислоту в равных молярных количествах в водном растворе. Нагревание при 80 °C превращает смесь в вязкий прозрачный гель. Высушенный гель затем измельчают и постепенно нагревают до 550 °C. [10]

Использование в аккумуляторных батареях

Полезность оксида лития-кобальта в качестве интеркаляционного электрода была обнаружена в 1980 году исследовательской группой Оксфордского университета под руководством Джона Б. Гуденафа и Коити Мидзусимы из Токийского университета . [11]

В настоящее время это соединение используется в качестве катода в некоторых перезаряжаемых литий-ионных батареях , при этом размеры частиц варьируются от нанометров до микрометров . [10] [9] Во время зарядки кобальт частично окисляется до состояния +4, при этом некоторые ионы лития перемещаются в электролит, в результате чего образуется ряд соединений Li
хCoO
2при 0 < x < 1. [3]

Аккумуляторы, произведенные с использованием LiCoO
2Катоды имеют очень стабильную емкость, но имеют меньшую емкость и мощность, чем катоды на основе (особенно богатых никелем) оксидов никеля-кобальта-алюминия (NCA) или никеля-кобальта-марганца (NCM). [12] Проблемы с термической стабильностью лучше для LiCoO
2катоды, чем другие богатые никелем химические вещества, хотя и не значительно. Это делает LiCoO
2Аккумуляторы подвержены тепловому разгону в случаях неправильного обращения, например, при работе в условиях высоких температур (>130 °C) или перезарядки . При повышенных температурах LiCoO
2 разложение генерирует кислород , который затем реагирует с органическим электролитом ячейки, эта реакция часто наблюдается в литий-ионных батареях , где батарея становится очень летучей и должна быть переработана безопасным образом. Разложение LiCoO 2 является проблемой безопасности из-за масштаба этой высокоэкзотермической реакции , которая может распространиться на соседние ячейки или воспламенить близлежащие горючие материалы. [13] В целом, это наблюдается для многих катодов литий-ионных батарей.

Процесс делитирования обычно осуществляется химическими средствами [14], хотя был разработан новый физический процесс, основанный на циклах ионного распыления и отжига [15] , который оставляет свойства материала нетронутыми.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ 442704 - Оксид лития-кобальта(III) (14.09.2012). "Страница продукта Sigma-Aldrich". Sigmaaldrich.com . Получено 21.01.2013 .{{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
  2. ^ AL Emelina, MA Bykov, ML Kovba, BM Senyavin, EV Golubina (2011), "Термохимические свойства кобальтата лития". Журнал физической химии , том 85, выпуск 3, страницы 357–363; doi :10.1134/S0036024411030071
  3. ^ abc Ондржей Янковский, Ян Коваржик, Йиндржих Лейтнер, Светослав Ружичка, Давид Седмидубский (2016) «Термодинамические свойства стехиометрического литий-кобальтита LiCoO2». Thermochimica Acta , том 634, страницы 26-30. дои :10.1016/j.tca.2016.04.018
  4. ^ LinYi Gelon New Battery Materials Co., Ltd, "Оксид лития-кобальта (LiCoO2) для литий-ионных аккумуляторов". Запись в каталоге, доступ 2018-04-10,
  5. ^ I. Nakai; K. Takahashi; Y. Shiraishi; T. Nakagome; F. Izumi; Y. Ishii; F. Nishikawa; T. Konishi (1997). "Анализ тонкой структуры рентгеновского поглощения и нейтронной дифракции поведения деинтеркаляции в системах LiCoO2 и LiNiO2". Journal of Power Sources . 68 (2): 536–539. Bibcode :1997JPS....68..536N. doi :10.1016/S0378-7753(97)02598-6.
  6. ^ ab Шао-Хорн, Янг ; Крогеннек, Лоренс; Дельмас, Клод; Нельсон, Э. Крис; О'Киф, Майкл А. (июль 2003 г.). «Атомное разрешение ионов лития в LiCoO2». Nature Materials . 2 (7): 464–467. doi :10.1038/nmat922. PMID  12806387. S2CID  34357573.
  7. ^ ab HJ Orman & PJ Wiseman (январь 1984). "Кобальт(III) оксид лития, CoLiO
    2    : уточнение структуры методом порошковой нейтронной дифракции». Acta Crystallographica Section C . 40 (1): 12–14. doi :10.1107/S0108270184002833.
  8. ^ Ци, Чжаосян; Кениг, Гэри М. (16 августа 2016 г.). «Высокопроизводительные субмикрометровые материалы LiCoO2, полученные с помощью масштабируемой обработки шаблонов микрочастиц». ChemistrySelect . 1 (13): 3992–3999. doi :10.1002/slct.201600872. ISSN  2365-6549.
  9. ^ ab Qi, Zhaoxiang (август 2016 г.). «Высокопроизводительные субмикрометровые материалы LiCoO2, полученные с помощью масштабируемой обработки шаблонов микрочастиц». ChemistrySelect . 1 (13): 3992–3999. doi :10.1002/slct.201600872.
  10. ^ ab Tang, W.; Liu, LL; Tian, ​​S.; Li, L.; Yue, YB; Wu, YP; Guan, SY; Zhu, K. (2010-11-01). "Nano-LiCoO2 как катодный материал большой емкости и высокой скорости для литиевых аккумуляторов с водным типом заряда". Electrochemistry Communications . 12 (11): 1524–1526. doi :10.1016/j.elecom.2010.08.024.
  11. ^ К. Мидзусима, П. К. Джонс, П. Дж. Уайзман, Дж. Б. Гуденаф (1980), " Ли
    х    CoO
    2     (0< x <1): Новый катодный материал для батарей с высокой плотностью энергии". Materials Research Bulletin , том 15, страницы 783–789. doi :10.1016/0025-5408(80)90012-4
  12. ^ Освальд, Стефан; Гастайгер, Хуберт А. (2023-03-01). «Предел структурной устойчивости слоистых оксидов переходных металлов лития из-за высвобождения кислорода при высоком состоянии заряда и его зависимость от содержания никеля». Журнал Электрохимического общества . 170 (3): 030506. doi : 10.1149/1945-7111/acbf80 . ISSN  0013-4651. S2CID  258406065.
  13. ^ Доути, Дэниел; Песаран, Ахмад. «Руководство по дорожной карте безопасности аккумуляторных батарей транспортных средств» (PDF) . Национальная лаборатория возобновляемой энергии . Получено 19 января 2013 г. .
  14. ^ Аурбах, Д. (2002-06-02). «Краткий обзор механизмов разрушения литиевого металла и литированных графитовых анодов в жидких электролитных растворах». Solid State Ionics . 148 (3–4): 405–416. doi :10.1016/S0167-2738(02)00080-2.
  15. ^ Салагре, Елена; Сеговия, Пилар; Гонсалес-Баррио, Мигель Анхель; Юговак, Маттео; Морас, Паоло; Пис, Игорь; Бондино, Федерика; Пирсон, Джастин; Ван, Ричмонд Шивэй; Такеучи, Ичиро; Фуллер, Эллиот Дж.; Талин, Алек А.; Маскарак, Арантзасу; Мишель, Энрике Г. (2023-08-02). "Физическое делитирование эпитаксиальных катодов аккумуляторов LiCoO 2 как платформа для исследования поверхностной электронной структуры". ACS Applied Materials & Interfaces . 15 (30): 36224–36232. doi : 10.1021/acsami.3c06147 . hdl : 10486/708446 . ISSN  1944-8244.

Внешние ссылки