Òxid de cobalt(III) i liti

Òxid de cobalt(III) i liti

Substància química	tipus d'entitat química
Massa molecular	97,939029 Da
Estructura química
Fórmula química	CoLiO₂
SMILES canònic	Model 2D [Li+].[O-][Co]=O
Identificador InChI	Model 3D
Propietat
Densitat	1,68 g/cm³

L'òxid de cobalt(III) i liti és un compost iònic format per anions òxid, ${\displaystyle {\ce {O^2-}}}$, i cations cobalt(3+), ${\displaystyle {\ce {Co^3+}}}$, i liti(1+), ${\displaystyle {\ce {Li^+}}}$. És un òxid de fórmula ${\displaystyle {\ce {LiCoO2}}}$. 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.

Estructura

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 ${\displaystyle {\ce {\alpha-NaFeO2}}}$ (grup espacial: ${\displaystyle \mathrm {R3m} }$) en la qual els cations ${\displaystyle {\ce {Li^+}}}$ i ${\displaystyle {\ce {Co^3+}}}$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 ${\displaystyle {\ce {\{Li2\}_{16c}[Co2]_{16d}O4}}}$, on els cations ${\displaystyle {\ce {Co^3+}}}$ ocupen tots els llocs octaèdrics 16d i els cations ${\displaystyle {\ce {Li^+}}}$ els llocs octaèdrics 16c de les espinel·les (grup espacial: ${\displaystyle \mathrm {Fd3m} }$).^[1]

Propietats

El ${\displaystyle {\ce {LiCoO2}}}$ és estable fins a una temperatura al voltant dels 1200 K (uns 900 °C). A temperatures superiors es descompon en oxigen, ${\displaystyle {\ce {O2}}}$, i tetraòxid de tricobalt, ${\displaystyle {\ce {Co3O4}}}$. Tanmateix el compost no estequiomètric ${\displaystyle {\ce {Li_{1-x}CoO2}}}$, 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

Diferents mètodes d'obtenció del ${\displaystyle {\ce {LiCoO2}}}$s'empren en la indústria. El més popular és el que fa reaccionar carbonat de cobalt(III), ${\displaystyle {\ce {Co2(CO3)3}}}$, o tetraòxid de tricobalt, ${\displaystyle {\ce {Co3O4}}}$, amb carbonat de liti, ${\displaystyle {\ce {Li2CO3}}}$, o hidròxid de liti, ${\displaystyle {\ce {LiOH}}}$, 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

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 ${\displaystyle {\ce {LiCoO2}}}$ amb un ànode de grafit.^[7] Encara que el càtode de ${\displaystyle {\ce {LiCoO2}}}$ 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 ${\displaystyle {\ce {LiCoO2}}}$ es dona la semireacció d'oxidació:

Els cations ${\displaystyle {\ce {Co^{3+}}}}$presents al ${\displaystyle {\ce {LiCoO2}}}$ s'oxiden a cations ${\displaystyle {\ce {Co^{4+}}}}$, alliberant un electró, ${\displaystyle {\ce {e^-}}}$, per cada catió ${\displaystyle {\ce {Co^{3+}}}}$ oxidat. Al mateix temps per mantenir l'electroneutralitat del compost surten d'ell cations ${\displaystyle {\ce {Li^+}}}$ formant-se el compost no estequiomètric ${\displaystyle {\ce {Li_{1-x}CoO2}}}$. Els cations ${\displaystyle {\ce {Li^+}}}$ viatgen cap l'elèctrode de grafit gràcies a l'electròlit hexafluorofosfat de liti, ${\displaystyle {\ce {LiF6P}}}$, on es redueixen a ${\displaystyle {\ce {Li}}}$ 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 ${\displaystyle {\ce {Co^{4+}}}}$, presents al compost no estequiomètric ${\displaystyle {\ce {Li_{1-x}CoO2}}}$ a ${\displaystyle {\ce {Co^{3+}}}}$, guanyant un electró, ${\displaystyle {\ce {e^-}}}$, per cada catió ${\displaystyle {\ce {Co^{4+}}}}$ reduït; mentre que els àtoms de ${\displaystyle {\ce {Li}}}$ s'oxiden a ${\displaystyle {\ce {Li^+}}}$ perdent un electró a l'ànode de grafit, ${\displaystyle {\ce {C6}}}$, i entrant novament en l'estructura del ${\displaystyle {\ce {LiCoO2}}}$:^[9]

Referències