Natrium-Cobalt(III)-oxid

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Kristallstruktur
Lithium-Cobalt(III)-oxid
_ Na+ 0 _ Co3+0 _ O2−
Allgemeines
Name Natrium-Cobalt(III)-oxid
Andere Namen
  • Natrium-Cobalt-Dioxid
  • Natriumcobaltoxid
  • Natriumkobaltoxid
Verhältnisformel NaCoO2
Kurzbeschreibung

schwarzer Feststoff[1]

Externe Identifikatoren/Datenbanken
CAS-Nummer
  • 39455-58-8[2]
  • 595564-41-3 (Hydrat)
  • 108159-17-7 (x=0,6)
  • 118392-28-2 (x=0,64-0,74)
  • 121091-71-2 (x=0,67)
  • 153590-08-0 (x=0,77)
Eigenschaften
Molare Masse 113,919 g·mol−1
Aggregatzustand

fest[1]

Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung
keine Einstufung verfügbar[3]
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Natrium-Cobalt(III)-oxid ist eine chemische Verbindung von Natrium, Cobalt und Sauerstoff. Cobalt und Sauerstoff bilden dabei Cobaltoxid-Ebenen zwischen denen Natrium-Ionen eingelagert sind.

Herstellung

Verschiedene Natrium-Cobalt(III)-oxid-Phasen können durch Reaktion von Natriumperoxid oder Natriumhydroxid und Cobalt(II,III)-oxidpulver bei Temperaturen von 450 bis 750 °C dargestellt werden. Um Phasen mit x gleich 0,60, 0,77 und 1 zu erhalten sollte die Temperatur bei 550 °C liegen, für Phasen im Bereich zwischen 0,64 und 0,74 bei 750 °C.[1][4]

Die Verbindung kann auch durch Reaktion von Natriumcarbonat mit Cobalt(II,III)-oxid bei 750 °C gewonnen werden.[5]

Eigenschaften

Natrium-Cobalt(III)-oxid ist ein sehr feuchtigkeitsempfindlicher schwarzer Feststoff.[1] Es leitet Wärme nur schlecht, ist aber ein guter elektrischer Leiter.[6] Die Verbindung hat eine Schichtstruktur bei der sich Schichten aus Natriumatomen mit solchen aus Kobalt und Sauerstoff abwechseln. Von der Struktur, die eine CoO2-Schicht umfasst, worin CoO6-Oktraeder, die jeweils ein mit sechs Sauerstoffatomen koordiniertes Cobaltatom aufweisen, in einer kantenverknüpften Weise verbunden sind, wurde 1973 der α-Typ (rhomboedrisches System), der α'-Typ (monoklines System), der β-Typ (orthorhombisches System) und der γ-Typ (hexagonales System) entdeckt.[7][8] Der α'-Typ hat eine Struktur mit der Raumgruppe R3m (Raumgruppen-Nr. 166)Vorlage:Raumgruppe/166, γ-Typ hat eine Struktur mit der Raumgruppe P63/mmc (Raumgruppen-Nr. 194)Vorlage:Raumgruppe/194, Na0,5CoO2 hat eine Struktur mit der Raumgruppe Pmmn (Raumgruppen-Nr. 59)Vorlage:Raumgruppe/59, Na0,75CoO2 hat eine monokline Kristallstruktur mit der Raumgruppe C2/m (Raumgruppen-Nr. 12)Vorlage:Raumgruppe/12. Das supraleitende Hydrat hat eine hexagonale Struktur mit der Raumgruppe P63/mmcVorlage:Raumgruppe/194.[9]

Anwendung

Die regelmäßige Struktur aus Natriumatomen im Nanometerbereich macht Natriumkobaltoxid zu einem Kandidat für Laptop-Batterien, effizienter thermoelektrischer Kühlsysteme oder Supraleitern.[6][10][11]

Batterien

Verschiedene Phasen von Natriumcobaltoxid zeigen eine elektrochemische Aktivität und sind deshalb als Kathodenmaterial für Interkalationsbatterien nutzbar[12]. Insbesondere die P2 Phase ist über einen weiten Bereich reversibel Interkalierbar. Es zeigen sich verschiedene Phasenübergänge, welche zu stufenartigen Änderungen des Potentials gegenüber metallischem Natrium führen[13].

Supraleitung

Durch Substitution eines gewissen Anteils der Natriumionen mit Wasser lässt sich der Abstand der Cobaltoxidebenen deutlich vergrößern[14][15] Dies führt zu supraleitenden Eigenschaften des Hydrats von Natriumcobaltoxid. Variation des Natrium- und Wassergehalts zwischen den Cobaltoxidebenen führt zu einer Elektronendotierung der Cobaltatome, was die supraleitenden Eigenschaften beeinflusst[15] Das Hydrat Na0,3CoO2 · 1,3H2O zeigt ein Maximum der Sprungtemperatur Tc mit 4,3 K[15].

Thermoelektrizität

Natriumcobaltoxid zeigt ausgeprägte thermoelektrische Eigenschaften[16][17]. Verglichen mit einem konventionellen Thermoelektrikum (Bismuttellurid) zeigt, dass der Seebeckkoeffizient von NaCoO2 nur etwa halb so groß ist – aufgrund des geringeren elektrischen Widerstands ist NaCoO2 trotzdem interessant für thermoelektrische Anwendungen.[17] Untersuchungen zur Abhängigkeit der thermoelektrischen Eigenschaften vom Interkalationsgrad zeigen ein Maximum des Seebeckkoeffizienten bei x > 0,5 und Temperaturen von etwa 100 K[18].

Einzelnachweise

  1. a b c d Smith L. Holt: Inorganic Syntheses, Band 22. John Wiley & Sons, 2009, ISBN 0-470-13288-4, S. 56 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  2. Guidechem, abgerufen am 15. Januar 2016.
  3. Dieser Stoff wurde in Bezug auf seine Gefährlichkeit entweder noch nicht eingestuft oder eine verlässliche und zitierfähige Quelle hierzu wurde noch nicht gefunden.
  4. Yuechuan Lei, Xin Li, Lei Liu, Gerbrand Ceder: Synthesis and Stoichiometry of Different Layered Sodium Cobalt Oxides. In: Chemistry of Materials. 26, 2014, S. 5288, doi:10.1021/cm5021788.
  5. AGH University of Science and Technology: Sodium cobalt oxide as functional material
  6. a b organische-chemie.ch: Natriumkobaltoxid in Akkus, als Kühlmittel oder Supraleiter, abgerufen am 5. Juni 2017
  7. M. Roger, D. J. P. Morris, D. A. Tennant, M. J. Gutmann, J. P. Goff, J.-U. Hoffmann, R. Feyerherm, E. Dudzik, D. Prabhakaran, A. T. Boothroyd, N. Shannon, B. Lake, P. P. Deen: Patterning of sodium ions and the control of electrons in sodium cobaltate. In: Nature. 445, 2007, S. 631, doi:10.1038/nature05531.
  8. Patent DE602004008040T2: Natrium-Kobaldoxid-Hydrat. Angemeldet am 21. Januar 2004, veröffentlicht am 8. Mai 2008, Anmelder: National Institute for Material Science, Erfinder: Kazunori Takada et al.
  9. University of Wollongong: Crystal growth, magnetism, transport and superconductivity of two dimensional sodium cobalt oxide single crystals, Chen, Dapeng
  10. K. Takada, H. Sakurai, E. Takayama-Muromachi, F. Izumi, R. A. Dilanian, T. Sasaki: A New Superconducting Phase of Sodium Cobalt Oxide. In: Advanced Materials. 16, 2004, S. 1901, doi:10.1002/adma.200400756.
  11. Nur Khairani Samin, Roshidah Rusdi, Norashikin Kamarudin, Norlida Kamarulzaman: Synthesis and Battery Studies of Sodium Cobalt Oxides, NaCoO2 Cathodes. In: Advanced Materials Research. 545, 2012, S. 185, doi:10.4028/www.scientific.net/AMR.545.185.
  12. J. J. Braconnier, C. Delmas, C. Fouassier, P. Hagenmuller: Electrochemical behavior of the phases NaxCoO2 In: Materials Research Bulletin 12, 1980, S. 1797-1804, doi:10.1016/0025-5408(80)90199-3.
  13. R. Berthelot, D. Carlier, C. Delmas: Electrochemical investigation of the P2–NaxCoO2 phase diagram In: Nature Materials 1, 2010, S. 74-80, doi:10.1038/nmat2920.
  14. K. Takada, H. Sakurai, E. Takayama-Muromachi, F. Izumi, R. A. Dilanian, T. Sasaki: Superconductivity in two-dimensional CoO2 layers In: Nature 6927, 2003, S. 53-55, doi:10.1038/nature01450.
  15. a b c R. E. Schaak, T. Klimczuk, M. L. Foo, R. J. Cava: Superconductivity phase diagram of NaxCoO2·1.3H2O In: Nature 6948, 2003, S. 527-530, doi:10.1038/nature01774.
  16. J. Molenda, C. Delmas, P. Dordor, A. Stoklosa: Transport properties of NaxCoO2-y In: Solid State Ionics 12, 1984, S. 473-477, doi:10.1016/0167-2738(84)90180-2.
  17. a b I. Terasaki, Y. Sasago, K. Uchinokura: Large thermoelectric power in NaCo2O4 single crystals In: Physical Review B 56, 1997, S. R12685-R12687, doi:10.1103/PhysRevB.56.R12685.
  18. M. Lee, L. Viciu, L. Li, Y. Wang, M. L. Foo, S. Watauchi, R. A. Pascal, R. J. Cava, N. P. Ong: Large enhancement of the thermopower in Na(x)CoO2 at high Na doping In: nature materials 5, 2006, S. 537-540, doi:10.1038/nmat1669.