Natrium-Cobalt(III)-oxid
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][2]
Die Verbindung kann auch durch Reaktion von Natriumcarbonat mit Cobalt(II,III)-oxid bei 750 °C gewonnen werden.[3]
Eigenschaften
Natrium-Cobalt(III)-oxid ist ein sehr feuchtigkeitsempfindlicher schwarzer Feststoff.[1] Es leitet Wärme nur schlecht, ist aber ein guter elektrischer Leiter.[4] 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.[5][6] Der α'-Typ hat eine Struktur mit der Vorlage:Raumgruppe, γ-Typ hat eine Struktur mit der Vorlage:Raumgruppe, Na0,5CoO2 hat eine Struktur mit der Vorlage:Raumgruppe, Na0,75CoO2 hat eine monokline Kristallstruktur mit der Vorlage:Raumgruppe. Das supraleitende Hydrat hat eine hexagonale Struktur mit der Raumgruppe Vorlage:Raumgruppe.[7]
Anwendung
Die regelmäßige Struktur aus Natriumatomen im Nanometerbereich macht Natriumkobaltoxid zu einem Kandidaten für Laptop-Batterien, effizienter thermoelektrischer Kühlsysteme oder Supraleitern.[4][8][9]
Batterien
Verschiedene Phasen von Natriumcobaltoxid zeigen eine elektrochemische Aktivität und sind deshalb als Kathodenmaterial für Interkalationsbatterien nutzbar.[10] 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.[11]
Supraleitung
Durch Substitution eines gewissen Anteils der Natriumionen mit Wasser lässt sich der Abstand der Cobaltoxidebenen deutlich vergrößern.[12][13] 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.[13] Das Hydrat Na0,3CoO2 · 1,3H2O zeigt ein Maximum der Sprungtemperatur Tc mit 4,3 K.[13]
Thermoelektrizität
Natriumcobaltoxid zeigt ausgeprägte thermoelektrische Eigenschaften.[14][15] Ein Vergleich 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.[15] Untersuchungen zur Abhängigkeit der thermoelektrischen Eigenschaften vom Interkalationsgrad zeigen ein Maximum des Seebeckkoeffizienten bei x > 0,5 und Temperaturen von etwa 100 K.[16]
Einzelnachweise
- ↑ 1,0 1,1 Vorlage:Literatur
- ↑ 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, Vorlage:DOI.
- ↑ AGH University of Science and Technology: Sodium cobalt oxide as functional material
- ↑ 4,0 4,1 organische-chemie.ch: Natriumkobaltoxid in Akkus, als Kühlmittel oder Supraleiter, abgerufen am 5. Juni 2017
- ↑ 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, Vorlage:DOI.
- ↑ Vorlage:Patent
- ↑ University of Wollongong: Crystal growth, magnetism, transport and superconductivity of two dimensional sodium cobalt oxide single crystals, Chen, Dapeng
- ↑ 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, Vorlage:DOI.
- ↑ 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, Vorlage:DOI.
- ↑ J. J. Braconnier, C. Delmas, C. Fouassier, P. Hagenmuller: Electrochemical behavior of the phases NaxCoO2. In: Materials Research Bulletin 12, 1980, S. 1797–1804, Vorlage:DOI.
- ↑ R. Berthelot, D. Carlier, C. Delmas: Electrochemical investigation of the P2–NaxCoO2 phase diagram. In: Nature Materials 1, 2010, S. 74–80, Vorlage:DOI.
- ↑ 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, Vorlage:DOI.
- ↑ 13,0 13,1 13,2 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, Vorlage:DOI.
- ↑ J. Molenda, C. Delmas, P. Dordor, A. Stoklosa: Transport properties of NaxCoO2-y. In: Solid State Ionics 12, 1984, S. 473–477, Vorlage:DOI.
- ↑ 15,0 15,1 I. Terasaki, Y. Sasago, K. Uchinokura: Large thermoelectric power in NaCo2O4 single crystals. In: Physical Review B 56, 1997, S. R12685-R12687, Vorlage:DOI.
- ↑ 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, Vorlage:DOI.