리튬 코발트 산화물

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1. 개요

리튬 코발트 산화물(LiCoO₂)은 충전식 리튬 이온 배터리의 양극 재료로 사용되는 화합물이다. 층상 구조를 가지며, 리튬 이온 층과 코발트, 산소 원자 층으로 구성된다. 탄산 리튬과 산화 코발트(II,III)을 가열하여 합성하거나, 나노미터 크기 입자를 만들기 위해 수산화 리튬과 옥살산 코발트를 소성하는 방법 등이 있다. 1980년에 삽입 전극으로 유용하다는 것이 밝혀졌으며, 현재 일부 리튬 이온 배터리에 사용된다. 충전 시 코발트가 산화되고 리튬 이온이 전해질로 이동하며, 안정적인 용량을 가지지만, 고온에서 열 폭주에 취약하다는 단점이 있다.

리튬 코발트 산화물 - [화학 물질]에 관한 문서

일반 정보

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리튬 이온(Li+) 코발트(Co3+) 산소(O2-)

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IUPAC 명칭	리튬 코발트(III) 산화물
다른 이름	코발트산 리튬

식별 정보

CAS 등록번호	12190-79-3
PubChem CID	23670860
EC 번호	235-362-0
ChemSpider ID	11262976
StdInChI	1S/Co.Li.2O/q+3;+1;2*-2
StdInChIKey	LSZLYXRYFZOJRA-UHFFFAOYSA-N
SMILES	[Li+].[O-2].[Co+3].[O-2]

속성

화학식	LiCoO2
몰 질량	97.87 g mol−1
외형	짙은 파란색 또는 청회색 결정성 고체
밀도	알 수 없음
녹는점	알 수 없음
끓는점	알 수 없음
용해도	알 수 없음

위험성

주요 위험	유해함
인화점	알 수 없음
자연 발화점	알 수 없음
신호어	위험

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1. 개요
2. 구조
3. 합성
4. 충전식 배터리에서의 활용
5. 한국의 관련 연구 동향

2. 구조

LiCoO^영어의 구조는 X선 회절, 전자 현미경, 중성자 분말 회절, EXAFS를 포함한 다양한 기술로 연구되었다.

고체는 단원자 리튬 양이온(Li^영어) 층으로 구성되어 있으며, 이 층은 모서리를 공유하는 팔면체로 배열된 코발트와 산소 원자의 확장된 음이온 시트 사이에 놓여 있고, 두 면이 시트 평면에 평행하다. 코발트 원자는 형식적으로 3가 산화 상태(Co^영어)에 있으며, 두 개의 산소 원자(O^영어) 층 사이에 끼워져 있다.

각 층(코발트, 산소 또는 리튬)에서 원자는 정삼각형 격자 형태로 배열된다. 격자는 리튬 원자가 코발트 원자에서 가장 멀리 떨어져 있도록 서로 어긋나 있으며, 구조는 평면에 수직인 방향으로 세 개의 코발트(또는 리튬) 층마다 반복된다. 점군 대칭성은 Hermann-Mauguin 표기법으로 $R\bar 3m$ 이며, 이는 삼중 부정 회전 대칭과 거울면을 가진 단위 세포를 나타낸다. 삼중 회전 축(층에 수직)은 산소의 삼각형(각 팔면체의 반대쪽에 있음)이 정렬되지 않기 때문에 부정 회전 축이라고 한다.

3. 합성

리튬 코발트 산화물은 탄산 리튬(Li₂CO₃)과 산화 코발트(II,III)(Co₃O₄) 또는 금속 코발트의 혼합물을 600–800 °C에서 가열한 후, 산소 분위기에서 여러 시간 동안 900 °C에서 열처리하여 제조한다.

음극에 더 적합한 나노미터 크기 입자는 막대 모양의 결정 형태로 약 8μm 길이와 0.4μm 너비의 수화물 옥살산 코발트(β-CoC₂O₄·2H₂O)을 수산화 리튬(LiOH)과 함께 최대 750–900 °C까지 소성하여 얻을 수도 있다.

세 번째 방법은 아세트산 리튬, 아세트산 코발트, 구연산을 동일한 몰량으로 수용액에 사용한다. 80 °C에서 가열하면 혼합물이 점성 투명 겔로 변한다. 그런 다음 건조된 겔을 갈아서 550 °C까지 점차적으로 가열한다.

4. 충전식 배터리에서의 활용

이 화합물은 현재 일부 충전식 리튬 이온 배터리의 양극으로 사용되며, 입자 크기는 나노미터에서 마이크로미터까지 다양하다. 충전 시 코발트는 부분적으로 +4 상태로 산화되고, 일부 리튬 이온이 전해질로 이동하여 0 < x < 1의 화합물 범위를 생성한다.

양극으로 생산된 배터리는 매우 안정적인 용량을 가지지만, (특히 니켈이 풍부한) 리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물 (NCA) 또는 리튬 니켈 망간 코발트 산화물 (NCM) 산화물을 기반으로 하는 양극을 가진 배터리보다 용량과 출력이 낮다. 열적 안정성 문제는 다른 니켈이 풍부한 화학보다 양극에서 더 우수하지만, 크게 다르지는 않다. 이로 인해 배터리는 고온 작동(> 130°C) 또는 과충전과 같은 남용의 경우에 열 폭주에 취약하다. 고온에서 의 분해는 산소를 생성하며, 이 산소는 셀의 유기 전해질과 반응한다. 이 반응은 배터리가 매우 불안정해지고 안전한 방식으로 재활용해야 하는 리튬 이온 배터리에서 자주 관찰된다. LiCoO₂의 분해는 이 매우 발열 반응의 크기 때문에 안전 문제이며, 인접한 셀로 확산되거나 근처의 가연성 물질에 점화될 수 있다. 일반적으로 이는 많은 리튬 이온 배터리 양극에서 관찰된다.

탈리튬화 과정은 일반적으로 화학적 수단에 의해 이루어지지만, 이온 스퍼터링 및 어닐링 사이클을 기반으로 하는 새로운 물리적 공정이 개발되어 재료의 특성을 그대로 유지한다.

5. 한국의 관련 연구 동향

대한민국의 여러 대학 및 연구기관에서는 LiCoO2^영어의 성능 개선 및 안전성 확보를 위한 연구를 진행하고 있다. 특히, 표면 코팅, 도핑 등의 방법을 통해 LiCoO2^영어의 구조적 안정성을 높이고, 열 폭주 현상을 억제하는 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 또한, LiCoO2^영어를 대체할 수 있는 새로운 양극 재료 개발에도 많은 노력이 기울여지고 있다.

LiCoO2^영어 양극으로 생산된 배터리는 매우 안정적인 용량을 가지지만, 리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물 (NCA) 또는 리튬 니켈 망간 코발트 산화물 (NCM) 산화물을 기반으로 하는 양극을 가진 배터리보다 용량과 출력이 낮다. 열적 안정성 문제는 다른 니켈이 풍부한 화학보다 LiCoO2^영어 양극에서 더 우수하지만, 크게 다르지는 않다. 이로 인해 LiCoO2^영어 배터리는 고온 작동(> 130°C) 또는 과충전과 같은 남용의 경우에 열 폭주에 취약하다. 고온에서 LiCoO2^영어의 분해는 산소를 생성하며, 이 산소는 셀의 유기 전해질과 반응한다. 이 반응은 배터리가 매우 불안정해지고 안전한 방식으로 재활용해야 하는 리튬 이온 배터리에서 자주 관찰된다. LiCoO2^영어의 분해는 이 매우 발열 반응의 크기 때문에 안전 문제이며, 인접한 셀로 확산되거나 근처의 가연성 물질에 점화될 수 있다.