초과산화 리튬
1. 개요
초과산화 리튬(LiO₂)은 리튬 양이온과 초과산화물 음이온의 이온 결합으로 이루어진 화합물이다. 리튬-이온 배터리에서 생성되며, 반응성이 매우 높아 과산화 리튬으로 변환된다. 초과산화 리튬은 리튬-공기 배터리의 연구에 중요한 물질이며, 에너지 밀도가 높아 내연 기관의 대체 기술로 연구되고 있다. 또한, 대기 중에서도 형성될 수 있으며, 특히 중간권에서 알칼리 금속과 반응하여 생성될 수 있다.
| 이름: 과산화 리튬 | |
| 다른 이름: 해당 사항 없음 |
| CAS 등록번호 | 12136-56-0 |
|---|---|
| SMILES | [Li+].O=[O-] |
| 표준 InChI | 1S/Li.O2/c;1-2/q+1;-1 |
| 표준 InChIKey | GMZGUKXTXROVJB-UHFFFAOYSA-N |
| 화학식 | LiO₂ |
|---|---|
| 몰 질량 | 38.94 g/mol |
| 외형 | 해당 사항 없음 |
| 밀도 | g/cm³, 고체 |
| 용해도 | 해당 사항 없음 |
| 녹는점 | <25 °C (분해) |
| 끓는점 | 해당 사항 없음 |
| 기타 음이온 | 해당 사항 없음 |
|---|---|
| 기타 양이온 | 과산화 나트륨 과산화 칼륨 과산화 루비듐 과산화 세슘 |
| 기타 작용기 | 산화 리튬 과산화 리튬 |
| 기타 작용기 설명 | 리튬 산화물 |
| 기타 화합물 | 해당 사항 없음 |
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초산화물 -
초과산화물
초과산화물은 분자 산소에 전자가 추가되어 생성된 음이온(O<sub>2</sub><sup>-</sup>)으로, 알칼리 금속 및 알칼리 토금속과 염을 형성하며, 화학적 산소 발생기나 소방관 산소통에 사용되거나 생체 내에서 활성 산소종으로 작용하지만 초과산화물 불균등화 효소에 의해 조절된다. -
초산화물 -
초산화 칼륨
초산화 칼륨은 화학식 KO₂를 갖는 흡습성 황색 고체 결정 형태의 강력한 산화제 무기 화합물로, 물, 이산화 탄소와 반응하여 산소를 생성하므로 생명 유지 장치나 실험실 시약으로 사용되지만, 물이나 가연성 물질과의 접촉에 주의해야 한다. -
리튬 화합물 -
유기리튬 시약
유기리튬 시약은 탄소-리튬 결합을 가진 화합물로 카를 치글러, 게오르크 비티히, 헨리 길먼 등에 의해 개발되었으며 극성을 띠는 결합과 강염기성 및 친핵성을 이용하여 유기 합성 반응에서 친핵체, 탈양성자화제, 중합 개시제 등으로 널리 쓰인다. -
리튬 화합물 -
과산화 리튬
과산화 리튬(Li<sub>2</sub>O<sub>2</sub>)은 이산화 탄소를 흡수하고 산소를 방출하는 특징으로 밀폐된 공간의 공기 정화나 리튬-공기 전지의 핵심 구성 요소로 사용되는 무기 화합물이다.
2. 구조
초과산화 리튬(LiO₂) 분자는 리튬 양이온(Li⁺)과 초과산화물 음이온(O₂⁻) 사이의 강한 이온 결합으로 이루어져 있다. O-O 결합 길이는 1.34Å이며, Li-O 결합 길이는 약 2.10Å으로 계산된다. 초과산화 리튬은 π 분자 오비탈에 홀전자를 가지고 있어 반응성이 매우 크다.
LiO₂ 분자들은 다양한 형태의 클러스터를 형성할 수 있으며, 그 중 케이지 이성질체가 가장 일반적이다.
3. 생성 및 반응
리튬-이온 배터리 안에서 방전되는 동안 하나의 전자가 감소될 때 리튬 초과산화물은 다음 반응을 따른다.
Li++e-+O2→LiO2
이 생산물은 반응하고 과산화리튬 Li2O2을 만들어 낼 것이다:
2LiO2→Li2O2+O2
이 마지막 반응의 구조는 확실하지 않으며 화학자들은 어떤 반응이 일어나는지 이론을 발전시키는데 어려움을 겪고 있다.
이 반응을 행하는 완벽한 용액은 찾아지고 있으며 중요한 달성을 이루었다; 에테르- 그리고 아미드에 기초한 용액이 최근 들어 사용되나 이 화합물들은 손쉽게 산소와 반응하고 분해된다. 산소와의 반응에 저항하는 적절한 용액을 필요로 한다.
초과산화 리튬은 초과산화물 음이온의 π* 분자 궤도에 존재하는 홀수 전자로 인해 반응성이 매우 높다. 매트릭스 분리 기술을 사용하면 순수한 화합물 시료를 얻을 수 있지만, 15-40 K에서만 안정하다.
더 높은 (하지만 여전히 극저온) 온도에서, 초과산화 리튬은 오존화를 통해 과산화 리튬(Li2O2)을 프레온 12에서 반응시켜 생성할 수 있다.
Li2O2(f12) + 2 O3(g) → 2 LiO2(f12) + 2 O2(g)
생성된 생성물은 −35 °C까지에서만 안정하다.
또는, 무수 암모니아에 용해된 용매화 전자를 함유한 리튬 전해질이 산소 기체를 환원시켜 동일한 생성물을 얻을 수 있다.
[Li+][e−](am) + O2(g) → [Li+][O2−](am)
그러나 초과산화 리튬은 암모니아에서만 준안정하며, 용매를 점차적으로 산화시켜 물과 질소 기체를 생성한다.
2 O2- + 2 NH3 → N2 + 2 H2O + 2 OH-
LiO2의 다른 알려진 분해와 달리, 이 반응은 과산화 리튬을 거치지 않는다.
4. 존재
초과산화 리튬은 재충전 가능한 리튬 배터리에 사용된다. 연구자들은 리튬-공기 배터리의 잠재적 에너지에 주목하며, 내연기관의 대체 기술로 기대한다. 한 연구는 알칼리금속의 초과산화물은 알칼리 금속이 대기 안에 있는 기능에 영향을 준다고 말한다. 알칼리 금속은 중권에서 두드러지게 나타나며 초과산화물들은 과한 양의 산소와 반응한 후에 찾아진다.
2016년 1월, 미국 아곤국립연구소에서 연구자들은 알맞은 그래핀 기반 음극을 사용함으로서 LiO2 결정을 Li-O2 배터리 안에서 안정시킬 수 있다고 주장했다.
다른 과산화물과 마찬가지로, 초과산화 리튬은 산소 분자의 1전자 환원의 생성물이다. 따라서 산소가 단일 전자 산화 환원 촉매와 혼합될 때마다 나타나며, 예시로 p-벤조퀴논 등이 있다.
4.1. 리튬-공기 배터리
초과산화 리튬은 대부분 재충전 가능한 리튬 배터리에 사용된다. 특히, 방전 중인 리튬-공기 갈바니 전지의 양극에서 다음과 같은 반응을 통해 생성되는 중간 생성물이다.
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이 생성물은 일반적으로 반응하여 과산화 리튬 을 형성한다.
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리튬-공기 배터리는 큰 에너지 밀도를 가져 내연 기관과 유사하기 때문에 활발한 연구 대상이다. 연구자들은 리튬-공기 배터리의 잠재적 에너지에 주목하며, 내연 기관의 대체 기술로 기대한다. 2016년 1월, 미국 아곤국립연구소 연구자들은 알맞은 그래핀 기반 음극을 사용함으로서 LiO2 결정을 Li-O2 배터리 안에서 안정시킬 수 있다고 주장했다. 최근 연구에 따르면 는 이리듐 나노 입자가 있는 그래핀으로 만들어진 적절한 양극을 통해 안정화될 수 있다고 한다.
이러한 배터리를 연구할 때 중요한 과제는 이러한 반응을 수행할 수 있는 이상적인 용매를 찾는 것이다. 현재 후보 물질은 에테르 및 아미드 기반이지만, 이러한 화합물은 초과산화물과 쉽게 반응하여 분해된다는 문제점이 있다.