Проводник быстрых ионов - Fast ion conductor

А протонный проводник в статике электрическое поле.

В материаловедение, быстрые ионные проводники твердые тела с высокой подвижностью ионы. Эти материалы важны в области твердотельная ионика, и также известны как твердые электролиты и суперионные проводники. Эти материалы используются в батареях и различных датчиках. Проводники на быстрых ионах используются в основном в твердооксидные топливные элементы. Как твердые электролиты они допускают движение ионов без необходимости в жидкой или мягкой мембране, разделяющей электроды. Это явление основано на прыжках ионов через жесткую Кристальная структура.

Механизм

Проводники на быстрых ионах занимают промежуточное положение между кристаллический твердые тела, которые имеют правильную структуру с неподвижными ионами, а жидкие электролиты не имеющие регулярной структуры и полностью подвижные ионы. Твердые электролиты находят применение во всех твердотельных суперконденсаторы, батареи, и топливные элементы, и в различных химические датчики.

Классификация

В твердых электролитах (стеклах или кристаллах) ионная проводимость Ωя может иметь любое значение, но оно должно быть намного больше электронного. Обычно твердые тела, где Ωя порядка от 0,0001 до 0,1 Ом−1 см−1 (300 К) называются суперионными проводниками.

Протонные проводники

Протонные проводники представляют собой особый класс твердых электролитов, где ионы водорода действуют как носители заряда. Одним из ярких примеров является суперионная вода.

Суперионные проводники

Суперионные проводники, где Ωя более 0,1 Ом−1 см−1 (300 K) и энергия активации ионного транспорта Eя мала (около 0,1 эВ), называются продвинутые суперионные проводники. Самый известный пример усовершенствованного суперионного проводника с твердым электролитом - это RbAg4я5 где Ωя > 0,25 Ом−1 см−1 и Ωе ~10−9 Ом−1 см−1 при 300 К. Холловская (дрейфовая) подвижность ионов в RbAg4я5 около 2×10−4 см2/ (В • с) при комнатной температуре.[1] Ωе - Омя Систематическая диаграмма, различающая различные типы твердотельных ионных проводников, представлена ​​на рисунке.[2][3]

Классификация твердотельных ионных проводников по LG (электронная проводимость, Оме) – LG (ионная проводимость, Омя) диаграмма. Области 2, 4, 6 и 8 - твердые электролиты (ТЭ), материалы с Ωя >> Оме; регионы 1, 3, 5 и 7 являются смешанные ионно-электронные проводники (МИЭК). 3 и 4 - суперионные проводники (SIC), то есть материалы с Ωя > 0,001 Ом−1см−1. 5 и 6 - продвинутые суперионные проводники (AdSIC), где Ωя > 10−1 Ом−1см−1 (300 К), энергетическая активация Eя около 0,1 эВ. 7 и 8 - гипотетические AdSIC с Eя ≈ kBT ≈0.03 эВ (300 К).

Пока не описано никаких четких примеров быстрых ионных проводников в гипотетическом продвинутом классе суперионных проводников (области 7 и 8 на графике классификации). Однако в кристаллической структуре нескольких суперионных проводников, например в минералах группы пирсеит-полибазит крупные структурные фрагменты с энергией активации ионного транспорта Eя < kBT (300 К) был открыт в 2006 году.[4]

Примеры

Материалы на основе диоксида циркония

Обычный твердый электролит - это оксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия, YSZ. Материал подготовлен допинг Y2О3 в ZrO2. Ионы оксида обычно очень медленно мигрируют в твердом Y2О3 и в ZrO2, но в YSZ проводимость оксида резко возрастает. Эти материалы используются, чтобы позволить кислороду проходить через твердое тело в некоторых типах топливных элементов. Диоксид циркония также может быть легирован оксид кальция чтобы получить оксидный проводник, который используется в кислородные датчики в автомобильных органах управления. При легировании всего на несколько процентов константа диффузии оксида увеличивается в ~ 1000 раз.[5]

Прочие проводящие керамика функционируют как ионные проводники. Одним из примеров является НАСИКОН, (Na3Zr2Si2PO12), натриевый суперионный проводник

бета-оксид алюминия

Другой пример популярного проводника на быстрых ионах: бета-оксид алюминия твердый электролит.[6] В отличие от обычного формы глинозема Эта модификация имеет слоистую структуру с открытыми галереями, разделенными столбами. Ионы натрия (Na+) легко мигрируют через этот материал, поскольку оксидный каркас представляет собой ионофильную невосстановимую среду. Этот материал считается проводником ионов натрия для натриево-серная батарея.

Фторид-ионные проводники

Трифторид лантана (LaF3) является проводящим для F− ионы, используемые в некоторых ионоселективные электроды. Бета-фторид свинца демонстрирует непрерывный рост проводимости при нагревании. Это свойство было впервые обнаружено Майкл Фарадей.

Йодиды

Хрестоматийный пример проводника на быстрых ионах: йодид серебра (AgI). При нагревании твердого вещества до 146 ° C этот материал принимает альфа-полиморф. В таком виде иодид-ионы образуют жесткий кубический каркас, а центры Ag + расплавлены. Электропроводность твердого тела увеличивается в 4000 раз. Аналогичное поведение наблюдается для йодид меди (I) (CuI), рубидий йодид серебра (RbAgI2) и Ag2HgI4.

Другие неорганические материалы

Органические материалы

История

Важным случаем быстрой ионной проводимости является поверхностный слой пространственного заряда ионных кристаллов. Такая проводимость была впервые предсказана Курт Леховец.[10]Поскольку слой пространственного заряда имеет нанометровую толщину, эффект напрямую связан с наноионика (наноионика-I). Эффект Леговца используется в качестве основы для разработки наноматериалы для портативных литиевых батарей и топливных элементов.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Stuhrmann C.H.J .; Kreiterling H .; Funke K (2002). «Ионный эффект Холла, измеренный в йодиде рубидия и серебра». Ионика твердого тела. 154–155: 109–112. Дои:10.1016 / S0167-2738 (02) 00470-8.
  2. ^ Александр Деспотули; Александра Андреева (2007). Высокоёмкие конденсаторы для 0,5 вольтовой наноэлектроники будущего. Современная Электроника (7): 24–29.Александр Деспотули; Александра Андреева (2007). «Конденсаторы большой емкости для наноэлектроники будущего 0,5 напряжения». Современная электроника (7): 24–29.
  3. ^ Despotuli, A.L .; Андреева, А. (Январь 2009 г.). «Краткий обзор наноэлектроники с глубоким пониженным напряжением и связанных с ней технологий». Международный журнал нанонауки. 8 (4&5): 389–402. Bibcode:2009IJN ..... 8..389D. Дои:10.1142 / S0219581X09006328.
  4. ^ Bindi, L .; Эван М. (2006). «Характер быстрой ионной проводимости и ионные фазовые переходы в неупорядоченных кристаллах: сложный случай минералов группы пирсеит – полибазит». Phys Chem Miner. 33 (10): 677–690. Bibcode:2006PCM .... 33..677B. Дои:10.1007 / s00269-006-0117-7. S2CID  95315848.
  5. ^ Шрайвер, Д. Ф .; Аткинс, П. У .; Overton, T. L .; Rourke, J.P .; Веллер, М. Т .; Армстронг, Ф. А. «Неорганическая химия» В. Х. Фриман, Нью-Йорк, 2006. ISBN  0-7167-4878-9.
  6. ^ Гринвуд, Норман Н.; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн. ISBN  978-0-08-037941-8.
  7. ^ «Революция рулонных батарей». Ev World. Архивировано из оригинал на 2011-07-10. Получено 2010-08-20.
  8. ^ Perzyna, K .; Борковская, Р .; Syzdek, J. A .; Залевска, А .; Wieczorek, W.A.A. (2011). «Влияние добавки типа кислоты Льюиса на характеристики литий-гелевого электролита». Electrochimica Acta. 57: 58–65. Дои:10.1016 / j.electacta.2011.06.014.
  9. ^ Syzdek, J. A .; Armand, M .; Marcinek, M .; Залевска, А .; Ukowska, G. Y .; Wieczorek, W.A.A. (2010). «Детальные исследования модификации наполнителей и их влияния на композитные полимерные электролиты на основе поли (оксиэтилена)». Electrochimica Acta. 55 (4): 1314. Дои:10.1016 / j.electacta.2009.04.025.
  10. ^ Леговец, Курт (1953). «Слой пространственного заряда и распределение дефектов решетки на поверхности ионных кристаллов». Журнал химической физики. 21 (7): 1123–1128. Bibcode:1953ЖЧФ..21.1123Л. Дои:10.1063/1.1699148.