Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Протонный проводник в статическом электрическом поле .

В науке материалов , быстрые ионные проводники представляют собой твердые вещества с высокой мобильностью ионов . Эти материалы важны в области твердотельной ионики 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 твердооксидных топливных элементах . Как твердые электролиты они допускают движение ионов без необходимости в жидкой или мягкой мембране, разделяющей электроды. Это явление основано на прыжках ионов через жесткую кристаллическую структуру .

Механизм [ править ]

Проводники с быстрыми ионами занимают промежуточное положение между кристаллическими твердыми телами, которые имеют регулярную структуру с неподвижными ионами, и жидкими электролитами, которые не имеют регулярной структуры и полностью подвижными ионами. Твердые электролиты находят применение во всех твердотельных суперконденсаторах , батареях и топливных элементах , а также в различных типах химических датчиков .

Классификация [ править ]

В твердых электролитах (стеклах или кристаллах) ионная проводимость Ω i может иметь любое значение, но она должна быть намного больше электронной. Обычно твердые тела, где Ω i составляет порядка от 0,0001 до 0,1 Ом -1 см -1 (300 К), называют суперионными проводниками.

Протонные проводники [ править ]

Протонные проводники - это особый класс твердых электролитов, в которых ионы водорода выступают в качестве носителей заряда. Один из ярких примеров - суперионная вода .

Суперионные проводники [ править ]

Суперионные проводники, у которых Ω i больше 0,1 Ом -1 см -1 (300 K), а энергия активации для переноса ионов E i мала (около 0,1 эВ), называются продвинутыми суперионными проводниками . Наиболее известным примером усовершенствованного суперионного твердого электролита проводник является RbAg 4 I 5, где Ω i > 0,25 Ом −1 см −1 и Ω e ~ 10 −9 Ом −1 см −1 при 300 К. Холловский (дрейфовый) ионный подвижность в RbAg 4 I 5 составляет около 2 ×10 - 4 см 2 / (В • с) при комнатной температуре. [1] Систематическая диаграмма Ω e - Ω i, различающая различные типы твердотельных ионных проводников, приведена на рисунке. [2] [3]

Классификация твердотельных ионных проводников по диаграмме lg (электронная проводимость, Ω e ) - lg (ионная проводимость, Ω i ). Области 2, 4, 6 и 8 - твердые электролиты (ТЭ), материалы с Ω i >> Ω e ; области 1, 3, 5 и 7 представляют собой смешанные ионно-электронные проводники (МИЭП). 3 и 4 - суперионные проводники (SIC), то есть материалы с Ω i > 0,001 Ом -1 см -1 . 5 и 6 - продвинутые суперионные проводники (AdSIC), где Ω i > 10 −1 Ом −1 см −1 (300 K), энергия активации Eя около 0,1 эВ. 7 и 8 - гипотетические AdSIC с E i ≈ k B T ≈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 некоторых суперионных проводников, например, в минералах группы пирсеит-полибазит, в 2006 г. были обнаружены крупные структурные фрагменты с энергией активации ионного транспорта E i < k B T (300 К) [4].

Примеры [ править ]

Материалы на основе диоксида циркония [ править ]

Обычным твердым электролитом является диоксид циркония , стабилизированный оксидом иттрия , YSZ. Этот материал получают легированием Y 2 O 3 в ZrO 2 . Ионы оксида обычно очень медленно мигрируют в твердом Y 2 O 3 и в ZrO 2 , 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 можно легировать оксидом кальция, чтобы получить оксидный проводник, который используется в датчиках кислорода.в автомобильных органах управления. При легировании всего на несколько процентов константа диффузии оксида увеличивается в ~ 1000 раз. [5]

Другая проводящая керамика выполняет функцию ионных проводников. Одним из примеров является NASICON (Na 3 Zr 2 Si 2 PO 12 ), натриевый суперионный проводник.

бета-глинозем [ править ]

Другой пример популярного проводника на быстрых ионах - твердый электролит из бета-оксида алюминия . [6] В отличие от обычных форм глинозема , эта модификация имеет слоистую структуру с открытыми галереями, разделенными столбами. Ионы натрия (Na + ) легко мигрируют через этот материал, поскольку оксидный каркас обеспечивает ионофильную, невосстанавливаемую среду. Этот материал считается ионно-натриевым проводником для натрий-серной батареи .

Фторид-ионные проводники [ править ]

Трифторид лантана (LaF 3 ) является проводящим для ионов F - , используемых в некоторых ионоселективных электродах . Бета-фторид свинца демонстрирует непрерывный рост проводимости при нагревании. Это свойство впервые обнаружил Майкл Фарадей .

Йодид [ править ]

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 иодида меди (I) (CuI), иодида серебра рубидия (RbAgI 2 ) и Ag 2 HgI 4 .

Другие неорганические материалы [ править ]

  • Сульфид серебра , проводящий для ионов Ag + , используемый в некоторых ионоселективных электродах.
  • Хлорид свинца (II) , проводящий при более высоких температурах
  • Некоторые перовскита керамика - титанат стронция , стронций станнат - проводящая для вывода 2- ионы
  • - проводящий для ионов H +
  • (водород уранилфосфат тетрагидрат) - проводящий для ионов H +
  • Оксид церия (IV) - проводящий для ионов O 2-

Органические материалы [ править ]

  • Многие гели , такие как полиакриламиды , агар и др., Являются проводниками быстрых ионов [7] [8]
  • Соль, растворенная в полимере, например перхлорат лития в полиэтиленоксиде [9]
  • Полиэлектролиты и иономеры - например, нафион , H + проводник

История [ править ]

Важным случаем быстрой ионной проводимости является поверхностный слой пространственного заряда ионных кристаллов. Такое поведение впервые предсказал Курт Леговец . [10] Поскольку слой объемного заряда имеет нанометровую толщину, эффект напрямую связан с наноионикой (наноионика-I). Эффект Леховека используется в качестве основы для разработки наноматериалов для портативных литиевых батарей и топливных элементов.

См. Также [ править ]

  • Смешанный дирижер

Ссылки [ править ]

  1. ^ Stuhrmann CHJ; Kreiterling H .; Функе К. (2002). «Ионный эффект Холла, измеренный в йодиде рубидия и серебра». Ионика твердого тела . 154–155: 109–112. DOI : 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 на 0,5 напряжения». Современная электроника (7): 24–29.
  3. ^ Деспотули, AL; Андреева, А.В. (январь 2009 г.). «Краткий обзор наноэлектроники с глубоким пониженным напряжением и связанных с ней технологий». Международный журнал нанонауки . 8 (4 и 5): 389–402. Bibcode : 2009IJN ..... 8..389D . DOI : 10.1142 / S0219581X09006328 .
  4. ^ Бинди, 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 . DOI : 10.1007 / s00269-006-0117-7 . S2CID 95315848 . 
  5. ^ Шрайвер, Д. Ф.; Аткинс, П. В.; Овертон, Т.Л .; Рурк, JP; Веллер, М.Т .; Армстронг, Ф.А. «Неорганическая химия» WH Freeman, 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 батарейки Roll-to-Roll" . Ev World. Архивировано из оригинала на 2011-07-10 . Проверено 20 августа 2010 .
  8. ^ Perzyna, K .; Борковская, Р .; Сыздек, JA; Залевская, А .; Wieczorek, WAA (2011). «Влияние добавки типа кислоты Льюиса на характеристики литий-гелевого электролита». Electrochimica Acta . 57 : 58–65. DOI : 10.1016 / j.electacta.2011.06.014 .
  9. ^ Syzdek, JA; Armand, M .; Marcinek, M .; Залевская, А .; Ukowska, GY; Wieczorek, WAA (2010). «Детальные исследования модификации наполнителей и их влияния на композитные полимерные электролиты на основе поли (оксиэтилена)». Electrochimica Acta . 55 (4): 1314. DOI : 10.1016 / j.electacta.2009.04.025 .
  10. ^ Lehovec, Курт (1953). «Слой пространственного заряда и распределение дефектов решетки на поверхности ионных кристаллов». Журнал химической физики . 21 (7): 1123–1128. Bibcode : 1953JChPh..21.1123L . DOI : 10.1063 / 1.1699148 .