Войти
A проводник протонов в статическом электрическом поле.В материаловедении, проводники на быстрых ионах представляют собой твердые тела с высокоподвижными ионами . Эти материалы важны nt в области твердотельных ионных элементов, 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. Явление основано на прыжках ионов через жесткую кристаллическую структуру.
Проводники быстрых ионов по своей природе занимают промежуточное положение между кристаллическими твердыми телами, которые имеют регулярную структуру с неподвижными ионами, и жидкими электролитами, которые имеют отсутствие регулярной структуры и полностью подвижные ионы. Твердые электролиты находят применение во всех твердотельных суперконденсаторах, батареях и топливных элементах, а также в различных химических датчиках.
В твердых электролитах (стеклах или кристаллах) ионная проводимость Ω i может иметь любое значение, но она должна быть намного больше, чем электронная. Обычно твердые тела, у которых Ω i составляет порядка от 0,0001 до 0,1 Ом · см (300 K), называют суперионными проводниками.
Протонные проводники - это особый класс твердых электролитов, где ионы водорода действуют как носители заряда. Одним из ярких примеров является суперионная вода.
суперионные проводники, где Ω i больше 0,1 Ом · см (300 К), а энергия активации для переноса ионов E i малы (около 0,1 эВ), называются продвинутыми суперионными проводниками. Самый известный пример усовершенствованного суперионного твердого электролита проводник - RbAg 4I5, где Ω i>0,25 Ом · см и Ω e ~ 10 Ом · см при 300 К. Холловская (дрейфовая) ионная подвижность в RbAg 4I5составляет около 2 × 10 см / (В • с) при комнатной температуре. На рисунке представлена систематическая диаграмма Ω e - Ω i, различающая различные типы твердотельных ионных проводников.
Классификация твердотельных ионных проводников по lg ( диаграмма электронной проводимости, Ом e) - lg (ионная проводимость, Ом i). Области 2, 4, 6 и 8 представляют собой твердые электролиты (SE), материалы с Ω i>>Ω e ; области 1, 3, 5 и 7 представляют собой смешанные ионно-электронные проводники (MIEC). 3 и 4 - суперионные проводники (SIC), то есть материалы с Ω i>0,001 Ом · см. 5 и 6 - усовершенствованные суперионные проводники (AdSIC), где Ω i>10 Ом · см (300 K), энергия активации E i около 0,1 эВ. 7 и 8 представляют собой гипотетические AdSIC с Ei ≈ k B T ≈0,03 эВ (300 К). Пока не описано четких примеров быстрых ионных проводников в гипотетическом продвинутом классе суперионных проводников ( области 7 и 8 классификационной диаграммы). Однако в кристаллической структуре нескольких суперионных проводников, например В минералах группы пирсеит-полибазит в 2006 г. были обнаружены крупные структурные фрагменты с энергией активации ионного транспорта Ei < kB T (300 К).
Обычным твердым электролитом является диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия, YSZ. Этот материал получают путем легирования Y2O3в ZrO 2. Ионы оксида обычно очень медленно мигрируют в твердом Y 2O3и 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 может быть легирован оксидом кальция для получения оксидного проводника, который используется в датчиках кислорода в системах управления автомобилем. При легировании всего на несколько процентов константа диффузии оксида увеличивается в ~ 1000 раз.
Другая проводящая керамика выполняет функцию ионных проводников. Одним из примеров является NASICON, (Na 3Zr2Si2PO12), натриевый суперионный проводник
Другой пример популярного проводника на быстрых ионах - твердый электролит из бета-оксида алюминия. В отличие от обычных форм глинозема, данная модификация имеет слоистую структуру с открытыми галереями, разделенными столбами. Ионы натрия (Na) легко мигрируют через этот материал, поскольку оксидный каркас представляет собой ионофильную невосстанавливаемую среду. Этот материал считается проводником ионов натрия для натрий-серной батареи.
Трифторид лантана (LaF 3) является проводником для ионов F, используемых в некоторые ионоселективные электроды. демонстрирует непрерывный рост проводимости при нагревании. Это свойство было впервые обнаружено Майклом Фарадеем.
Хрестоматийным примером проводника быстрых ионов является 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.
- проводящий для ионов H
(тетрагидрат уранилфосфата водорода) - проводящий для ионов HВажным случаем быстрой ионной проводимости является поверхностный слой пространственного заряда ионных кристаллов. Такое проведение было впервые предсказано Куртом Леговцем. Поскольку слой пространственного 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.
