Проводник быстрых ионов

В материаловедении проводники быстрых ионов представляют собой твердые проводники с высокоподвижными ионами . Эти материалы играют важную роль в области ионики твердого тела и также известны как твердые электролиты и суперионные проводники . Эти материалы используются в батареях и различных датчиках. Проводники быстрых ионов используются в основном в твердооксидных топливных элементах . Будучи твердыми электролитами, они обеспечивают движение ионов без необходимости использования жидкой или мягкой мембраны, разделяющей электроды. Это явление основано на перескоке ионов через жесткую кристаллическую структуру .

Механизм

Проводники быстрых ионов по своей природе занимают промежуточное положение между кристаллическими твердыми телами, имеющими регулярную структуру с неподвижными ионами, и жидкими электролитами , не имеющими 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

В твердых электролитах (стеклах или кристаллах) ионная проводимость σ _i может быть любой величины, но она должна быть значительно больше электронной. Обычно твердые тела, где σ _i составляет 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, в которых ионы водорода носителями заряда выступают . Одним из ярких примеров является суперионная вода .

Суперионные проводники

Суперионные проводники, где σi _{составляет} более 0,1 Ом. ⁻¹ см ⁻¹ (300 К) и энергия активации ионного транспорта E _i мала (около 0,1 эВ), называются усовершенствованными суперионными проводниками . Самым известным примером усовершенствованного суперионного проводника-твердого электролита является RbAg ₄ I ₅ , где σ _i > 0,25 Ом. ⁻¹ см ⁻¹ и σ _е ~10 ⁻⁹ Ой ⁻¹ см ⁻¹ и 300 К. ^[1]^[2] Холловская (дрейфовая) ионная подвижность в RbAg ₄ I ₅ составляет около 2 × 10 ⁻⁴ см ²/(В•с) при комнатной температуре. ^[3] На рисунке представлена систематическая диаграмма σ _e – σ _i , различающая различные типы твердотельных ионных проводников. ^[4]^[5]

Пока не описано четких примеров проводников быстрых ионов в гипотетическом классе усовершенствованных суперионных проводников (области 7 и 8 на классификационном графике). Однако в кристаллической структуре ряда суперионных проводников, например в минералах группы пирцеита-полибазита, крупные структурные фрагменты с энергией активации ионного транспорта E _i < k _{B T (300 К).} в 2006 г. были обнаружены ^[6]

Примеры

Материалы на основе циркония

Распространенным твердым электролитом является диоксид циркония, стабилизированный иттрием , YSZ. Этот материал получают легированием Y ₂ O ₃ в ZrO ₂ . Ионы оксида обычно медленно мигрируют в твердом Y ₂ O ₃ и в ZrO ₂ , но в YSZ проводимость оксида резко возрастает. Эти материалы используются для обеспечения прохождения кислорода через твердое вещество в определенных видах топливных элементов. Диоксид циркония также можно легировать оксидом кальция, чтобы получить оксидный проводник, который используется в датчиках кислорода в автомобильных средствах управления. При легировании всего лишь нескольких процентов константа диффузии оксида увеличивается в ~1000 раз. ^[7]

Другая проводящая керамика действует как проводник ионов. Одним из примеров является НАЗИКОН (Na ₃ Zr ₂ Si ₂ PO ₁₂ ), натриевый суперионный проводник.

бета-глинозем

Другим примером популярного проводника быстрых ионов является твердый электролит на основе бета-оксида алюминия . ^[8] В отличие от обычных форм глинозема , эта модификация имеет слоистую структуру с открытыми галереями, разделенными столбиками. Ионы натрия (Na ⁺) легко мигрируют через этот материал, поскольку оксидный каркас представляет собой ионофильную, невосстанавливаемую среду. Этот материал считается проводником ионов натрия для натриево-серной батареи .

Фторид-ионные проводники

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

Йодиды

Хрестоматийным примером проводника быстрых ионов является йодид серебра (AgI). При нагревании твердого вещества до 146 °C этот материал приобретает альфа-полиморфную модификацию. В таком виде иодид-ионы образуют жесткий кубический каркас, а центры Ag+ расплавлены. Электропроводность твердого тела увеличивается в 4000 раз. Аналогичное поведение наблюдается для йодида меди(I) (CuI), йодида рубидия-серебра (RbAg ₄ I ₅ ), ^[9] и Ag ₂ HgI ₄ .

Другие неорганические материалы

Сульфид серебра , проводящий для Ag ⁺ ионы, используемые в некоторых ионоселективных электродах
Хлорид свинца(II) , проводящий для Cl ^- ионы при более высоких температурах ^[10]
Некоторая перовскитовая керамика — титанат стронция , станнат стронция — проводящая для O. ²⁻ ионы
${\ce {Zr(HPO4)2.{\mathit {n}}H2O}}$ – проводящий для H ⁺ ионы
${\ce {UO2HPO4.4H2O}}$ (тетрагидрат гидроуранилфосфата) - проводящий для H ⁺ ионы
Оксид церия (IV) - проводящий для O ²⁻ ионы

Органические материалы

Многие гели , такие как полиакриламиды , агар и т. д., являются проводниками быстрых ионов. ^[11]^[12]
Соль, растворенная в полимере – например, перхлорат лития в полиэтиленоксиде. ^[13]
Полиэлектролиты и иономеры – например , нафион , a H ⁺ дирижер

История

Важным случаем быстрой ионной проводимости является случай поверхностного слоя пространственного заряда ионных кристаллов. Такая проводимость впервые была предсказана Куртом Леговцем . ^[14] Поскольку слой объемного заряда имеет нанометровую толщину, эффект напрямую связан с наноионикой (наноионика-I). Эффект Леговека используется в качестве основы для разработки наноматериалов для портативных литиевых батарей и топливных элементов.

См. также

Смешанный проводник

Ссылки

^ Акин, Мерт; Ван, Юйчен; Цяо, Сяояо; Ян, Живэй; Чжоу, Сянъян (сентябрь 2020 г.). «Влияние относительной влажности на кинетику реакции в твердотельной батарее на основе йодида рубидия-серебра». Электрохимика Акта . 355 : 136779. doi : 10.1016/j.electacta.2020.136779 . S2CID 225553692 .
^ Ван, Юйчен; Акин, Мерт; Цяо, Сяояо; Ян, Живэй; Чжоу, Сянъян (сентябрь 2021 г.). «Значительно повышенная плотность энергии твердотельной аккумуляторной батареи, работающей в условиях высокой влажности» . Международный журнал энергетических исследований . 45 (11): 16794–16805. дои : 10.1002/er.6928 .
^ Штурманн CHJ; Крайтерлинг Х.; Функе К. (2002). «Ионный эффект Холла, измеренный в йодиде серебра рубидия». Ионика твердого тела . 154–155: 109–112. дои : 10.1016/S0167-2738(02)00470-8 .
^ Александр Деспотули; Александра Андреева (2007). Высокоёмкие конденсаторы для 0,5 вольтовой наноэлектроники будущего . Современная Электроника (in Russian) (7): 24–29. Александр Деспотули; Александра Андреева (2007). «Конденсаторы большой емкости для 0,5-вольтной наноэлектроники будущего». Современная электроника (7): 24–29.
^ Деспотули, Алабама; Андреева, А.В. (январь 2009 г.). «Краткий обзор наноэлектроники глубокого субнапряжения и связанных с ней технологий». Международный журнал нанонауки . 8 (4 и 5): 389–402. Бибкод : 2009IJN.....8..389D . дои : 10.1142/S0219581X09006328 .
^ Бинди, Л.; Эвейн М. (2006). «Характер быстрой ионной проводимости и ионные фазовые переходы в неупорядоченных кристаллах: сложный случай минералов группы пирсеит – полибазит». Физхим Майнер . 33 (10): 677–690. Бибкод : 2006PCM....33..677B . дои : 10.1007/s00269-006-0117-7 . S2CID 95315848 .
^ Шрайвер, DF; Аткинс, П.В.; Овертон, TL; Рурк, JP; Веллер, Монтана; Армстронг, Ф.А. «Неорганическая химия», У.Х. Фриман, Нью-Йорк, 2006. ISBN 0-7167-4878-9 .
^ Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . ISBN 978-0-08-037941-8 .
^ Акин, Мерт; Ван, Юйчен; Цяо, Сяояо; Ян, Живэй; Чжоу, Сянъян (20 сентября 2020 г.). «Влияние относительной влажности на кинетику реакции в твердотельной батарее на основе йодида рубидия-серебра». Электрохимика Акта . 355 : 136779. doi : 10.1016/j.electacta.2020.136779 . S2CID 225553692 .
^ Мацумото, Хиросигэ; Мияке, Такако; Ивахара, Хироясу (1 мая 2001 г.). «Хлорид-ионная проводимость в системе PbCl2-PbO» . Бюллетень исследования материалов . 36 (7): 1177–1184. дои : 10.1016/S0025-5408(01)00593-1 . ISSN 0025-5408 .
^ «Революция рулонных аккумуляторов» . Эв Мир. Архивировано из оригинала 10 июля 2011 г. Проверено 20 августа 2010 г.
^ Пержина, К.; Борковска, Р.; Сыздек, Дж.А.; Залевская, А.; Вечорек, WAA (2011). «Влияние добавки типа кислоты Льюиса на характеристики литий-гелевого электролита». Электрохимика Акта . 57 : 58–65. дои : 10.1016/j.electacta.2011.06.014 .
^ Сыздек, Дж.А.; Арманд, М.; Марцинек, М.; Залевская, А.; Жуковская, Г.Ю.; Вечорек, WAA (2010). «Детальные исследования модификации наполнителей и их влияния на композиционные полимерные электролиты на основе полиоксиэтилена». Электрохимика Акта . 55 (4): 1314. doi : 10.1016/j.electacta.2009.04.025 .
^ Леговец, Курт (1953). «Слой пространственного заряда и распределение дефектов решетки на поверхности ионных кристаллов» . Журнал химической физики . 21 (7): 1123–1128. Бибкод : 1953ЖЧФ..21.1123Л . дои : 10.1063/1.1699148 .

[1] Акин, Мерт; Ван, Юйчен; Цяо, Сяояо; Ян, Живэй; Чжоу, Сянъян (сентябрь 2020 г.). «Влияние относительной влажности на кинетику реакции в твердотельной батарее на основе йодида рубидия-серебра». Электрохимика Акта . 355 : 136779. doi : 10.1016/j.electacta.2020.136779 . S2CID 225553692 .

[2] Ван, Юйчен; Акин, Мерт; Цяо, Сяояо; Ян, Живэй; Чжоу, Сянъян (сентябрь 2021 г.). «Значительно повышенная плотность энергии твердотельной аккумуляторной батареи, работающей в условиях высокой влажности» . Международный журнал энергетических исследований . 45 (11): 16794–16805. дои : 10.1002/er.6928 .

[3] Штурманн CHJ; Крайтерлинг Х.; Функе К. (2002). «Ионный эффект Холла, измеренный в йодиде серебра рубидия». Ионика твердого тела . 154–155: 109–112. дои : 10.1016/S0167-2738(02)00470-8 .

[4] Александр Деспотули; Александра Андреева (2007). Высокоёмкие конденсаторы для 0,5 вольтовой наноэлектроники будущего . Современная Электроника (in Russian) (7): 24–29. Александр Деспотули; Александра Андреева (2007). «Конденсаторы большой емкости для 0,5-вольтной наноэлектроники будущего». Современная электроника (7): 24–29.

[Despotuli-5] Деспотули, Алабама; Андреева, А.В. (январь 2009 г.). «Краткий обзор наноэлектроники глубокого субнапряжения и связанных с ней технологий». Международный журнал нанонауки . 8 (4 и 5): 389–402. Бибкод : 2009IJN.....8..389D . дои : 10.1142/S0219581X09006328 .

[6] Бинди, Л.; Эвейн М. (2006). «Характер быстрой ионной проводимости и ионные фазовые переходы в неупорядоченных кристаллах: сложный случай минералов группы пирсеит – полибазит». Физхим Майнер . 33 (10): 677–690. Бибкод : 2006PCM....33..677B . дои : 10.1007/s00269-006-0117-7 . S2CID 95315848 .

[7] Шрайвер, DF; Аткинс, П.В.; Овертон, TL; Рурк, JP; Веллер, Монтана; Армстронг, Ф.А. «Неорганическая химия», У.Х. Фриман, Нью-Йорк, 2006. ISBN 0-7167-4878-9 .

[8] Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . ISBN 978-0-08-037941-8 .

[9] Акин, Мерт; Ван, Юйчен; Цяо, Сяояо; Ян, Живэй; Чжоу, Сянъян (20 сентября 2020 г.). «Влияние относительной влажности на кинетику реакции в твердотельной батарее на основе йодида рубидия-серебра». Электрохимика Акта . 355 : 136779. doi : 10.1016/j.electacta.2020.136779 . S2CID 225553692 .

[10] Мацумото, Хиросигэ; Мияке, Такако; Ивахара, Хироясу (1 мая 2001 г.). «Хлорид-ионная проводимость в системе PbCl2-PbO» . Бюллетень исследования материалов . 36 (7): 1177–1184. дои : 10.1016/S0025-5408(01)00593-1 . ISSN 0025-5408 .

[dry-11] «Революция рулонных аккумуляторов» . Эв Мир. Архивировано из оригинала 10 июля 2011 г. Проверено 20 августа 2010 г.

[12] Пержина, К.; Борковска, Р.; Сыздек, Дж.А.; Залевская, А.; Вечорек, WAA (2011). «Влияние добавки типа кислоты Льюиса на характеристики литий-гелевого электролита». Электрохимика Акта . 57 : 58–65. дои : 10.1016/j.electacta.2011.06.014 .

[13] Сыздек, Дж.А.; Арманд, М.; Марцинек, М.; Залевская, А.; Жуковская, Г.Ю.; Вечорек, WAA (2010). «Детальные исследования модификации наполнителей и их влияния на композиционные полимерные электролиты на основе полиоксиэтилена». Электрохимика Акта . 55 (4): 1314. doi : 10.1016/j.electacta.2009.04.025 .

[14] Леговец, Курт (1953). «Слой пространственного заряда и распределение дефектов решетки на поверхности ионных кристаллов» . Журнал химической физики . 21 (7): 1123–1128. Бибкод : 1953ЖЧФ..21.1123Л . дои : 10.1063/1.1699148 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]