En la ciencia de los materiales , los conductores de iones rápidos son conductores de sólidos con iones altamente móviles . Estos materiales son importantes en el área de los iónicos de estado sólido y también se conocen como electrolitos sólidos y conductores superiónicos . Estos materiales son útiles en baterías y varios sensores. Los conductores de iones rápidos se utilizan principalmente en pilas de combustible de óxido sólido . Como electrolitos sólidos permiten el movimiento de iones sin necesidad de una membrana líquida o blanda que separe los electrodos. El fenómeno se basa en el salto de iones a través de una estructura cristalina que de otro modo sería rígida .
Mecanismo
Los conductores de iones rápidos son de naturaleza intermedia entre los sólidos cristalinos que poseen una estructura regular con iones inmóviles y los electrolitos líquidos que no tienen una estructura regular e iones completamente móviles. Los electrolitos sólidos se utilizan en todos los supercondensadores de estado sólido , baterías y pilas de combustible , y en varios tipos de sensores químicos .
Clasificación
En los electrolitos sólidos (vidrios o cristales), la conductividad iónica Ω i puede ser cualquier valor, pero debería ser mucho mayor que la electrónica. Por lo general, los sólidos en los que Ω i es del orden de 0,0001 a 0,1 Ohm −1 cm −1 (300 K) se denominan conductores superiónicos.
Conductores de protones
Los conductores de protones son una clase especial de electrolitos sólidos, donde los iones de hidrógeno actúan como portadores de carga. Un ejemplo notable es el agua superiónica .
Conductores superiónicos
Los conductores superiónicos donde Ω i es más de 0,1 Ohm −1 cm −1 (300 K) y la energía de activación para el transporte de iones E i es pequeña (aproximadamente 0,1 eV), se denominan conductores superiónicos avanzados . El ejemplo más famoso de electrolito sólido conductor superiónico avanzado es RbAg 4 I 5 donde Ω i > 0.25 Ohm −1 cm −1 y Ω e ~ 10 −9 Ohm −1 cm −1 a 300 K. la movilidad en RbAg 4 I 5 es de aproximadamente 2 × 10 - 4 cm 2 / (V • s) a temperatura ambiente. [1] El diagrama sistemático Ω e - Ω i que distingue los diferentes tipos de conductores iónicos de estado sólido se muestra en la figura. [2] [3]
Todavía no se han descrito ejemplos claros de conductores de iones rápidos en la hipotética clase de conductores superiónicos avanzados (áreas 7 y 8 en el gráfico de clasificación). Sin embargo, en la estructura cristalina de varios conductores superiónicos, por ejemplo, en los minerales del grupo pearceite-polybasite, los grandes fragmentos estructurales con energía de activación de transporte de iones E i < k B T (300 К) se habían descubierto en 2006. [4]
Ejemplos de
Materiales a base de circonio
Un electrolito sólido común es la zirconia estabilizada con itria , YSZ. Este material se prepara dopando Y 2 O 3 en ZrO 2 . Los iones de óxido generalmente migran solo lentamente en Y 2 O 3 sólido y en ZrO 2 , pero en YSZ, la conductividad del óxido aumenta dramáticamente. Estos materiales se utilizan para permitir que el oxígeno se mueva a través del sólido en ciertos tipos de pilas de combustible. El dióxido de circonio también se puede dopar con óxido de calcio para dar un conductor de óxido que se usa en sensores de oxígeno en controles de automóviles. Al dopar solo un pequeño porcentaje, la constante de difusión del óxido aumenta en un factor de ~ 1000. [5]
Otras cerámicas conductoras funcionan como conductores de iones. Un ejemplo es NASICON , (Na 3 Zr 2 Si 2 PO 12 ), un conductor superiónico de sodio
beta-alúmina
Otro ejemplo de un popular conductor de iones rápidos es el electrolito sólido de beta-alúmina . [6] A diferencia de las formas habituales de alúmina , esta modificación tiene una estructura en capas con galerías abiertas separadas por pilares. Los iones de sodio (Na + ) migran fácilmente a través de este material ya que la estructura de óxido proporciona un medio ionófilo no reducible. Este material se considera el conductor de iones de sodio para la batería de sodio-azufre .
Conductores de iones de fluoruro
El trifluoruro de lantano (LaF 3 ) es conductor de iones F - , utilizado en algunos electrodos selectivos de iones . El fluoruro de beta-plomo exhibe un crecimiento continuo de conductividad al calentarse. Esta propiedad fue descubierta por primera vez por Michael Faraday .
Yoduros
Un ejemplo de libro de texto de un conductor de iones rápido es el yoduro de plata (AgI). Al calentar el sólido a 146 ° C, este material adopta el polimorfo alfa. De esta forma, los iones de yoduro forman una estructura cúbica rígida y los centros de Ag + se funden. La conductividad eléctrica del sólido aumenta 4000x. Se observa un comportamiento similar para el yoduro de cobre (I) (CuI), yoduro de plata y rubidio (RbAg 4 I 5 ), [7] y Ag 2 HgI 4 .
Otros materiales inorgánicos
- Sulfuro de plata , conductor de iones Ag + , utilizado en algunos electrodos selectivos de iones
- Cloruro de plomo (II) , conductor a temperaturas más altas
- Algunas cerámicas de perovskita - titanato de estroncio , estannato de estroncio - conductoras de iones O 2−
- - conductor de iones H +
- (fosfato de hidrógeno-uranilo tetrahidratado) - conductor de iones H +
- Óxido de cerio (IV) - conductor de iones O 2−
Materiales orgánicos
- Muchos geles , como poliacrilamidas , agar , etc., son conductores de iones rápidos [8] [9]
- Una sal disuelta en un polímero, por ejemplo, perclorato de litio en óxido de polietileno [10]
- Polielectrolitos e ionómeros , por ejemplo , Nafion , un conductor H +
Historia
El caso importante de conducción iónica rápida es uno en una capa de carga espacial superficial de cristales iónicos. Tal conducción fue predicha por primera vez por Kurt Lehovec . [11] Como una capa de carga espacial tiene un grosor nanométrico, el efecto está directamente relacionado con la nanoiónica (nanoiónica-I). El efecto de Lehovec se utiliza como base para el desarrollo de nanomateriales para baterías portátiles de litio y pilas de combustible.
Ver también
- Conductor mixto
Referencias
- ^ Stuhrmann CHJ; Kreiterling H .; Funke K. (2002). "Efecto Hall iónico medido en yoduro de plata rubidio". Iónicos de estado sólido . 154-155: 109-112. doi : 10.1016 / S0167-2738 (02) 00470-8 .
- ^ Александр Деспотули; Александра Андреева (2007).Высокоёмкие конденсаторы для 0,5 вольтовой наноэлектроники будущего. Современная Электроника (en ruso) (7): 24–29.Alexander Despotuli; Alexandra Andreeva (2007). "Condensadores de alta capacidad para nanoelectrónica de 0,5 voltios del futuro". Modern Electronics (7): 24-29.
- ^ Despotuli, AL; Andreeva, AV (enero de 2009). "Una breve reseña sobre nanoelectrónica de subtensión profunda y tecnologías relacionadas". Revista Internacional de Nanociencia . 8 (4 y 5): 389–402. Código bibliográfico : 2009IJN ..... 8..389D . doi : 10.1142 / S0219581X09006328 .
- ^ Bindi, L .; Evain M. (2006). "Carácter de conducción iónica rápida y transiciones de fase iónica en cristales desordenados: el caso complejo de los minerales del grupo pearceite-polybasite". Phys Chem Miner . 33 (10): 677–690. Código bibliográfico : 2006PCM .... 33..677B . doi : 10.1007 / s00269-006-0117-7 . S2CID 95315848 .
- ^ Shriver, DF; Atkins, PW; Overton, TL; Rourke, JP; Weller, MT; Armstrong, FA “Química inorgánica” WH Freeman, Nueva York, 2006. ISBN 0-7167-4878-9 .
- ^ Greenwood, Norman N .; Earnshaw, Alan (1997). Química de los Elementos (2ª ed.). Butterworth-Heinemann . ISBN 978-0-08-037941-8.
- ^ Akin, Mert; Wang, Yuchen; Qiao, Xiaoyao; Yan, Zhiwei; Zhou, Xiangyang (20 de septiembre de 2020). "Efecto de la humedad relativa en la cinética de reacción en la batería de estado sólido basada en yoduro de plata y rubidio". Electrochimica Acta . 355 : 136779. doi : 10.1016 / j.electacta.2020.136779 .
- ^ "La revolución de la batería rollo a rollo" . Ev World. Archivado desde el original el 10 de julio de 2011 . Consultado el 20 de agosto de 2010 .
- ^ Perzyna, K .; Borkowska, R .; Syzdek, JA; Zalewska, A .; Wieczorek, WAA (2011). "El efecto del aditivo de tipo ácido de Lewis sobre las características del electrolito de gel de litio". Electrochimica Acta . 57 : 58–65. doi : 10.1016 / j.electacta.2011.06.014 .
- ^ Syzdek, JA; Armand, M .; Marcinek, M .; Zalewska, A .; Żukowska, GY; Wieczorek, WAA (2010). "Estudios detallados sobre la modificación de las cargas y su influencia en electrolitos poliméricos compuestos a base de poli (oxietileno)". Electrochimica Acta . 55 (4): 1314. doi : 10.1016 / j.electacta.2009.04.025 .
- ^ Lehovec, Kurt (1953). "Capa de carga espacial y distribución de defectos de celosía en la superficie de cristales iónicos". Revista de Física Química . 21 (7): 1123–1128. Código Bibliográfico : 1953JChPh..21.1123L . doi : 10.1063 / 1.1699148 .