رسانای یونی سریع

در علم مواد، رساناهای یونی سریع، رساناهای جامد با یون های بسیار متحرک هستند. این مواد در زمینه یون‌های جامد مهم هستند و به عنوان الکترولیت های جامد و رساناهای ابریونی نیز شناخته می شوند. این مواد در باتری ها و سنسورهای مختلف کاربرد دارند. رساناهای یونی سریع عمدتاً در پیل های سوختی اکسید جامد استفاده می شوند. آنها به عنوان الکترولیت های جامد اجازه حرکت یون ها را بدون نیاز به یک مایع یا غشای نرم که الکترودها را جدا می‌کند، می دهند. این پدیده بر جهش یونها از بین یک ساختار کریستالی سخت متکی است.

یک رسانای پروتون ، مانند، یخ ابریونی ، در یک میدان الکتریکی یکنواخت.

سازوکار

ویرایش

رساناهای یونی سریع ذاتاً، حد واسط بین جامدات کریستالی با ساختار منظم و یون های بی حرکت، و الکترولیت های مایع بدون ساختار منظم و یون‌های کاملا متحرک، هستند. الکترولیت‌های جامد در حالت جامد همه ابرخازن‌های، باتری‌ها و پیل‌های سوختی و در انواع مختلف حسگرهای شیمیایی کاربرد دارند.

طبقه بندی

ویرایش

در الکترولیت های جامد (شیشه یا کریستال)، رسانایی یونی Ω i می تواند هر مقداری داشته باشد، اما باید بسیار بزرگتر از رساناهای الکترونیکی باشد. معمولاً جامداتی که در آنها Ω i در مرتبه 0.0001 تا 0.1 اهم -1 سانتی‌متر -1 (300 K) باشد، رسانای ابریونی نامیده می‌شوند.

رساناهای پروتونی

ویرایش

رساناهای پروتونی دسته خاصی از الکترولیت های جامد هستند که یون های هیدروژن به عنوان حامل بار عمل می کنند. یک مثال قابل توجه آب ابریونی است.

رساناهای ابریونی

ویرایش

رساناهای ابریونی که در آن‌ها، Ω i بیشتر از 0.1 اهم -1 سانتی متر -1 (300 K) است و انرژی فعال سازی برای انتقال یون، یعنی E کوچک است (حدود 0.1 eV)، رسانای ابریونی پیشرفته نامیده می شوند. مشهورترین نمونه رسانای ابریونی پیشرفته جامد RbAg <sub id="mwMA">4</sub> I <sub id="mwMQ">5</sub> است که در آن Ω i > 0.25 اهم -1 سانتی متر -1 و Ω e ~ 10 - 9 اهم -1 سانتی متر -1 در 300 K. [۱] [۲] تحرک یونی هال (رانش) در RbAg 4 I 5 حدود 2 ‎×۱۰−۴ cm 2 / (V•s) در اتاق است. [۳] نمودار سیستماتیک Ω e – Ω i که انواع مختلف رساناهای یونی حالت جامد را متمایز می کند در شکل آورده شده است. [۴] [۵]

 
طبقه بندی رساناهای یونی حالت جامد بر اساس نمودار lg (رسانایی الکترونیکی، Ω e ) – lg (رسانایی یونی، Ω i ). مناطق 2، 4، 6 و 8 الکترولیت های جامد (SE) هستند، موادی با Ω i >> Ω e ; مناطق 1، 3، 5 و 7 رساناهای یونی الکترونی ترکیبی (MIECs) هستند. 3 و 4 رساناهی ابریونی (SIC) هستند، یعنی موادی با Ω i > 0.001 اهم -1 سانتی متر -1 . 5 و 6 رساناهای ابریونی پیشرفته (AdSICs) هستند، که در آن Ω i > 10-1 اهم -1 سانتی متر -1 (300 K)، انرژی فعال سازی، E حدود 0.1 eV است. 7 و 8 رساناهی ابریونی فرضی با E i ≈ k B T ≈ 0.03 eV (300 K) هستند.

هنوز هیچ مثال واضحی از رساناهای یونی سریع در دسته رساناهای ابریونی پیشرفته فرضی (مناطق 7 و 8 در نمودار طبقه بندی) شرح داده نشده است. با این حال، در ساختار کریستالی چندین رسانای ابریونی، به عنوان مثال در کانی‌های گروه پیرسیت-پلی‌بازیت، قطعات ساختاری بزرگ با انرژی فعال سازی انتقال یونی Ei < kBT (300 К) در سال 2006 کشف شد. [۶]

مثال ها

ویرایش

مواد مبتنی بر زیرکونیا

ویرایش

یک الکترولیت جامد رایج، زیرکونیای تثبیت شده با ایتریا، یا YSZ است. این ماده با آلایش Y2O3 در ZrO2 تهیه می شود. یون‌های اکسیدی معمولاً در جامد Y2O3 و در ZrO2 به آرامی حرکت می‌کنند، اما در YSZ، رسانایی اکسید به‌طور چشمگیری افزایش می‌یابد . این مواد به اکسیژن اجازه حرکت در مواد جامد را می‌دهند که در انواع خاصی از سلول های سوختی استفاده می شود. دی اکسید زیرکونیوم همچنین می تواند با اکسید کلسیم آلاییده شود تا یک رسانای اکسیدی ایجاد کند که در سنسورهای اکسیژن در فرمان‌های خودروها استفاده می شود. با آلایش تنها چند درصد، ثابت نفوذ اکسید حدودا هزار برابر می شود. [۷]

سایر سرامیک های رسانا به عنوان رساناهای یونی عمل می کنند. مانند NASICON، (Na3Zr2Si2PO12 )، که یک رسانای ابریونی سدیم است.

آلومینا بتا

ویرایش

نمونه دیگری از رسانای سریع یونی محبوب، الکترولیت جامد بتا آلومینا است. [۸] برخلاف فرم‌های معمول آلومینا ، این اصلاح ساختاری لایه‌ای با راه‌های باز دارد که توسط ستون‌هایی از هم جدا شده‌اند. یون های سدیم (Na+) به راحتی از طریق این ماده حرکت می کنند زیرا ساختار اکسیدی یک محیط یونیده شده غیر قابل کاهش را فراهم می کند. این ماده به عنوان رسانای یون سدیم برای باتری سدیم-گوگرد در نظر گرفته می شود.

رساناهای یونی فلوراید

ویرایش

تری فلوراید لانتانیم (LaF3 ) برای یون های F رسانا است که در برخی از الکترودهای یون انتخابی استفاده می شود. فلوراید بتا سرب در هنگام گرم شدن، افزایش رسانایی مستمری از خود نشان می دهد. این ویژگی اولین بار توسط مایکل فارادی کشف شد.

یدیدها

ویرایش

نمونه کتاب درسی از رسانای سریع یونی نقره یدید (AgI) است. با حرارت دادن جامد به 146 درجه سانتی گراد، این ماده چند شکل آلفا را می پذیرد. در این شکل، یون های یدید یک ساختار مکعبی سخت را تشکیل می دهند و مراکز Ag+ مذاب هستند. رسانایی الکتریکی جامد 4000 برابر افزایش می یابد. رفتار مشابهی برای یدید مس (I) (CuI)، یدید نقره روبیدیم (RbAg4I5[۹] و Ag2 HgI4 مشاهده شده است.

سایر مواد معدنی

ویرایش

مواد آلی

ویرایش

تاریخ

ویرایش

مورد مهم رسانش یونی سریع، یکی در یک لایه فضایی سطحی از کریستال های یونی است. چنین رسانایی اولین بار توسط کرت لهووک پیش بینی شد. [۱۳] از آنجایی که لایه بار فضایی دارای ضخامت نانومتری است، اثر مستقیماً با نانو یون ها (nanoionics-I) مرتبط است. اثر Lehovec به عنوان پایه ای برای توسعه نانومواد برای باتری های لیتیومی قابل حمل و سلول های سوختی استفاده می شود.

همچنین ببینید

ویرایش
  • هادی مختلط

منابع

ویرایش
  1. Akin, Mert; Wang, Yuchen; Qiao, Xiaoyao; Yan, Zhiwei; Zhou, Xiangyang (September 2020). "Effect of relative humidity on the reaction kinetics in rubidium silver iodide based all-solid-state battery". Electrochimica Acta. 355: 136779. doi:10.1016/j.electacta.2020.136779.
  2. Wang, Yuchen; Akin, Mert; Qiao, Xiaoyao; Yan, Zhiwei; Zhou, Xiangyang (September 2021). "Greatly enhanced energy density of all‐solid‐state rechargeable battery operating in high humidity environments". International Journal of Energy Research. 45 (11): 16794–16805. doi:10.1002/er.6928.
  3. Stuhrmann C.H.J.; Kreiterling H.; Funke K. (2002). "Ionic Hall effect measured in rubidium silver iodide". Solid State Ionics. 154–155: 109–112. doi:10.1016/S0167-2738(02)00470-8.
  4. Александр Деспотули; Александра Андреева (2007). Высокоёмкие конденсаторы для 0,5 вольтовой наноэлектроники будущего. Современная Электроника (به روسی) (7): 24–29. Alexander Despotuli; Alexandra Andreeva (2007). "High-capacity capacitors for 0.5 voltage nanoelectronics of the future". Modern Electronics (7): 24–29.
  5. Despotuli, A.L.; Andreeva, A.V. (January 2009). "A Short Review on Deep-Sub-Voltage Nanoelectronics and Related Technologies". International Journal of Nanoscience. 8 (4&5): 389–402. Bibcode:2009IJN.....8..389D. doi:10.1142/S0219581X09006328.
  6. Bindi, L.; Evain M. (2006). "Fast ion conduction character and ionic phase-transitions in disordered crystals: the complex case of the minerals of the pearceite– polybasite group". Phys Chem Miner. 33 (10): 677–690. Bibcode:2006PCM....33..677B. doi:10.1007/s00269-006-0117-7.
  7. Shriver, D. F.; Atkins, P. W.; Overton, T. L.; Rourke, J. P.; Weller, M. T.; Armstrong, F. A. “Inorganic Chemistry” W. H. Freeman, New York, 2006. شابک ‎۰−۷۱۶۷−۴۸۷۸−۹.
  8. Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). Chemistry of the Elements (2nd ed.). Oxford: Butterworth-Heinemann. ISBN 0080379419.{{cite book}}: نگهداری یادکرد:نام‌های متعدد:فهرست نویسندگان (link)
  9. Akin, Mert; Wang, Yuchen; Qiao, Xiaoyao; Yan, Zhiwei; Zhou, Xiangyang (20 September 2020). "Effect of relative humidity on the reaction kinetics in rubidium silver iodide based all-solid-state battery". Electrochimica Acta. 355: 136779. doi:10.1016/j.electacta.2020.136779.
  10. "The Roll-to-Roll Battery Revolution". Ev World. Archived from the original on 2011-07-10. Retrieved 2010-08-20.
  11. Perzyna, K.; Borkowska, R.; Syzdek, J. A.; Zalewska, A.; Wieczorek, W. A. A. (2011). "The effect of additive of Lewis acid type on lithium–gel electrolyte characteristics". Electrochimica Acta. 57: 58–65. doi:10.1016/j.electacta.2011.06.014.
  12. Syzdek, J. A.; Armand, M.; Marcinek, M.; Zalewska, A.; Żukowska, G. Y.; Wieczorek, W. A. A. (2010). "Detailed studies on the fillers modification and their influence on composite, poly(oxyethylene)-based polymeric electrolytes". Electrochimica Acta. 55 (4): 1314. doi:10.1016/j.electacta.2009.04.025.
  13. Lehovec, Kurt (1953). "Space-charge layer and distribution of lattice defects at the surface of ionic crystals". Journal of Chemical Physics. 21 (7): 1123–1128. Bibcode:1953JChPh..21.1123L. doi:10.1063/1.1699148.