Conducteur ionique rapide - Fast ion conductor

Un conducteur de protons , en particulier de la glace superionique , dans un champ électrique statique .

En science des matériaux , les conducteurs d'ions rapides sont des conducteurs solides avec des ions très mobiles . Ces matériaux sont importants dans le domaine des ioniques à l'état solide et sont également connus sous le nom d' électrolytes solides et de conducteurs superioniques . Ces matériaux sont utiles dans les batteries et divers capteurs. Les conducteurs d'ions rapides sont principalement utilisés dans les piles à combustible à oxyde solide . En tant qu'électrolytes solides, ils permettent le mouvement des ions sans avoir besoin d'une membrane liquide ou molle séparant les électrodes. Le phénomène repose sur le saut d'ions à travers une structure cristalline par ailleurs rigide .

Mécanisme

Les conducteurs d'ions rapides sont de nature intermédiaire entre les solides cristallins qui possèdent une structure régulière avec des ions immobiles et les électrolytes liquides qui n'ont pas de structure régulière et des ions entièrement mobiles. Les électrolytes solides sont utilisés dans tous les supercondensateurs , batteries et piles à combustible à semi-conducteurs , ainsi que dans divers types de capteurs chimiques .

Classification

Dans les électrolytes solides (verres ou cristaux), la conductivité ionique i peut être n'importe quelle valeur, mais elle doit être beaucoup plus grande que celle électronique. Habituellement, les solides où Ω i est de l'ordre de 0,0001 à 0,1 Ohm -1 cm -1 (300 K) sont appelés conducteurs superioniques.

Conducteurs de protons

Les conducteurs de protons sont une classe spéciale d'électrolytes solides, où les ions hydrogène agissent comme porteurs de charge. Un exemple notable est l' eau superionique .

Conducteurs superioniques

Les conducteurs superioniques où Ω i est supérieur à 0,1 Ohm -1 cm -1 (300 K) et l'énergie d'activation pour le transport ionique E i est faible (environ 0,1 eV), sont appelés conducteurs superioniques avancés . L'exemple le plus célèbre d'électrolyte solide conducteur superionique avancé est RbAg 4 I 5 où Ω i > 0,25 Ohm -1 cm -1 et Ω e ~10 -9 Ohm -1 cm -1 à 300 K. Le Hall (dérive) ionique la mobilité dans RbAg 4 I 5 est d'environ 2 × 10 − 4 cm 2 /(V•s) à température ambiante. Le schéma systématique Ω e – Ω i distinguant les différents types de conducteurs ioniques à l'état solide est donné sur la figure.

Classification des conducteurs ioniques à l'état solide par le diagramme lg (conductivité électronique, Ω e ) – lg (conductivité ionique, i ). Les régions 2, 4, 6 et 8 sont des électrolytes solides (ES), des matériaux avec Ω i >> Ω e ; les régions 1, 3, 5 et 7 sont des conducteurs mixtes ion-électrons (MIEC). 3 et 4 sont des conducteurs superioniques (SIC), c'est-à-dire des matériaux avec i > 0,001 Ohm -1 cm -1 . 5 et 6 sont des conducteurs superioniques avancés (AdSIC), où Ω i > 10 -1 Ohm -1 cm -1 (300 K), énergie d'activation E i d' environ 0,1 eV. 7 et 8 sont des AdSIC hypothétiques avec E i ≈ k B T 0,03 eV (300 К).

Aucun exemple clair n'a encore été décrit de conducteurs ioniques rapides dans la classe hypothétique des conducteurs superioniques avancés (zones 7 et 8 dans le tracé de classification). Cependant, dans la structure cristalline de plusieurs conducteurs superioniques, par exemple dans les minéraux du groupe pearcéite-polybasite, les grands fragments structuraux avec une énergie d'activation de transport d'ions E i < k B T (300 ) avaient été découverts en 2006.

Exemples

Matériaux à base de zircone

Un électrolyte solide courant est la zircone stabilisée à l'yttria , YSZ. Ce matériau est préparé par dopage de Y 2 O 3 dans ZrO 2 . Les ions oxyde ne migrent généralement que lentement dans le Y 2 O 3 solide et dans le ZrO 2 , mais dans YSZ, la conductivité de l'oxyde augmente considérablement. Ces matériaux sont utilisés pour permettre à l'oxygène de se déplacer à travers le solide dans certains types de piles à combustible. Le dioxyde de zirconium peut également être dopé avec de l'oxyde de calcium pour donner un oxyde conducteur qui est utilisé dans les capteurs d'oxygène dans les commandes automobiles. Lors d'un dopage de quelques pour cent seulement, la constante de diffusion de l'oxyde augmente d'un facteur d'environ 1000.

D'autres céramiques conductrices fonctionnent comme des conducteurs d'ions. Un exemple est NASICON , (Na 3 Zr 2 Si 2 PO 12 ), un conducteur super-ionique de sodium

bêta-alumine

Un autre exemple de conducteur ionique rapide populaire est l'électrolyte solide en bêta-alumine . Contrairement aux formes habituelles d'alumine , cette modification a une structure en couches avec des galeries ouvertes séparées par des piliers. Les ions sodium (Na + ) migrent facilement à travers ce matériau puisque la charpente d'oxyde fournit un milieu ionophile non réductible. Ce matériau est considéré comme le conducteur d'ions sodium pour la batterie sodium-soufre .

Conducteurs d'ions fluorure

Le trifluorure de lanthane (LaF 3 ) est conducteur pour les ions F − , utilisés dans certaines électrodes sélectives d'ions . Le fluorure de plomb bêta présente une croissance continue de la conductivité lors du chauffage. Cette propriété a été découverte pour la première fois par Michael Faraday .

Iodures

Un exemple classique de conducteur ionique rapide est l' iodure d'argent (AgI). En chauffant le solide à 146 °C, ce matériau adopte le polymorphe alpha. Sous cette forme, les ions iodure forment une charpente cubique rigide et les centres Ag+ sont fondus. La conductivité électrique du solide augmente de 4000x. Un comportement similaire est observé pour l'iodure de cuivre (I) (CuI), l' iodure d'argent rubidium (RbAg 4 I 5 ) et Ag 2 HgI 4 .

Autres matières inorganiques

Matières organiques

Histoire

Le cas important de la conduction ionique rapide est celui d'une couche de charge d'espace de surface de cristaux ioniques. Une telle conduction a été prédite pour la première fois par Kurt Lehovec . Comme une couche de charge d'espace a une épaisseur nanométrique, l'effet est directement lié à la nanoionique (nanoionics-I). L'effet Lehovec est utilisé comme base pour développer des nanomatériaux pour les batteries portables au lithium et les piles à combustible.

Voir également

Les références