고속 이온 도체

재료과학에서 패스트 이온 도체는 이동성이 높은 이온을 가진 고체 도체다. 이러한 물질은 고체 상태의 이온화 영역에서 중요하며 고체 전해질과 초이온화 도체로도 알려져 있다. 이 재료들은 배터리와 다양한 센서에 유용하다. 고속 이온 도체는 주로 고체 산화물 연료 전지에 사용된다. 고체 전해질로서 그들은 전극을 분리하는 액체나 부드러운 막 없이도 이온의 움직임을 허용한다. 그 현상은 다른 경직된 결정 구조를 통해 이온의 깡충깡충 뛰는 것에 의존한다.

메커니즘

고속 이온 도체는 움직이지 않는 이온을 가진 규칙적인 구조를 가진 결정체 고체와 규칙적인 구조가 없고 완전한 이동 이온이 있는 액체 전해질 사이의 중간 성질이다. 고체 전해질은 모든 고체 상태의 슈퍼캐패시터, 배터리, 연료전지와 다양한 종류의 화학 센서에서 사용된다.

분류

고체 전해질(유리 또는 결정체)에서는 이온전도율 Ω이_i 어떤 값도 될 수 있지만 전자전도율보다 훨씬 커야 한다. 일반적으로 Ω이_i 0.0001 ~ 0.1 옴 cm⁻¹⁻¹(300 K)의 순서에 있는 고형물을 초이온 도체라고 한다.

양성자 도체

양성자 도체는 수소 이온이 전하 운반체 역할을 하는 고형 전해질의 특수한 등급이다. 한 가지 주목할 만한 예가 초이온수다.

초이온 도체

Ω이_i 0.1 옴 cm⁻¹⁻¹(300 K) 이상이고 이온 전달 E의_i 활성화 에너지(약 0.1 eV)가 작은 초이온 도체를 첨단 초이온 도체라고 한다. 첨단 초이온 도체 고체 전해질의 가장 유명한 예는 RbAGI인데₄₅, 여기서 Ω_i > 0.25Ω⁻¹ cm⁻¹, 300K에서_e Ω⁻¹ ~10Ω⁻⁹ cm이다⁻¹.^[1][2] RbAgI의₄₅ 홀(드립) 이온 이동성은 실온에서 약 2×10⁻⁴ cm²/(V•s)이다.^[3] 그림에는 다양한 유형의 솔리드 스테이트 이온 도체를 구별하는 Ω_e – Ω_i 체계 도표가 나와 있다.^[4][5]

가상의 고급 초이온 도체 등급(분류 그림의 영역 7과 8)에서 고속 이온 도체에 대한 명확한 예는 아직 설명되지 않았다. 그러나, 배아석-폴리바사이트 그룹의 광물에서와 같은 여러 초이온 도체의 결정 구조에서는 2006년에 이온 수송 Ei <kT_B (300 к))의 활성화 에너지를 가진 대형 구조 파편이 발견되었다.^[6]

예

지르코니아 소재

일반적인 고체 전해질은 yttria 안정화 지르코니아, YSZ이다. 이₂₃ 재료는 YO를₂ ZrO에 도핑하여 준비한다. 산화 이온은 일반적으로 고체 YO와₂₃ ZrO에서만₂ 천천히 이동하지만 YSZ에서는 산화물의 전도성이 급격히 증가한다. 이 물질들은 특정 종류의 연료전지의 고체를 통해 산소가 이동할 수 있도록 하기 위해 사용된다. 이산화지르코늄은 또한 산화칼슘으로 도핑되어 자동차 제어장치의 산소 센서에 사용되는 산화 도체를 제공할 수 있다. 몇 퍼센트만 도핑하면 산화물 확산 상수가 ~1000배 증가한다.^[7]

다른 전도성 세라믹은 이온 도체로서 기능한다. 나시콘(NaZrSiPO₃₂₂₁₂), 나트륨 초이온 도체(NasICON, NaZrSiPO)가 한 예다.

베타알루미나

인기 있는 고속 이온 도체의 또 다른 예는 베타-알루미나 고체 전해질이다.^[8] 이 개조 작업은 일반적인 형태의 알루미나와는 달리 기둥으로 분리된 열린 갤러리를 가진 층층 구조로 되어 있다. 나트륨 이온(Na⁺)은 산화물이 이온성, 감소 불가능한 매질을 제공하기 때문에 이 물질을 통해 쉽게 이동한다. 이 물질은 나트륨-황산나트륨 배터리의 나트륨 이온 도체로 간주된다.

플루오르화 이온 도체

LaF₃(Lantanum trifluoride)는 일부⁻ 이온 선택 전극에 사용되는 F 이온용 전도성이다. 베타 납 플루오르화물은 난방에 대한 전도도의 지속적인 성장을 나타낸다. 이 재산은 마이클 패러데이에 의해 처음 발견되었다.

이오디데스

빠른 이온 도체의 교과서적인 예는 요오드화은 은이다. 고체를 146 °C로 가열할 때 이 물질은 알파 폴리모르프를 채택한다. 이 형태에서 요오드 이온은 단단한 입방체 틀을 형성하고, Ag+ 중심은 용융된다. 고체의 전기 전도도는 4000배 증가한다. 구리(I)요오드화합물(CuI), 루비듐은요오드화합물(RbAgI₄₅),^[9] AgHgI에서도₂₄ 유사한 동작이 관찰된다.

기타 무기물질

• 일부 이온 선택 전극에 사용되는 AG⁺ 이온용 전도성 황화 은
• 염화 납(II) 염화물, 고온에서 전도성
• 일부²⁻ 페로브스카이트 세라믹 - 스트론튬 타이탄산염, 스트론튬 스탠나이트 - O 이온용 전도성
• ${\$${\mathit{n}H2O}$ $$– H⁺ 이온에 대한 전도성
• ${\$$4H2O}}($수소 천왕성 인산염 테트라하이드레이트) – H 이온에⁺ 대한 전도성
• 세륨(IV) 산화물 – O 이온용²⁻ 전도성

유기물

• 많은 겔들, 그러한 폴리아크릴라미드, 아가르 등은 빠른 이온 전도체들이다^[10][11].
• 폴리머에 용해된 소금 – 예를 들어 폴리에틸렌 산화물의^[12] 과염소산 리튬
• 다전극 및 Ionomer – 예: Nafion, H⁺ 도체

역사

빠른 이온 전도의 중요한 경우는 이온 결정의 표면 공간 전하층 중 하나이다. 그러한 전도는 커트 르호벡에 의해 처음 예측되었다.^[13] 공간충전층이 나노미터 두께를 갖기 때문에 그 효과는 나노이온학(나노이온학-I)과 직결된다. 르호베크의 효과는 휴대용 리튬배터리와 연료전지용 나노소재 개발의 근거로 쓰인다.

참고 항목

• 혼합도체

참조