En la ciencia de los materiales , los conductores de iones rápidos son conductores sólidos con iones altamente móviles . Estos materiales son importantes en el área de la ionización 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 celdas de combustible de óxido sólido . Como electrolitos sólidos, permiten el movimiento de iones sin la necesidad de un líquido o una membrana 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 .
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 celdas de combustible , y en varios tipos de sensores químicos .
En los electrolitos sólidos (vidrios o cristales), la conductividad iónica σ i puede ser cualquier valor, pero debe ser mucho mayor que la electrónica. Por lo general, los sólidos en los que σ i es del orden de 0,0001 a 0,1 Ω −1 cm −1 (300 K) se denominan conductores superiónicos.
Los conductores de protones son una clase especial de electrolitos sólidos, en los que los iones de hidrógeno actúan como portadores de carga. Un ejemplo notable es el agua superiónica .
Los conductores superiónicos donde σ i es mayor que 0,1 Ω −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 σ i > 0,25 Ω −1 cm −1 y σ e ~10 −9 Ω −1 cm −1 a 300 K. [1] [2] La movilidad iónica de Hall (deriva) en RbAg 4 I 5 es de aproximadamente 2 × 10−4 cm 2 /(V•s) a temperatura ambiente. [3] El diagrama sistemático σ e – σ i que distingue los diferentes tipos de conductores iónicos de estado sólido se muestra en la figura. [4] [5]
Hasta el momento no se han descrito ejemplos claros de conductores iónicos rápidos en la clase hipotética de conductores superiónicos avanzados (áreas 7 y 8 en el diagrama de clasificación). Sin embargo, en la estructura cristalina de varios conductores superiónicos, por ejemplo en los minerales del grupo de la pearceíta-polibasita, se descubrieron en 2006 grandes fragmentos estructurales con energía de activación del transporte iónico E i < k B T (300 К). [6]
Un electrolito sólido común es la zirconia estabilizada con itrio, YSZ. Este material se prepara dopando Y2O3 en ZrO2 . Los iones de óxido normalmente migran solo lentamente en Y2O3 sólido y en ZrO2 , pero en YSZ , la conductividad del óxido aumenta drásticamente. Estos materiales se utilizan para permitir que el oxígeno se mueva a través del sólido en ciertos tipos de celdas de combustible. El dióxido de zirconio también se puede dopar con óxido de calcio para dar un conductor de óxido que se utiliza 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. [7]
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.
Otro ejemplo de un conductor de iones rápido popular es el electrolito sólido de beta-alúmina . [8] 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 a través de este material fácilmente ya que la estructura de óxido proporciona un medio ionofílico, no reducible. Este material se considera como el conductor de iones de sodio para la batería de sodio-azufre .
El trifluoruro de lantano (LaF 3 ) es conductor de iones F − y se utiliza en algunos electrodos selectivos de iones . El fluoruro de beta-plomo muestra un crecimiento continuo de la conductividad al calentarse. Esta propiedad fue descubierta por primera vez por Michael Faraday .
Un ejemplo clásico 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. En esta forma, los iones de yoduro forman una estructura cúbica rígida y los centros Ag+ están fundidos. La conductividad eléctrica del sólido aumenta 4000 veces. Se observa un comportamiento similar para el yoduro de cobre (I) (CuI), el yoduro de plata y rubidio (RbAg 4 I 5 ), [9] y Ag 2 HgI 4 .
El caso importante de conducción iónica rápida es el que se produce en una capa de carga espacial superficial de cristales iónicos. Dicha conducción fue predicha por primera vez por Kurt Lehovec . [14] Como una capa de carga espacial tiene un espesor nanométrico, el efecto está directamente relacionado con la nanoiónica (nanoiónica-I). El efecto de Lehovec se utiliza como base para desarrollar nanomateriales para baterías portátiles de litio y celdas de combustible.
