En la ciencia de materiales , los conductores de iones rápidos son conductores sólidos con iones de gran movilidad . Estos materiales son importantes en el área de los iones de estado sólido y también se conocen como electrolitos sólidos y conductores superiónicos . Estos materiales son útiles en baterías y diversos 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 que exista 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 .
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 y tienen iones completamente móviles. Los electrolitos sólidos se utilizan en todos los supercondensadores , baterías y pilas de combustible de estado sólido , y en diversos tipos de sensores químicos .
En electrolitos sólidos (vidrios o cristales), la conductividad iónica σ i puede tener cualquier valor, pero debería ser mucho mayor que la electrónica. Por lo general, los sólidos donde 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, donde los iones de hidrógeno actúan como portadores de carga. Un ejemplo notable es el agua superiónica .
Los conductores superiónicos donde σ i es superior a 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 Hall (deriva) en RbAg 4 I 5 es aproximadamente 2 × 10−4 cm 2 /(V•s) a temperatura ambiente. [3] En la figura se muestra el diagrama sistemático σ e – σ i que distingue los diferentes tipos de conductores iónicos de estado sólido. [4] [5]
Hasta el momento 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 pearceita-polibasita, en 2006 se descubrieron grandes fragmentos estructurales con energía de activación del transporte iónico E i < k B T (300 К) . [6]
Un electrolito sólido común es la circona estabilizada con itria , YSZ. Este material se prepara dopando Y 2 O 3 en ZrO 2 . Los iones de óxido normalmente migran 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 obtener un conductor de óxido que se utiliza en sensores de oxígeno en controles de automóviles. Al dopar sólo 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 rápidos 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 fácilmente a través de este material ya que la estructura de óxido proporciona un medio ionofílico no reducible. Este material se considera como 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 plomo beta muestra un crecimiento continuo de la conductividad al calentarse. Esta propiedad fue descubierta por primera vez por Michael Faraday .
Un ejemplo de libro de texto de un conductor de iones rápidos es el yoduro de plata (AgI). Al calentar el sólido a 146 °C, este material adopta el polimorfo alfa. De esta forma, los iones yoduro forman una estructura cúbica rígida y los centros Ag+ se funden. La conductividad eléctrica del sólido aumenta 4000x. 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 de una capa superficial de cristales iónicos con carga espacial. Esta conducción fue predicha por primera vez por Kurt Lehovec . [13] 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 el desarrollo de nanomateriales para baterías de litio portátiles y pilas de combustible.
