Дунский М.М.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СУПЕРИОННЫХ ПРОВОДНИКАХ *
Аннотация:
в данной работе представлен обзор и анализ литературных источников в связи с проблемой протонной проводимости твёрдых тел. Рассматриваются общие сведения о твёрдых электролитах, сформулированы некоторые предпосылки проявления веществом высокой ионной проводимости для поиска новых суперионных проводников
Ключевые слова:
ионные суперпроводники, протонные проводники, ионики, твёрдые электролиты, быстрые проводники, проводимость, электропроводность, ионная проводимость, ионпроводящие материалы
УДК 544.6
Дунский М.М.
магистр физики, старший преподаватель кафедры математики и физики
Костанайский региональный университет имени А. Байтурсынова
(г. Костанай, Казахстан)
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СУПЕРИОННЫХ ПРОВОДНИКАХ
Аннотация: в данной работе представлен обзор и анализ литературных источников в связи с проблемой протонной проводимости твёрдых тел. Рассматриваются общие сведения о твёрдых электролитах, сформулированы некоторые предпосылки проявления веществом высокой ионной проводимости для поиска новых суперионных проводников.
Ключевые слова: ионные суперпроводники, протонные проводники, ионики, твёрдые электролиты, быстрые проводники, проводимость, электропроводность, ионная проводимость, ионпроводящие материалы.
Развитие электроэнергетики в значительной степени определяется уровнем достижений в области электропроводящих материалов. Электропроводность - способность тела пропускать электрический ток под воздействием приложенного электрического поля, а также физическая величина, количественно характеризующая эту способность [1].
Все вещества по своей удельной электрической проводимости (т.е. проводимость, приходящаяся на единицу длины и единицу площади сечения) условно подразделяют на три группы: проводники (106-108 Ом-1·м-1), полупроводники (область, лежащая между 10-8-106 Ом-1·м-1) и диэлектрики (ниже 10-8 Ом-1·м-1).
В свою очередь, проводники бывают первого рода (металлы) и второго рода (кислоты, соли, щёлочи, расплавы солей и щелочей). Следует отметить, что для обозначения веществ в твёрдом состоянии, обладающих ионной проводимостью, существую несколько исторически сложившихся терминов. Таковыми являются термины – ионные суперпроводники, суперионные проводники, твёрдые электролиты, ионики, суперионики, быстрые проводники. В электрохимической литературе твёрдые тела с преобладающей (по соотношению к электронной) ионной проводимостью называют твёрдыми электролитами. Таким образом, дадим следующее определение этому классу веществ:
Ионные проводники – это твердофазные (кристаллические, поликристаллические или аморфные - стеклообразные) вещества с ионной природой химической связи, обладающие в твёрдом состоянии достаточно высокой ионной проводимостью, сравнимой с проводимостью жидких электролитов и расплавов солей (~10-3-10 Ом-1·см-1).
Как теоретические, так и экспериментальные исследования очень многих веществ говорят о том, что максимальная ионная проводимость, которая может быть получена в твёрдофазных материалах, составляет 0,1-10 Ом-1·см-1; эти величины соответствую такому состоянию, когда бо'льшая часть ионов одновременно находится в движении. По мнению ряда авторов, именно к таким материалам следует относить термины «суперионные проводники» и «быстрые ионные проводники». Эта терминология получила широкое распространение, однако, строго говоря, она не совсем правильна.
В связи с проблемой ионного транспорта в твёрдых электролитах сложилась целая область науки, которая лежит на пересечении физики и химии твердого тела, электроники и электрохимии, кристаллографии и неорганической химии, материаловедения и энергетики. Она называется ионика твердого тела и получила широкое признание в последние 15-20 лет.
Ионная проводимость (её также называют электролитической) обнаруживается многими твёрдыми телами при повышенных температурах, т.е. имеет термоактивационный характер. Поэтому по мере увеличения температуры величина проводимости растёт, однако даже в окрестности точки плавления она редко превышает 10-3 Ом-1·см-1. Однако аномально высокая ионная проводимость твёрдых электролитов наблюдается при температурах, существенно более низких, чем температура плавления. Электропроводность «хороших» твёрдых электролитов составляет 10-1 Ом-1·см-1 (при комнатной температуре), что по порядку величины близко к проводимости расплавов и концентрированных растворов жидких электролитов.
На рис. 1 показана проводимость некоторых супериоников в сравнении с обычными ионными кристаллами и жидкими электролитами.
Рис. 1. Электропроводность наиболее интересных ионных проводников
в сравнении с жидкими электролитами, полупроводниками, металлами
и диэлектриками. Выделенный сектор представляет важную
с практической точки зрения область значений проводимости
Удельная электропроводность различных твёрдых электролитов в форме аррениусовской зависимости приведена на рис 2.
Большинство твёрдых электролитов — твёрдые растворы на основе ионных кристаллов. Круг веществ, которые можно отнести к твёрдым электролитам в достаточно широких интервалах температур, сравнительно ограничен [2]. Сюда относятся в основном ионные кристаллы – галогениды и отчасти оксиды металлов с преобладающим ионным характером связи, некоторые сложные композиции на их основе, а также кристаллические соли и стёкла, содержащие ионы щелочных металлов. Тем не менее, ионная проводимость в той или иной мере присуща всем твёрдым телам с достаточно высокой долей ионной связи [3]. Поскольку и диффузия, и ионная проводимость в ионных кристаллах сводятся к перемещению одних и тех же частиц - ионов, очевидно, что в основе обоих явлений должен лежать единый механизм.
Рис. 2. Ионная проводимость некоторых твёрдых электролитов.
Для сравнения показана также проводимость концентрированной серной
кислоты. Практически значимые твёрдые электролиты
должны лежать в правом верхнем углу рисунка
Поиски новых твёрдых электролитов продолжаются, начиная с 60-х годов электролитические свойства известных и вновь создаваемых материалов стали предметом интенсивных исследований.
Несмотря на ряд теорий, объясняющих существование высокой ионной проводимости, в настоящее время очень трудно сделать достоверные априорные предсказания величины проводимости в конкретном материале, даже с известной кристаллической структурой. Самое большее, на что можно рассчитывать, это сформулировать предпосылки проявления веществом высокой ионной проводимости:
Существенным условием является наличие набора энергетически эквивалентных позиций, частично занятых подвижными ионами и удовлетворяющих условию с(1-с)≠0, где с – доля занятых позиций. Чтобы предсказать структуру, необходимую для установления первых двух критериев, можно прибегнуть к кристаллографическим данным, но предсказать энергию активации не так легко.
Поиск твёрдых электролитов привёл к открытию некоторых соединений с каркасной структурой, имеющих высокую подвижность ионов. Одним из наиболее интересных и потенциально полезных соединений является Na3Zr2PSi2O12, названный его создателями NASICON. Натриевая проводимость насикона сравнима по уровню с проводимостью бета-глинозёма.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
Номер журнала Вестник науки №7 (64) том 2
Ссылка для цитирования:
Дунский М.М. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СУПЕРИОННЫХ ПРОВОДНИКАХ // Вестник науки №7 (64) том 2. С. 202 - 208. 2023 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/9480 (дата обращения: 17.05.2024 г.)
Вестник науки СМИ ЭЛ № ФС 77 - 84401 © 2023. 16+