Твёрдые электролиты

К:Википедия:Страницы на КУЛ (тип: не указан)

Твёрдые электроли́ты (суперионные проводники) — кристаллические вещества с ионной природой химической связи, имеющие высокую электрическую проводимость, обусловленную движением ионов одного типа.

У суперионных проводников электропроводность при комнатной температуре составляет величину порядка 10⁻¹ Ом⁻¹·см⁻¹, сравнимую с электропроводностью расплавов и концентрированных растворов жидких электролитов. Но, в отличие от металлов, проводимость которых осуществляется за счёт свободных электронов, и жидких электролитов, проводимость которых определяют как анионы, так и катионы, в твёрдых электролитах проводимость обусловлена перемещением ионов одного типа. Твёрдые электролиты сочетают свойства жидкостей (проводимость, характерную для жидкого расплава или раствора, ионную термоэдс) и твёрдых тел (механическую жёсткость кристаллов).

Возможность суперионной проводимости во многом зависит от структурных особенностей материала. Большинство твёрдых электролитов — твёрдые растворы на основе ионных кристаллов. В узлах кристаллической решётки ионных кристаллов находятся заряженные ионы, образующие две подрешётки — катионную и анионную, атомы в которых, совершая колебательные движения, перемещаться по кристаллу не могут. Кристаллы со статистическим (неупорядоченным) расположением ионов по узлам решётки обладают особенно высокой ионной проводимостью. Когда количество ионов оказывается меньше количества узлов, то есть имеются вакансии, многие узлы оказываются свободными, что облегчает вероятность перескока иона из одного узла в другой. К кристаллам такого типа относятся AgI, Ag₄RbI₅, Ag₂S, LiI и т. д. Например, в элементарной ячейке AgI на 42 позиции приходятся 2 иона Ag⁺, причём 12 тетраэдрических позиций являются предпочтительными. Таким образом подрешётка ионов проводимости разупорядочена, в то время как остальные ионы образуют жёсткий каркас, и их перенос возможен по обычным механизмам образования точечных дефектов (вакансий и междоузельных ионов). Ионная составляющая общей проводимости ТВЁРДЫХ ЭЛЕКТРОЛИТОВ, как правило, на 5-6 порядков больше электронной, то есть числа переноса (см. Электропроводность электролитов) ионов проводимости практически равны 1. Коэффиценты диффузии D этих ионов сравнимы с таковыми для концентрированных водных растворов и соответствуют величинам порядка 10⁻⁵ — 10⁻⁶ см²/с.

ЭЛЕКТРОЛИТЫ ТВЁРДЫЕ относят к супер-ионным проводникам и часто называют супериониками. Однако супер-ионик более общее понятие, относящееся к высокопроводящим соединениям как с ионной проводимостью, так и со смешанной ионно-электронной проводимостью. В электрохимический системах в отличие от ТВЁРДЫХ ЭЛЕКТРОЛИТОВ т.н суперионики со смешанной проводимостью выполняют роль электродов.

Если же в твёрдом электролите искусственно создать разупорядочение кристаллической решётки по одному из типов, например, в основное вещество ввести соединение, в котором анионов меньше, а катионов — столько же, в анионной подрешётке появляются вакансии, которые в отрицательно заряженной решётке можно рассматривать как положительные заряды.

Под действием внешнего напряжения в них начнут переходить анионы с достаточно большой энергией, а вакансии будут перемещаться в противоположном направлении. Возникнет электрический ток, обусловленный движением ионов только одного сорта. Но чтобы ионы могли перемещаться, энергетически близких кристаллографических позиций для размещения потенциально подвижных ионов в элементарной ячейке должно быть больше, чем самих ионов. Ионная проводимость зависит от концентрации вакансий. Но одновременно с ростом концентрации вакансий уменьшается подвижность ионов. В твёрдых растворах оксидов металлов разной валентности ток создаётся отрицательными ионами (анионами) кислорода. Твёрдые электролиты на основе оксидных металлов относятся к высокотемпературным электролитам. При комнатной температуре твёрдые электролиты на основе оксидных металлов проявляют свойства обычного изолятора. При нагреве подвижность анионов увеличивается очень быстро. Основная рабочая температура твёрдых электролитов на основе оксидных металлов находится в пределах между 700 и 1000°С.

Кроме твёрдых электролитов на основе ионных соединений существуют твёрдые полимерные электролиты — полимеры, в состав молекул которых входят функциональные группы, способные к диссоциации с образованием катионов или анионов, направленное движение которых внутри структуры полимера обусловливает его ионную проводимость.

ЭЛЕКТРОЛИТЫ ТВЁРДЫЕ подразделяются на электролиты с собственным структурным разупорядочением в одной из подрешёток и с примесным. К первым относятся вещества, структура которых либо уже имеет пути проводимости для ионов определённого типа, как, например, Na- -глинозем (полиалюминат натрия Na_1+xAl₁₁O₁₇), либо приобретает их вследствие фазового перехода, как, например, AgI (β-α-переход при 420 К). Пути проводимости могут иметь вид каналов [например, в (C₅H₅NH)Ag₅I₆], щелей (например, в Na-β-глиноземе) или трехмерных сеток (например, в α-Agl).

К ТВЁРДЫМ ЭЛЕКТРОЛИТАМ с примесным разупорядочением относятся твёрдые растворы замещения, образующиеся в ионных кристаллах при легировании их ионами с валентностью, отличной от валентности основного иона. Возникающий при этом дефицит (или избыток) заряда компенсируется образованием дефектов противоположного знака. Так, в оксидах Zr, Hf, Се и Th, легированных оксидами двух- и трехвалентных металлов (Са, Y, Sc и др.), компенсация заряда примеси осуществляется кислородными вакансиями. Фторид кальция CaF₂ и изоморфный ему SrF₂ образуют с фторидами трехвалентных РЗЭ твёрдые растворы замещения, обладающие высокой подвижностью ионов F^-. Последние легко обмениваются на ионы О^2-.

Характерное свойство ТВЁРДЫХ ЭЛЕКТРОЛИТОВ — способность к замещению одних ионов проводимости на другие. Например, при выдерживании Na-β-глинозема в расплаве AgNO₃ ионы Na⁺ может быть полностью замещены ионами Ag⁺. Если же Ag-β-глинозем поместить в раствор кислоты, то можно получить глинозем с высокой проводимостью по протонам — ионам Н⁺.

Отрывок, характеризующий Твёрдые электролиты

– Так, так, – закричал граф, и весело схватив сына за обе руки, закричал: – Так вот же что, попался ты мне! Возьми ты сейчас сани парные и ступай ты к Безухову, и скажи, что граф, мол, Илья Андреич прислали просить у вас земляники и ананасов свежих. Больше ни у кого не достанешь. Самого то нет, так ты зайди, княжнам скажи, и оттуда, вот что, поезжай ты на Разгуляй – Ипатка кучер знает – найди ты там Ильюшку цыгана, вот что у графа Орлова тогда плясал, помнишь, в белом казакине, и притащи ты его сюда, ко мне.
– И с цыганками его сюда привести? – спросил Николай смеясь. – Ну, ну!…
В это время неслышными шагами, с деловым, озабоченным и вместе христиански кротким видом, никогда не покидавшим ее, вошла в комнату Анна Михайловна. Несмотря на то, что каждый день Анна Михайловна заставала графа в халате, всякий раз он конфузился при ней и просил извинения за свой костюм.
– Ничего, граф, голубчик, – сказала она, кротко закрывая глаза. – А к Безухому я съезжу, – сказала она. – Пьер приехал, и теперь мы всё достанем, граф, из его оранжерей. Мне и нужно было видеть его. Он мне прислал письмо от Бориса. Слава Богу, Боря теперь при штабе.
Граф обрадовался, что Анна Михайловна брала одну часть его поручений, и велел ей заложить маленькую карету.
– Вы Безухову скажите, чтоб он приезжал. Я его запишу. Что он с женой? – спросил он.
Анна Михайловна завела глаза, и на лице ее выразилась глубокая скорбь…
– Ах, мой друг, он очень несчастлив, – сказала она. – Ежели правда, что мы слышали, это ужасно. И думали ли мы, когда так радовались его счастию! И такая высокая, небесная душа, этот молодой Безухов! Да, я от души жалею его и постараюсь дать ему утешение, которое от меня будет зависеть.
– Да что ж такое? – спросили оба Ростова, старший и младший.
Анна Михайловна глубоко вздохнула: – Долохов, Марьи Ивановны сын, – сказала она таинственным шопотом, – говорят, совсем компрометировал ее. Он его вывел, пригласил к себе в дом в Петербурге, и вот… Она сюда приехала, и этот сорви голова за ней, – сказала Анна Михайловна, желая выразить свое сочувствие Пьеру, но в невольных интонациях и полуулыбкою выказывая сочувствие сорви голове, как она назвала Долохова. – Говорят, сам Пьер совсем убит своим горем.
– Ну, всё таки скажите ему, чтоб он приезжал в клуб, – всё рассеется. Пир горой будет.
На другой день, 3 го марта, во 2 м часу по полудни, 250 человек членов Английского клуба и 50 человек гостей ожидали к обеду дорогого гостя и героя Австрийского похода, князя Багратиона. В первое время по получении известия об Аустерлицком сражении Москва пришла в недоумение. В то время русские так привыкли к победам, что, получив известие о поражении, одни просто не верили, другие искали объяснений такому странному событию в каких нибудь необыкновенных причинах. В Английском клубе, где собиралось всё, что было знатного, имеющего верные сведения и вес, в декабре месяце, когда стали приходить известия, ничего не говорили про войну и про последнее сражение, как будто все сговорились молчать о нем. Люди, дававшие направление разговорам, как то: граф Ростопчин, князь Юрий Владимирович Долгорукий, Валуев, гр. Марков, кн. Вяземский, не показывались в клубе, а собирались по домам, в своих интимных кружках, и москвичи, говорившие с чужих голосов (к которым принадлежал и Илья Андреич Ростов), оставались на короткое время без определенного суждения о деле войны и без руководителей. Москвичи чувствовали, что что то нехорошо и что обсуждать эти дурные вести трудно, и потому лучше молчать. Но через несколько времени, как присяжные выходят из совещательной комнаты, появились и тузы, дававшие мнение в клубе, и всё заговорило ясно и определенно. Были найдены причины тому неимоверному, неслыханному и невозможному событию, что русские были побиты, и все стало ясно, и во всех углах Москвы заговорили одно и то же. Причины эти были: измена австрийцев, дурное продовольствие войска, измена поляка Пшебышевского и француза Ланжерона, неспособность Кутузова, и (потихоньку говорили) молодость и неопытность государя, вверившегося дурным и ничтожным людям. Но войска, русские войска, говорили все, были необыкновенны и делали чудеса храбрости. Солдаты, офицеры, генералы – были герои. Но героем из героев был князь Багратион, прославившийся своим Шенграбенским делом и отступлением от Аустерлица, где он один провел свою колонну нерасстроенною и целый день отбивал вдвое сильнейшего неприятеля. Тому, что Багратион выбран был героем в Москве, содействовало и то, что он не имел связей в Москве, и был чужой. В лице его отдавалась должная честь боевому, простому, без связей и интриг, русскому солдату, еще связанному воспоминаниями Итальянского похода с именем Суворова. Кроме того в воздаянии ему таких почестей лучше всего показывалось нерасположение и неодобрение Кутузову.
– Ежели бы не было Багратиона, il faudrait l'inventer, [надо бы изобрести его.] – сказал шутник Шиншин, пародируя слова Вольтера. Про Кутузова никто не говорил, и некоторые шопотом бранили его, называя придворною вертушкой и старым сатиром. По всей Москве повторялись слова князя Долгорукова: «лепя, лепя и облепишься», утешавшегося в нашем поражении воспоминанием прежних побед, и повторялись слова Ростопчина про то, что французских солдат надо возбуждать к сражениям высокопарными фразами, что с Немцами надо логически рассуждать, убеждая их, что опаснее бежать, чем итти вперед; но что русских солдат надо только удерживать и просить: потише! Со всex сторон слышны были новые и новые рассказы об отдельных примерах мужества, оказанных нашими солдатами и офицерами при Аустерлице. Тот спас знамя, тот убил 5 ть французов, тот один заряжал 5 ть пушек. Говорили и про Берга, кто его не знал, что он, раненый в правую руку, взял шпагу в левую и пошел вперед. Про Болконского ничего не говорили, и только близко знавшие его жалели, что он рано умер, оставив беременную жену и чудака отца.


3 го марта во всех комнатах Английского клуба стоял стон разговаривающих голосов и, как пчелы на весеннем пролете, сновали взад и вперед, сидели, стояли, сходились и расходились, в мундирах, фраках и еще кое кто в пудре и кафтанах, члены и гости клуба. Пудренные, в чулках и башмаках ливрейные лакеи стояли у каждой двери и напряженно старались уловить каждое движение гостей и членов клуба, чтобы предложить свои услуги. Большинство присутствовавших были старые, почтенные люди с широкими, самоуверенными лицами, толстыми пальцами, твердыми движениями и голосами. Этого рода гости и члены сидели по известным, привычным местам и сходились в известных, привычных кружках. Малая часть присутствовавших состояла из случайных гостей – преимущественно молодежи, в числе которой были Денисов, Ростов и Долохов, который был опять семеновским офицером. На лицах молодежи, особенно военной, было выражение того чувства презрительной почтительности к старикам, которое как будто говорит старому поколению: уважать и почитать вас мы готовы, но помните, что всё таки за нами будущность.