Ionenleiter – Beispiele und Anwendungen

Worum geht es ?

Ionenleiter sind keine Laborkuriositäten oder Spielereien. Sie sind Gegenstand der aktuellen Forschung in wichtigen Anwendungsgebieten. Einige Ionenleiter und ihre Anwendung will ich hier vorstellen.

Es sind

Lithiumnitrid (Li3N)

Struktur

Ein Ausschnitt aus dem Lithiumnitrid–Kristall, von der Seite gesehen. Die Schichtstruktur ist gut zu sehen.

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Der Lithiumnitrid–Kristall ist einfach und übersichtlich aufgebaut. Es ist eine Schichtstruktur aus 2 Arten von Schichten.

Die eine Schicht besteht aus Lithium–Ionen, die hexagonal (in Form eines Sechsecks) angeordnet sind. Im Zentrum eines jeden Sechsecks befindet sich ein Stickstoff–Ion. Innerhalb dieser Schicht sind die Ionen also dicht gepackt. Jedes Lithium–Ion ist von 3 Stickstoff–Ionen umgeben, und jedes Stickstoff–Ion ist von 6 Lithium–Ionen umgeben. In der Schicht sind also doppelt so viele Lithium– wie Stickstoff–Ionen.

Lithiumnitrid (Li3N) hat eine Schichtstruktur. Eine Schicht ist nur mit wenigen Atomen nesetzt.

Die zweite Schicht enthält nur Lithium–Ionen. Jedes dieser Lithium–Ion befindet sich genau über einem Stickstoff–Ion der ersten Schicht. Über den Lithium–Ionen der ersten Schicht befindet sich nichts. Die zweite Schicht ist also nur sehr locker besetzt, mit nur einem Drittel soviel Ionen wie in der ersten Schicht.

Sehen Sie sich dieses Modell in einer Jmol–Visualisierung an.

Ein Ausschnitt aus dem Lithiumnitrid–Kristall, von der Seite gesehen. Die Schichtstruktur ist gut zu sehen.

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Ein Ausschnitt aus dem Lithiumnitrid–Kristall. Vom Platzangebot her gesehen, könnten Lithium–Ionen auf dem Boden aus blauen Stickstoff–Ionen und violetten Lithium–Ionen herumrollen, jedoch macht die elektrische Abstoßung einen Strich durch diese Rechnung.

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Leitfähigkeit von Lithiumnitrid – das Parkhausmodell

Hier ist also das Parkhausmodell realisiert, und man könnte denken, in der fast leeren Schicht können sich Ionen gut bewegen, so wie die Autos im Parkhaus, das nur von wenigen Pfeilern (=Li–Ionen) unterbrochen ist. Das ist aber nicht so.

Sehen Sie sich die beiden Bilder links an. Sie zeigen eine Schicht, die mit Lithium–Ionen und Stickstoff–Ionen dicht gepackt ist. Die Stickstoff–Ionen sind blau, und die Lithium–Ionen in dieser Schicht sind violett. Es sind ziemlich viele Lithium–Ionen. Darüber ist die zweite Schicht, die nur Lithium–Ionen enthält. Zur besseren Sichtbarkeit sind diese hier rotbraun.

Von den Platzverhältnissen her gesehen, könnten sich kugelförmige Teilchen hier leicht bewegen. Sie würden in der zweiten Schicht herumrollen, und hätten die untere Schicht als Boden. Die wenigen rotbraunen Lithium–Ionen wären leicht zu umfahren, wie die Pfeiler im Parkhaus.

Ungeladene Teilchen könnten sich wirklich so bewegen wie im vorigen Absatz beschrieben. Lithiumnitrid ist aber für Lithium–Ionen leitfähig, und die sind elektrisch positiv geladen. Und nun versuchen Sie mal, ein positives Teilchen über den Boden der unteren Schicht zu rollen. Überall sind andere positive Teilchen (nämlich die violetten Lithium–Ionen), die unser positives Teilchen abstoßen. Und zu allem Überfluss sind auch noch die rotbraunen Lithium–Ionen da, die es auch abstoßen. Da ist für ein Lithium–Ion kein Durchkommen.

Man könnte denken, in der fast leeren Schicht können sich Ionen leicht bewegen, und dies wäre die Ursache der Leitfähigkeit von Lithiumnitrid.

So schön es aussieht, es geht nicht. Die Ionenleitung wird nicht nach dem Parkhausmodell und auch nicht über Zwischengitterplätte (interstitials) realisiert, sondern anders.

Ein Ausschnitt aus dem Lithiumnitrid–Kristall. Vom Platzangebot her gesehen, könnten Lithium–Ionen auf dem Boden aus blauen Stickstoff–Ionen und violetten Lithium–Ionen herumrollen, jedoch macht die elektrische Abstoßung einen Strich durch diese Rechnung.

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Leitfähigkeit von Lithiumnitrid – wie sie wirklich funktioniert

„Man könnte denken” oder „Es passt so gut” sind natürlich keine wissenschaftlichen Argumente. So werden wir nie irgend etwas herausfinden. Man muss es untersuchen. Die deutschen Physiker H. Schulz und K. H. Thiemann (Literatur Lit–Li3N) haben diese Arbeit im Jahr 1979 für uns gemacht. Und was ist dabei herausgekommen ?

Die Ionenleitung im Lithiumnitrid findet über Fehlstellen (vacancies) statt.

In den Schichten, die aus Lithium–Ionen und Stickstoff–Ionen bestehen (die Fahrbahnen des Parkhauses) sind etwa 1 – 2 % der Lithium–Plätze nicht besetzt. Es liegen also Fehlstellen (vacancies) vor. Lithium–Ionen springen von einer besetzten Stelle zu einer unbesetzten. So funktioniert die Ionenleitung im Lithiumnitrid. Rufen Sie die Jmol–Visualisierung auf und dort den Punkt „Leitfähigkeit ansehen”, und betrachten Sie die, etwas schematisch dargestellte, Bewegung der Lithium–Ionen.

Anwendungen von Lithiumnitrid

Lithiumnitrid hat eine gutes Potential für Anwendungen als fester Elektrolyt bei Batterien und Akkus, denn es hat eine relativ hohe elektrische Leitfähigkeit und ist ungiftig. Außerdem kann es bis zu 11 % seiner Masse an Wasserstoff speichern, so dass ein Einsatz als Wasserstoffspeicher denkbar ist.

Jedoch gibt es für beide Aufgaben geeignetere Kandiddaten.

β–Aluminiumoxid (beta–Aluminiumoxid)

Hier kommen die Infos zu beta–Aluminiumoxid – demnächst.

gedoptes Zirkonoxid

Hier kommen die Infos zu gedoptem Zirkonoxid – demnächst.

Zum Weiterlesen

Umfangreiche, recht aktuelle Informationen zu Forschungsergebnissen über Ionenleiter, insbesondere α–Silberiodid, β–Bleifluorid und deren weitreichende Verwandtschaft, finden Sie in diesem Review–Artikel : Stephen Hull : Superionics : crystal structures and conduction processes, in : Reports on Progress in Physics, 67, (2004), S. 1233–1314.

 

 

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