이온 전도도

이온 전도도(iIonic conductivity, λ로 표기)는 고체 물질을 통한 이온의 움직임으로, 고체 이온 공학의 핵심 현상이다. λ로 표기하며 미터당 지멘스 (S/m) 단위로 측정된다. 무기 화합물의 완벽한 결정은 일반적으로 전기 절연체이지만, 이온 전도는 열 활성화를 통한 본질적인 결함이나 다른 원자가 불순물로 도핑을 통해 결함이 도입될 때 발생한다. 이러한 결함은 결정 격자를 통해 통로를 제공함으로써 이온 이동을 가능하게 한다. 고체 전해질로 알려진 고체 이온 전도체는 전고체 전지, 슈퍼커패시터, 연료전지, 박막 마이크로일렉트로닉스 장치와 같은 기술에서 중요한 구성 요소이다. 이온 전도도(σ)는 결정 구조와 결함 화학에 의해 영향을 받는 활성화 에너지 장벽에 따라 아레니우스형 관계를 가진다. 이온 전도는 전류의 한 메커니즘이다.^[1]

정전기장 내의 양성자 전도체.

결정 고체 내에서

대부분의 고체에서 이온은 주변 원자나 이온에 강하게 둘러싸여 고정된 위치를 단단히 차지한다. 일부 고체에서는 선택된 이온이 고도로 이동하여 이온 전도를 가능하게 한다. 이동성은 온도에 따라 증가한다. 이러한 특성을 나타내는 물질은 전지에 사용된다. 잘 알려진 이온 전도성 고체는 β-알루미나("BASE")로, 산화 알루미늄의 한 형태로 Na⁺와 같은 이온이 뛰어넘을 수 있는 채널을 가지고 있다. 이 세라믹이 이동성 이온과 복합체를 형성하면 소위 고속 이온 전도체로 작용한다. BASE는 여러 유형의 용융염 화학 전지에서 막으로 사용된다.^[2]

역사

고체 내 이온 전도는 19세기 초부터 관심의 대상이었다. 마이클 패러데이는 1839년에 전기 분해의 법칙이 플루오린화 납(II) (PbF
2) 및 황화은 (Ag
2S)과 같은 이온 고체에서도 적용된다는 것을 확립했다. 1921년, 고체 아이오딘화 은 (AgI)은 147 °C 이상의 온도에서 비정상적으로 높은 이온 전도도를 가지는 것으로 밝혀졌다. AgI는 이온 전도도가 ~ 1 –1 cm⁻¹인 상으로 변한다. 이 AgI의 고온 상은 초이온 전도체의 예이다. 이 고체의 무질서한 구조는 Ag⁺ 이온이 쉽게 움직일 수 있도록 한다. 이온 전도도의 현재 기록 보유자는 관련 물질인 Ag
2[HgI
4]이다.^[3] β-알루미나는 나트륨-황 전지를 개발하는 동안 전기차량용 저장 장치를 찾는 과정에서 포드 모터 컴퍼니에서 개발되었다.^[2]

같이 보기

• 격자에너지
• 고속 이온 전도체
• NASICON