Ionenleiter

Ionenleiter sind Materialien, in denen sich Ionen unter einem elektrischen Feld relativ frei bewegen, während Elektronen weitgehend unbeeinflusst bleiben. Im Gegensatz zu Elektronleitern tragen bei Ionenleitern vor allem Ionen den Transport. Ionenleiter kommen als Feststoffe, Schmelzen oder Polymere vor und sind zentral in elektrochemischen Anwendungen wie Batteriesystemen, Brennstoffzellen und Sensoren.

Zu Festkörper-Ionenleitern gehören keramische Leiter wie Zirkonoxidphasen (YSZ), Lithium-Garnet-Typen (LLZO), NASICON-Typen und β-Aluminate. Polymerische Ionenleiter umfassen Polyether-basierte Elektrolyte wie PEO mit Lithiumsalzen oder sulfonierte Polymere. Mischsysteme kombinieren keramische und polymerische Anteile. Sie unterscheiden sich in der transportierten Ionart (Li+, Na+, O2-) und in Temperatur- sowie chemischer Stabilität.

Der Transport erfolgt durch Defekte im Gitter, meist Vakanz- oder Interstitialdiffusion. Die Leitfähigkeit steigt mit der Temperatur und wird durch die Aktivierungsenergie des Diffusionsprozesses bestimmt. Elektronische Leitfähigkeit ist meist gering, sodass Ionenleiter allgemein gute Isolatoren gegenüber Elektronen sind.

Die Leitfähigkeit wird mit Impedanzspektroskopie gemessen und in S/cm angegeben. Typische Festkörper-Ionenleiter liegen je nach Material und Temperatur grob im Bereich 10^-6 bis 10^-3 S/cm.

Anwendungsfelder sind Festkörperbatterien (Li- oder Na-Batterien), Brennstoffzellen, elektrochemische Elektrolyseure, Membranen für Gas- oder Ionenabtrennung und Sensoren. Beispiele: YSZ als Sauerstoffionenleiter; LLZO als Lithium-Ionenleiter; NASICON-Typen.