Ionenleitfähigkeit

Ionenleitfähigkeit bezeichnet die Fähigkeit eines Mediums, elektrischen Strom durch Bewegung von Ionen zu leiten. Sie ist abhängig von der Konzentration und der Mobilität der Ionen und wird in Siemens pro Meter (S/m) oder S/cm angegeben. In Elektrolyten sind es gelöste Ionen (z. B. Na+, Cl−); in Feststoffen kommen mobile Ionen (z. B. Li+, O2−) durch Defekte oder Leerstellen hindurch.

Ionenleitfähigkeit entsteht durch Migration der Ionen unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes. In Lösungen hängt sie von Ionenkonzentration, Temperatur und Wechselwirkungen mit dem Lösungsmittel ab; in Feststoffen von der Struktur des Festkörpers, dem Ladungsträger und der Defektedichte. Die Beziehung sigma = sum_i c_i z_i^2 e^2 mu_i veranschaulicht, dass Ladung, Konzentration und Mobilität der Ionen eine Rolle spielen. Die Nernst-Einstein-Beziehung verbindet die Diffusionskoeffizienten D_i mit den Mobilitäten.

Die Temperaturabhängigkeit folgt häufig dem Arrhenius-Gesetz: sigma = sigma0 exp(-Ea/kT). Damit steigt die Ionenleitfähigkeit bei höheren Temperaturen, während Aktivierungsenergie Ea die Leckleistung bestimmt. Die Messung erfolgt typischerweise durch Impedanzspektroskopie, die Unterschiede zwischen Bulk-, Grenzflächen- und Interfacialbeiträgen trennt. In praktischen Medien reichen die Werte von wenigen mS/cm in festen Elektrolyten bis zu mehreren S/m in wässrigen Lösungen.

Anwendungsgebiete liegen in Energiespeichern (Batterien, Brennstoffzellen, Superkondensatoren), elektrochemischer Abscheidung, Wasseraufbereitung durch Membranen und Sensorik. Materialien reichen von wässrigen Elektrolyten und geschmolzenen Salzen über Polymer-Elektrolyte bis zu festen Festelektrolyten wie keramischen Li-Ion-Konduktoren (z. B. LLZO).

Unterschieden wird die Ionenleitfähigkeit von der elektronischen Leitfähigkeit, die durch Elektronen oder Löcher getragen wird.