ionenleitende

Ionenleitende Stoffe sind Materialien, in denen elektrischer Strom überwiegend durch die Bewegung von Ionen transportiert wird. Elektronen tragen dabei eine geringe Rolle. Die Ionenleitfähigkeit σ ion wird in Siemens pro Zentimeter (S/cm) angegeben und hängt stark von Temperatur, Struktur und Defekten ab.

Der Ionentransport unterscheidet sich je nach Phase. In flüssigen Elektrolyten oder Schmelzen erfolgt er durch Diffusion und Drift geladener Ionen. In Feststoffen geschieht er meist durch Sprünge von Ionen in Gitterlücken (Vakanzen) oder durch Bewegung in amorphen Bereichen. Mechanismen wie Sprünge, Interstitialdiffusion oder Gang- bzw. Korngrenzen beeinflussen die Leitfähigkeit. Die Temperaturabhängigkeit folgt dem Arrhenius-Gesetz; Aktivierungsenergien liegen typischerweise im Bereich von wenigen 0,2–1,0 eV, je nach System.

Zu den ionenleitenden Stoffen zählen flüssige Elektrolyte (z. B. wässrige Lösungen oder geschmolzene Salze), Polymerelektrolyte (etwa PEO-basierte Systeme mit Salzen), Festkörperelektrolyte (inorganische Oxide wie NASICON- oder Garnet-Typen sowie sulfide Systeme) und ionenleitende Flüssigkeiten (room-temperature ionic liquids). Hohe Leitfähigkeiten bei moderaten Temperaturen sowie gute chemische Stabilität gegenüber Elektroden sind zentrale Zielgrößen.

Anwendungen finden sich vor allem in elektrochemischen Energiespeichern (Lithium-, Natrium- oder Magnesiumsysteme), Elektrolyseprozessen, Brennstoffzellen, Sensoren und Prozessen der Wasseraufbereitung. Herausforderungen umfassen interfaciale Widerstände, mechanische Stabilität, dendritische Ablagerungen und begrenzte Stabilität gegenüber Elektroden.

Die ionische Leitfähigkeit wird typischerweise durch Impedanzspektroskopie gemessen. Typische Werte liegen bei Raumtemperatur zwischen 10^-2 und 10^-6 S/cm; höhere Werte sind bei erhöhten Temperaturen erreichbar.