ionenleitung

Die Ionenleitung bezeichnet den Transport von geladenen Ionen durch ein Medium, das als Elektrolyt wirkt. Sie kommt in flüssigen Elektrolyten, Schmelzelektrolyten, Polymer-Elektrolyten sowie in Festkörperelektrolyten vor und liefert den wichtigsten Beitrag zur elektrischen Leitfähigkeit in vielen elektrochemischen Systemen. Im Gegensatz zur Elektronenleitung erfolgt der Ladungstransport primär durch die Bewegung der Ionen. Elektrische Gleichstromströme entstehen dadurch, dass Kationen und Anionen unter einem angelegten Feld in entgegengesetzte Richtungen wandern.

Die Mechanismen der Ionenleitung umfassen Drift unter dem elektrischen Feld und Diffusion aufgrund von Konzentrationsunterschieden. Die Leitfähigkeit hängt von Temperatur, Ionentyp, Defektstruktur und dem Lösungsmittel ab. In vielen Systemen bestimmen Vakanzen und Defekte die Migrationspfade; Protonenleiter in Wasser- oder Wasserstoffbrücken-Netzen können auch durch den Grotthuss-Mechanismus hopsender Protonen befördert werden. In Festkörperelektrolyten erfolgt der Transport oft über Defektvorgänge (Vakanzen oder Interstitialmechanismen) entlang Perkolationspfaden; dies führt zu einer Arrhenius-abhängigen Leitfähigkeit mit Aktivierungsenergien typischerweise im Bereich von einigen 0,1 bis 1 eV.

Die quantitative Größe der Ionenleitung wird durch die Ionenleitfähigkeit σ beschrieben und in Siemens pro Zentimeter (S/cm) angegeben. Sie lässt sich mittels Impedanzspektroskopie bestimmen. Die Temperaturabhängigkeit folgt oft einer Arrhenius-Beziehung: σ = σ0 exp(-Ea/kT), wobei Ea die Aktivierungsenergie ist.

Anwendungen liegen in elektrochemischen Energiesystemen wie Li-Ionen- und Festkörperbatterien, Brennstoffzellensystemen und Sensoren. Typische feste Elektrolyte sind Lithiumleitende Materialien (z. B. LLZO, LLTO), Oxid-Ionenleiter wie Zirkoniumoxid-basierte Systeme (YSZ) oder Protonenleiter wie Nafion. In polymerbasierten Elektrolyten und ionischen Flüssigkeiten spielen flexible Trägersysteme eine wichtige Rolle. Forschungsziel ist oft die Erhöhung der Leitfähigkeit bei niedrigen Temperaturen sowie die Verbesserung chemischer Stabilität und Sicherheit.