Festkörperionik

Die Festkörperionik (englisch solid state ionics) ist ein wissenschaftliches und technisches Fachgebiet, das aus Teilgebieten der Festkörperphysik und der Elektrochemie besteht.

Die Festkörperionik behandelt Feststoffe, die elektrisch leitend sind und bei denen diese Leitfähigkeit vor allem auf der Beweglichkeit von Ionen im Feststoff beruht. Diese festen Ionenleiter nennt man auch Festelektrolyte; daher kann die Festkörperionik auch als die Wissenschaft von den Festelektrolyten bezeichnet werden. Die Festkörperionik hat wichtige Anwendungen, beispielsweise in der Sensorik und bei Hochtemperatur-Brennstoffzellen (Festoxidbrennstoffzelle); diese Anwendungen werden unter Anwendungsbeispiele weiter ausgeführt.

Grundlagen

Die elektrische Leitfähigkeit kommt dadurch zustande, dass zumeist eine Ionensorte im Festkörper beweglich ist. Die Ionen hüpfen von einem freien Gitterplatz zum nächsten, wobei für den Sprung eine Aktivierungsenergie E_a überwunden werden muss. Dann gibt das einfache Modell für die Leitfähigkeit σ eine der Arrheniusgleichung entsprechende Abhängigkeit, d. h.

${\displaystyle {\sigma =\sigma _{0}\cdot \mathrm {e} ^{-{\frac {E_{\mathrm {A} }}{R\cdot T}}}}}$

mit

• ${\displaystyle \sigma }$ elektrische Leitfähigkeit (SI-Einheit: S·m⁻¹ = Ω⁻¹·m⁻¹)
• ${\displaystyle \sigma _{0}}$ Grenzleitfähigkeit für hohe Temperaturen (${\displaystyle T\to +\infty }$)
• ${\displaystyle E_{\mathrm {A} }}$ Aktivierungsenergie (J·mol⁻¹)
• ${\displaystyle R}$ universelle Gaskonstante (8,314 J·K⁻¹·mol⁻¹)
• ${\displaystyle T}$ absolute (thermodynamische) Temperatur (Einheit: K).

Für experimentell ermittelter Leitfähigkeiten σ werden oft die Logarithmen ln σ gegen den Kehrwert der Temperatur (1/T) aufgetragen. Zumeist wird die angegebene Gleichung in guter Näherung erfüllt und es ergeben sich Geraden, die mit einer Steigung −E_a/R abfallen.

Historisches

Bereits 1854 hatte Heinrich Buff festgestellt, dass der Widerstand von Glas mit steigender Temperatur abnimmt.^[1] Im Gegensatz zum üblichen Verhalten bei Metallen, deren Leitfähigkeit mit steigender Temperatur sinkt, nimmt sie demgemäß bei Festelektrolyten mit steigender Temperatur zu. 1884 zeigte Emil Warburg, dass bei der Stromleitung eine Elektrolyse des Glases stattfindet, die zu einer schlecht leitenden natriumarmen Kieselsäureschicht an der Anode führt.^[2] Die Bildung dieser Schicht kann verhindert werden, wenn an der Anodenseite Natriumamalgam verwendet wird.^[2] Er schloss daraus, dass die Anionen des Glases stehenbleiben und dass allein das Kation, d. h. das Natriumion, durch das Glas hindurchwandert.^[2] Walther Nernst patentierte 1897 eine erste technische Anwendung fester Elektrolyte, die Nernstlampe. Die AEG kaufte das Patent und erleuchtete 1900 bei der Weltausstellung in Paris einen Pavillon mit 800 Nernstlampen. 1960 prägte der Japaner Takehiko Takahashi den Begriff „solid state ionics“, und der anschließende Aufschwung in der Festkörperionik trug dazu bei, sie als Fachgebiet zu etablieren. Seit 1980 hat es mit der Zeitschrift „Solid State Ionics“ ein eigenes regelmäßig erscheinendes Mitteilungsorgan.

Forschung zur Festkörperionik

An vielen Universitäten wird zur Festkörperionik geforscht, in Deutschland z. B. in Gießen^[3], Kiel^[4] und Marburg^[5], in Österreich z. B. in Wien^[6]. Außereuropäische Forschung zur Festkörperionik findet z. B. in Pasadena^[7] oder Sendai^[8] statt.

Einzelnachweise

1. Heinrich Buff: Ueber die electrische Leitfähigkeit des erhitzten Glases. In: Friedrich Wöhler, Justus Liebig, Hermann Kopp (Hrsg.): Justus Liebigs Annalen der Chemie und Pharmacie. 90 (Neue Reihe Band 14), Nr. 3. C. F. Winter, Heidelberg 1854, S. 257–283, doi:10.1002/jlac.18540900302 (online auf den Seiten von archive.org – the Internet Archive [abgerufen am 10. April 2015]). 
2. Emil Warburg: Ueber die Electrolyse des festen Glases. Aus den Berichten über die Verhandl. der naturforsch. Gesellsch. zu Freiburg i. Br. Bd. 8 p. 2, mitgetheilt vom Hrn. Verf. In: Gustav Wiedemann (Hrsg.): Annalen der Physik und Chemie. 257 (Neue Folge Band 21), Nr. 4. Johann Ambrosius Barth, Leipzig 1884, S. 622–646, doi:10.1002/andp.18832570406 (Online [PDF; abgerufen am 29. März 2015] online auf den Seiten von archive.org). 
3. TransMIT-Zentrum für Festkörperionik und Elektrochemie. TransMIT GmbH, 2015, abgerufen am 7. April 2015 (Prof. Dr. Jürgen Janek, Physikalisch-Chemisches Institut, Justus-Liebig-Universität Gießen). 
4. Jingping Hu: Lehrstuhl für Sensorik und Festkörper-Ionik. Technische Fakultät der Christian-Albrechts-Universität, 2004, abgerufen am 7. April 2015 (Prof. Werner Weppner, Lehrstuhl für Sensorik und Festkörper-Ionik, Technische Fakultät, Christian-Albrechts-Universität, Kiel; inzwischen im Ruhestand). 
5. Wangy: Willkommen in der Arbeitsgruppe Roling. Fachbereich Chemie, Philipps-Universität Marburg, 17. Oktober 2014, abgerufen am 7. April 2015 (Prof. Bernhard Roling, Fachbereich Chemie, Physikalische Chemie, Philipps-Universität Marburg). 
6. Daniela Hallegger: Jürgen Fleig – Professor für Technische Elektrochemie mit Schwerpunkt Festkörperionik. Technische Universität Wien, 13. Dezember 2007, abgerufen am 7. April 2015 (Prof. Jürgen Fleig, Technische Universität Wien). 
7. Solid State Ionics and Electroceramics Research Group. California Institute of Technology, archiviert vom Original (nicht mehr online verfügbar) am 13. April 2015; abgerufen am 7. April 2015 (Prof. Sossina M. Haile, Solid State Ionics and Electroceramics Research Group, California Institute of Technology). 
8. Solid State Ion Physics Group. Institute of Multidisciplinary Research for Advanced Materials (IMRAM), Tohoku University, abgerufen am 7. April 2015 (Prof. Junichi Kawamura, Solid State Ion Physics Group, Tohoku University, Sendai, Japan).