Festelektrolyt

Definition und Bedeutung

Ein Festelektrolyt, auch Festkörperelektrolyt, Feststoffelektrolyt oder fester Ionenleiter genannt, ist ein Feststoff, in dem mindestens eine Ionensorte so beweglich ist, dass ein von diesen Ionen getragener elektrischer Strom fließen kann. Anders als Metalle besitzen Festelektrolyte keine oder nur eine geringe elektronische Leitfähigkeit: Der Ladungstransport erfolgt hauptsächlich durch Ionen und nicht durch Elektronen.

Festelektrolyte sind zentrale Bestandteile von Hochtemperatur-Brennstoffzellen, Festkörperakkumulatoren und -batterien sowie bestimmten Sensoren. Ein besonders wichtiges Beispiel ist die Lambdasonde in Kraftfahrzeugen. Das wissenschaftliche Gebiet, das Festelektrolyte und ihre Leitfähigkeit untersucht, heißt Festkörperionik.

Ionenleitfähigkeit

In den meisten Ionenkristallen können sich einzelne Ionen bewegen. Deshalb besitzen sie zumindest eine geringe Ionenleitfähigkeit. Gewöhnlich spricht man jedoch erst von einem Festelektrolyten oder festen Ionenleiter, wenn die elektrische Leitfähigkeit σ mindestens im Bereich 10^{−10} ≤ σ ≤ 10^{−4} S/cm liegt.

Festelektrolyte mit besonders hoher Leitfähigkeit heißen schnelle Ionenleiter oder Superionenleiter. Ihre Leitfähigkeit kann beispielsweise im Bereich 10^{−4} ≤ σ ≤ 10^{−1} S/cm liegen. Die meisten bekannten Superionenleiter besitzen ein Kristallgitter aus großen Anionen, in dem sich relativ kleine Kationen wie Ag^{+}, Cu^{+} oder Li^{+} besonders gut bewegen können.

Die Abgrenzung ist nicht einheitlich: Manche Autoren nennen alle Stoffe Superionenleiter, die weit unterhalb ihres Schmelzpunktes eine Ionenleitfähigkeit von mehr als 0,1 S/cm zeigen. Andere verwenden die Bezeichnung für Stoffe, deren Leitfähigkeit bei Raumtemperatur oder in deren Nähe ungefähr 0,01 S/cm beträgt.

Arten und wichtige Materialien

Festelektrolyte können nach dem beweglichen Ion eingeteilt werden. Anionenleiter transportieren negativ geladene Ionen, beispielsweise Oxid- oder Fluoridionen. Kationenleiter transportieren positiv geladene Ionen, etwa Protonen sowie Silber-, Lithium- oder Natriumionen. Zusätzlich unterscheidet man organische Festelektrolyte, die meist auf Polymeren beruhen, und anorganische Festelektrolyte, die kristallin oder amorph sein können.

Ein besonders wichtiger Oxidionenleiter ist mit Yttrium stabilisiertes Zirkoniumdioxid. Es wird in Lambdasonden und bei Temperaturen von 650–1000 °C in Festoxidbrennstoffzellen verwendet. Der wichtigste Fluoridionenleiter besteht aus dotiertem Lanthanfluorid; eine Dotierung ist dabei die gezielte Veränderung eines Materials durch zugesetzte Fremdstoffe. Als Natriumionenleiter dient Natrium-β-aluminat.

Sonderfall Elektrolytkondensatoren

Herkömmliche, bereits seit 1896 bekannte Elektrolytkondensatoren enthalten einen flüssigen Elektrolyten. Das gilt auch für sogenannte trockene Aluminium-Elektrolytkondensatoren: Bei ihnen ist Papier mit flüssigem Elektrolyten getränkt, damit dieser weniger leicht auslaufen kann.

Der flüssige Ionenleiter kann durch einen elektronenleitenden Feststoff ersetzt werden, beispielsweise durch ein leitendes Polymer. Dieser Feststoff wird bei Kondensatoren ebenfalls „fester Elektrolyt“ genannt. Die Bezeichnung weicht jedoch von der üblichen Definition ab, weil hier Elektronen und nicht Ionen die Ladung transportieren. Verwendet werden vor allem die organischen Polymere Poly-3,4-ethylendioxythiophen (PEDOT) und Polypyrrol (PPy) sowie das anorganische, halbleitende Oxid Mangandioxid MnO_{2}.

Anwendungen

Bei vielen ionenselektiven Elektroden bildet ein Festelektrolyt die ionenselektive Membran, also den Teil, der bevorzugt auf eine bestimmte Ionensorte reagiert. Bei der fluoridselektiven Elektrode besteht diese für Fluoridionen empfindliche Membran gewöhnlich aus einem Lanthanfluorid-Einkristall, der Fluoridionen leitet.

Festelektrolyte dienen außerdem als Membranen in vielen Brennstoffzellen und in Gassensoren, beispielsweise CO_{2}-Sensoren. Sie werden auch in galvanischen Zellen und Batterien eingesetzt, darunter Dünnfilmbatterien, Natrium-Schwefel-Akkumulatoren und die Zebra-Batterie. Ein wichtiges Beispiel ist die seit 1972 eingesetzte Lithium-Iod-Batterie mit Lithiumiodid-Festelektrolyt, die in den meisten Herzschrittmachern verwendet wird.

Weitere Einsatzgebiete sind Festelektrolyt-Zellen für thermodynamische Messungen sowie Heizelemente und Lichtquellen in oxidierenden Gasen einschließlich Luft. Ein Beispiel für eine solche Lichtquelle ist die Nernstlampe.