Finding a path through a crystal. Theoretical modelling of ionic conductivity.

Abstract

Ionic conductors have seen increased use over time. These are found in ion detectors,
gas detectors and supercapacitors but finds special use in fuel cells and solar cells.
Some ionic conductors are not only used as a conductor, but finds uses as insulators,
ceramic blades or even as a diamond simulant. Most other works no ionic conductors
concentrate on the general or macroscopic properties. Here the mechanism of the
ionic conduction is studied in microscopic detail.
A theoretical model has been chosen to simulate the conductivity in a crystal lattice
using a quantum chemical software to calculate the energies. A few structures were
chosen for study, CaF2 a known non-ionic conductor, LaF3 and ZrO2 both known
ionic conductors. The model may not simulate the ionic conduction perfectly but
initial results are promising as relatively good agreement between experimental
results and simulations can be observed, especially in the simulation with zirconia. A
clear difference was seen between a non-conductor and a conductor and between
systems with and without defects. The ions most likely move one at a time.
Doing studies on more detailed and modified paths as well as introducing dopants
may yield further results.

Abstract (Swedish)

Populärvetenskaplig sammanfattning
Jonledning i Bränsleceller
Jonkonduktivitet, eller jonledning, är viktigt i bl.a. bränsleceller. Bränsleceller använder sig av ett oxidationsmedel (oftast syrgas) och bränsle precis som andra förbränningskällor. Till skillnad från motorer som förbränner högenergetiskt bränsle med låg effektivitet och vanliga batterier som använder metaller med låg effektivitet kan bränsleceller använda högenergetiskt bränsle med högre effektivitet. Beroende på bränsletypen kan olika typer av bränsleceller användas.
De vanligaste och mest populära är sådana som använder vätgas. Jonledningen sker i ett membran som befinner sig mellan bränslet och oxidationsmedlet. En
atom avger eller tar upp en elektron som går runt i en elektrisk krets och den jon som bildats passerar genom membranet.
Jonledning är en egenskap som inte har studerats i detalj. De vanligaste studierna omfattar makroskopiska egenskaper för jonledningsförmåga i ett material, d.v.s. hur bra ett ämne leder elektrisk/jonisk ström och hur denna kan påverkas av diverseförändringar. Själva mekanismen bakom ledningsförmågan är oftast förbisedd. I detta arbete har vi undersökt jonledningsförmågan i ett par keramiska eller kristallina ämnen. Med en teoretisk modell försöker vi beskriva mekanismen i detalj. Detta kan öka förståelsen för hur den fungerar och varför vissa ämnen leder bättre än andra.
Temperaturbarriärer
Resultat från simulering visar tecken på tydliga barriärer i de flesta fallen. Endast ett av de simulerade fallen visade en något annorlunda form av barriär. Barriärerna uppkommer då jonen förflyttas nära eller mellan andra joner i kristallstrukturen, helt enkelt för att den lämnar sitt jämviktsläge. Barriärerna kunde användas till att uppskatta den temperatur som skulle krävas för att materialet ska bli ledande.
Om barriären är relaterad till jonledningsförmågan måste dåliga jonledare eller icke-jonledare ha en högre barriär. Bra jonledare har då en mycket lägre barriär, som skulle motsvara en temperatur lägre än smältpunkten för materialet.
Simuleringarna visar en tydlig skillnad mellan en mycket dålig ledare och en mycket bra ledare. Detta kan ses som ett steg i rätt riktning i utvecklingen av en modell som skulle kunna beskriva mekanismen för jonledning.

• author: Ericson, Fredrik
• supervisor: Valera Veryazov
• organization: Department of Chemistry
• course: KEMR18 20121
• year: 2013
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Chemistry
• keywords: teoretisk kemi
• language: English
• id: 3461227
• date added to LUP: 2013-02-24 17:46:54
• date last changed: 2015-12-14 08:06:11