Solid state ionics
સોલિડ-સ્ટેટ આયોનિક્સ એ આયનીય-ઇલેક્ટ્રોનિક મિશ્ર વાહક અને સંપૂર્ણ આયનીય વાહક (ઘન ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ) અને તેમના ઉપયોગોનો અભ્યાસ છે. આ શ્રેણીમાં આવતી કેટલીક સામગ્રીઓમાં અકાર્બનિક સ્ફટિકીય અને પોલિક્રિસ્ટલાઇન ઘન પદાર્થો, સિરામિક્સ, ચશ્મા, પોલિમર અને સંયોજનોનો સમાવેશ થાય છે. સોલિડ-સ્ટેટ આયનીય ઉપકરણો, જેમ કે સોલિડ ઓક્સાઇડ ઇંધણ કોષો, પ્રવાહી ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ સાથેના તુલનાત્મક ઉપકરણો કરતાં વધુ વિશ્વસનીય અને લાંબા સમય સુધી ટકી શકે છે, ખાસ કરીને કઠોર પરિસ્થિતિઓમાં. સોલિડ-સ્ટેટ આયોનિક્સનું ક્ષેત્ર સૌપ્રથમ યુરોપમાં વિકસાવવામાં આવ્યું હતું, જેની શરૂઆત 1834માં સોલિડ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ એજી2એસ અને પીબીએફ2 પર માઈકલ ફેરાડેના કામથી થઈ હતી. પાછળથી વોલ્થેર નેર્ન્સ્ટ દ્વારા મૂળભૂત યોગદાન આપવામાં આવ્યું હતું, જેમણે નેર્ન્સ્ટ સમીકરણ મેળવ્યું હતું અને હેટેરોવેલેન્ટલી ડોપ્ડ ઝિર્કોનિયામાં આયનીય વહન શોધી કાઢ્યું હતું, જેને તેમણે તેમના નેર્ન્સ્ટ લેમ્પમાં લાગુ કર્યું હતું. અન્ય એક મોટું પગલું 1914માં સિલ્વર આયોડાઇડનું લાક્ષણિકતાકરણ હતું. 1930ની આસપાસ, યાકોવ ફ્રેન્કેલ, વોલ્ટર સ્કોટકી અને કાર્લ વેગનર દ્વારા બિંદુ-ખામીની વિભાવનાની સ્થાપના કરવામાં આવી હતી, જેમાં સ્કોટકી અને વેગનર દ્વારા બિંદુ-ખામી થર્મોડાયનેમિક્સના વિકાસનો સમાવેશ થાય છે; આનાથી આયનીય સ્ફટિકો, આયન-વાહક ચશ્મા, પોલિમર ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ અને નેનોકોમ્પોઝાઇટ્સમાં આયનીય અને ઇલેક્ટ્રોનિક પરિવહનને સમજાવવામાં મદદ મળી હતી. 20મી સદીના અંતમાં અને 21મી સદીની શરૂઆતમાં, સોલિડ-સ્ટેટ આયનોક્સે નવીન સોલિડ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સના સંશ્લેષણ અને લાક્ષણિકતા અને સોલિડ સ્ટેટ બેટરી સિસ્ટમ્સ, ઇંધણ કોષો અને સેન્સરમાં તેમના ઉપયોગો પર ધ્યાન કેન્દ્રિત કર્યું હતું. સોલિડ સ્ટેટ આયોનિક્સ શબ્દની રચના 1967માં તાકેહિકો તાકાહાશી દ્વારા કરવામાં આવી હતી, પરંતુ સોલિડ સ્ટેટ આયોનિક્સ જર્નલના ઉદભવ સાથે 1980ના દાયકા સુધી તેનો વ્યાપક ઉપયોગ થયો ન હતો. આ વિષય પરની પ્રથમ આંતરરાષ્ટ્રીય પરિષદ 1972માં ઇટાલીના બેલ્જીરેટમાં "ફાસ્ટ આયન ટ્રાન્સપોર્ટ ઇન સોલિડ્સ, સોલિડ સ્ટેટ બેટરીઝ એન્ડ ડિવાઇસીસ" નામ હેઠળ યોજાઈ હતી. 1830 ના દાયકાની શરૂઆતમાં, માઈકલ ફેરાડેએ પ્રવાહી અને ઘન ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સમાં આયનોની ગતિની શોધ કરીને ઇલેક્ટ્રોકેમિસ્ટ્રી અને સોલિડ-સ્ટેટ આયનિક્સનો પાયો નાખ્યો હતો. અગાઉ, 1800 ની આસપાસ, એલેસાન્ડ્રો વોલ્ટાએ તેમના વોલ્ટેઇક ખૂંટોમાં પ્રવાહી ઇલેક્ટ્રોલાઇટનો ઉપયોગ કર્યો હતો, જે પ્રથમ ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ બેટરી હતી, પરંતુ આ પ્રક્રિયામાં આયનો સામેલ છે તે સમજવામાં નિષ્ફળ રહ્યા હતા. દરમિયાન, વિદ્યુત પ્રવાહ દ્વારા દ્રાવણના વિઘટન પરના તેમના કાર્યમાં, ફેરાડેએ માત્ર આયન, કેટાયન, એનાયન, ઇલેક્ટ્રોડ, એનોડ, કેથોડ, ઇલેક્ટ્રોલાઇટ અને ઇલેક્ટ્રોલિસિસના વિચારોનો જ નહીં, પરંતુ તેમના માટે હાલના શબ્દોનો પણ ઉપયોગ કર્યો હતો. ફેરાડેએ ઇલેક્ટ્રોલાઇટમાં વિદ્યુત પ્રવાહને આયનોની ગતિ સાથે જોડ્યો હતો અને શોધ્યું હતું કે આયનો તેમના ચાર્જને ઇલેક્ટ્રોડ સાથે બદલી શકે છે જ્યારે તેઓ ઇલેક્ટ્રોલિસિસ દ્વારા તત્વોમાં રૂપાંતરિત થયા હતા. તેમણે વિદ્યુત વિચ્છેદનના બે નિયમો દ્વારા તે પ્રક્રિયાઓનું પ્રમાણ નક્કી કર્યું. પ્રથમ નિયમ (1832) માં જણાવવામાં આવ્યું હતું કે ઇલેક્ટ્રોડ પર ઉત્પાદનનું દળ, δm, ઇલેક્ટ્રોલાઇટમાંથી પસાર થતા ચાર્જની માત્રા સાથે રેખીય રીતે વધે છે. બીજો નિયમ (1833) એ δm અને "ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ સમકક્ષ" વચ્ચે પ્રમાણસરતા સ્થાપિત કરી અને ફેરાડે અચળાંક F ને F = (δq/δm) (M/z) તરીકે વ્યાખ્યાયિત કર્યો, જ્યાં M એ દાઢ દળ છે અને z એ આયનનો ચાર્જ છે. 1834માં, ફેરાડેએ ગરમ નક્કર ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ Ag2S અને PbF2માં આયનીય વાહકતાની શોધ કરી હતી. પી. બી. એફ. 2 માં, ગરમી પર વાહકતામાં વધારો અચાનક નહોતો, પરંતુ સો ડિગ્રી સેલ્સિયસથી વધુ ફેલાયો હતો. આવી વર્તણૂક, જેને ફેરાડે સંક્રમણ કહેવાય છે, તે કેટાયન વાહક Na2S અને Li4SiO4 અને આયન વાહક PbF2, CaF2, SrF2, SrCl2 અને LaF3માં જોવા મળે છે. પાછળથી 1891માં, જોહાન વિલ્હેમ હિટોર્ફે વિદ્યુતરાસાયણિક કોષોમાં આયન પરિવહન સંખ્યાઓ પર અહેવાલ આપ્યો હતો અને 20મી સદીની શરૂઆતમાં તે સંખ્યાઓ ઘન ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ માટે નક્કી કરવામાં આવી હતી. પ્રથમ સિદ્ધાંતો અને ઉપયોગો વોલ્ટેઇક ખૂંટોએ સુધારેલી બેટરીઓની શ્રેણીને ઉત્તેજિત કરી, જેમ કે ડેનિયલ સેલ, ફ્યુઅલ સેલ અને લીડ એસિડ બેટરી. 1800 ના દાયકાના અંતમાં વિલ્હેલ્મ ઓસ્ટવાલ્ડ અને વોલ્ટર નેર્નસ્ટ દ્વારા સિદ્ધાંતો પરથી તેમની કામગીરીને મોટા પ્રમાણમાં સમજવામાં આવી હતી. ઓસ્ટવાલ્ડે 1894માં બળતણ કોષમાં ઊર્જા રૂપાંતરણ સમજાવ્યું હતું અને ભારપૂર્વક જણાવ્યું હતું કે તેની કાર્યક્ષમતા થર્મોડાયનેમિક્સ દ્વારા મર્યાદિત નથી. ઓસ્ટવાલ્ડ, જેકોબસ હેનરિકસ વાન 'ટી હોફ અને સ્વાન્તે અર્હેનિયસ સાથે મળીને, ઇલેક્ટ્રોકેમિસ્ટ્રી અને રાસાયણિક આયનીય સિદ્ધાંતના સ્થાપક પિતા હતા, અને 1909 માં રસાયણશાસ્ત્રમાં નોબેલ પુરસ્કાર મેળવ્યો હતો. તેમનું કાર્ય વોલ્થેર નેર્ન્સ્ટ દ્વારા ચાલુ રાખવામાં આવ્યું હતું, જેમણે નેર્ન્સ્ટ સમીકરણ મેળવ્યું હતું અને હેટેરોવેલેન્ટલી ડોપ્ડ ઝિર્કોનિયામાં આયનીય વહનનું વર્ણન કર્યું હતું, જેનો ઉપયોગ તેમણે તેમના નેર્ન્સ્ટ લેમ્પમાં કર્યો હતો. નેર્ન્સ્ટ 1887 માં પ્રકાશિત થયેલા આર્હેનિયસના વિયોજન સિદ્ધાંતથી પ્રેરિત હતા, જે દ્રાવણમાં આયનો પર આધારિત હતા. 1889માં તેમને વિદ્યુતરાસાયણિક અને રાસાયણિક સંતુલન વચ્ચેની સમાનતાનો અહેસાસ થયો અને તેમનું પ્રસિદ્ધ સમીકરણ ઘડ્યું જેણે તેમના ઘટકોના થર્મોડાયનેમિક ગુણધર્મોમાંથી પ્રવાહી ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ પર આધારિત વિવિધ વિદ્યુતરાસાયણિક કોષોના આઉટપુટ વોલ્ટેજની યોગ્ય આગાહી કરી હતી. તેમના સૈદ્ધાંતિક કાર્ય ઉપરાંત, 1897માં નેર્ન્સ્ટે નક્કર ઇલેક્ટ્રોલાઇટનો ઉપયોગ કરતા પ્રથમ લેમ્પની પેટન્ટ કરાવી હતી. હાલના કાર્બન-ફિલામેન્ટ લેમ્પ્સથી વિપરીત, નેર્નસ્ટ લેમ્પ હવામાં કામ કરી શકતો હતો અને બમણો વધુ કાર્યક્ષમ હતો કારણ કે તેનું ઉત્સર્જન સ્પેક્ટ્રમ દિવસના પ્રકાશની નજીક હતું. બર્લિનની લાઇટિંગ કંપની AEG એ એક મિલિયન જર્મન ગોલ્ડ માર્ક્સ માટે નેર્નસ્ટની પેટન્ટ ખરીદી હતી, જે તે સમયે એક નસીબ હતું, અને વિશ્વના મેળો એક્સ્પોઝિશન યુનિવર્સલ (1900) માં તેમના બૂથને પ્રકાશિત કરવા માટે 800 નેર્નસ્ટ લેમ્પ્સનો ઉપયોગ કર્યો હતો. 19મી અને 20મી સદીની શરૂઆતમાં વર્ણવેલ કેટલાક નક્કર ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સમાં, α-AgI, ચાંદીના આયોડાઇડનું ઉચ્ચ તાપમાનનું સ્ફટિકીય સ્વરૂપ, વ્યાપકપણે સૌથી મહત્વપૂર્ણ માનવામાં આવે છે. તેના વિદ્યુત વહનની લાક્ષણિકતા 1914માં કાર્લ ટુબેન્ડ અને ઇ. લોરેન્ઝ દ્વારા દર્શાવવામાં આવી હતી. એ. જી. આઈ., એ. જી. સી. એલ. અને એ. જી. બી. આર. ના તેમના તુલનાત્મક અભ્યાસમાં દર્શાવવામાં આવ્યું છે કે α-એ. જી. આઈ., 147 અને 555 ડિગ્રી સેલ્સિયસની વચ્ચે ઉષ્મીય રીતે સ્થિર અને અત્યંત વાહક છે; આ શ્રેણીમાં તાપમાન સાથે વાહકતા નબળી રીતે વધે છે અને પછી ઓગળવા પર ઘટી જાય છે. આ વર્તન સંપૂર્ણપણે ઉલટાવી શકાય તેવું હતું અને બિન-સંતુલન અસરોને બાકાત રાખ્યું હતું. તુબાંટ અને લોરેન્ઝે સમાન વર્તણૂક ધરાવતી અન્ય સામગ્રીઓનું વર્ણન કર્યું છે, જેમ કે α-CuI, α-CuBr, β-CuBr, અને Ag2S, Ag2Se અને Ag2Te ના ઉચ્ચ તાપમાનના તબક્કાઓ. તેઓ ચાંદી અને કપરસ હેલાઈડ્સમાં કેટાયન સાથે અને ચાંદીના કેલ્કોજેનાઇડ્સમાં આયનો અને ઇલેક્ટ્રોન સાથે વાહકતાને સાંકળે છે. આયનીય સ્ફટિકોમાં બિંદુ ખામી 1926માં, યાકોવ ફ્રેન્કેલે સૂચવ્યું હતું કે એજીઆઈ જેવા આયનીય સ્ફટિકમાં, થર્મોડાયનેમિક સંતુલનમાં, કેટાયનનો એક નાનો ભાગ, α, તેમની નિયમિત જાળીની જગ્યાઓથી અંતરાલીય સ્થિતિમાં વિસ્થાપિત થાય છે. તેમણે ફ્રેન્કેલ જોડીઓના એક મોલની રચના માટે ગિબ્સ ઊર્જા સાથે α ને α = exp (-αG/2RT) તરીકે સંબંધિત કર્યું, જ્યાં T એ તાપમાન છે અને R એ વાયુ અચળાંક છે; αG = 100 kJ/mol, 100°C પર α ~ 1 અને 400°C પર ~ 6 ના લાક્ષણિક મૂલ્ય માટે. આ વિચાર કુદરતી રીતે ખામી-મુક્ત આયનીય સ્ફટિકોમાં ગતિશીલ આયનોના નોંધપાત્ર અપૂર્ણાંકની હાજરીને સમજાવે છે, અને આમ તેમાં આયનીય વાહકતા સમજાવે છે. ફ્રેન્કેલના વિચારને કાર્લ વેગનર અને વોલ્ટર સ્કોટકી દ્વારા તેમના 1929 ના સિદ્ધાંતમાં વિસ્તૃત કરવામાં આવ્યો હતો, જેમાં આયનીય સ્ફટિકોમાં બિંદુ ખામીઓના સંતુલન થર્મોડાયનેમિક્સનું વર્ણન કરવામાં આવ્યું હતું. ખાસ કરીને, વેગનર અને સ્કોટકીએ સ્ફટિક ઘટકોની રાસાયણિક ક્ષમતા સાથે તે સ્ફટિકોમાં સ્ટોઇકિયોમેટ્રીના વિચલનોને સંબંધિત કર્યા અને મિશ્ર ઇલેક્ટ્રોનિક અને આયનીય વહનની ઘટનાને સમજાવી. વેગનર અને સ્કોટકીએ એબી પ્રકારનાં સ્ટોઇકિઓમેટ્રિક દ્વિસંગી આયનીય સ્ફટિકમાં બિંદુ-ખામી વિકારના ચાર આત્યંતિક કિસ્સાઓને ધ્યાનમાં લીધાઃ ઇન્ટર્સ્ટિશલ કેટાયન A + અને જાળીની ખાલી જગ્યાઓની જોડી (ફ્રેન્કેલ ખામી) ઇન્ટર્સ્ટિશલ એનાયન B-અને જાળીની ખાલી જગ્યાઓની જોડી (એન્ટી-ફ્રેન્કેલ ખામી) ઇન્ટર્સ્ટિશલ કેટાયન A + અને ઇન્ટર્સ્ટિશલ એનાયન B-ની જોડી કોઈ ખાલી જગ્યાઓ વિના A અને B-પ્રકારની જાળીની ખાલી જગ્યાઓની જોડી (સ્કોટકી ડિસઓર્ડર). પ્રકાર-3 ડિસઓર્ડર વ્યવહારમાં થતો નથી, અને પ્રકાર 2 માત્ર દુર્લભ કિસ્સાઓમાં જોવા મળે છે જ્યારે એનાયનો કેટાયન કરતા નાના હોય છે, જ્યારે પ્રકાર 1 અને 4 બંને સામાન્ય હોય છે અને સમાન એક્સપો (-δG/2RT) તાપમાન અવલંબન દર્શાવે છે. પાછળથી 1933માં, વેગનરએ સૂચવ્યું હતું કે ધાતુના ઓક્સાઇડમાં ધાતુની અધિકતા વધારાના ઇલેક્ટ્રોનમાં પરિણમશે, જ્યારે ધાતુની ખાધ ઇલેક્ટ્રોન છિદ્રો ઉત્પન્ન કરશે, એટલે કે, અણુ બિન-સ્ટોઇકિયોમેટ્રી મિશ્ર આયનીય-ઇલેક્ટ્રોનિક વહનમાં પરિણમશે. અન્ય પ્રકારના વિકાર આયનીય કાચ સ્ફટિકીય આયનીય વાહકોનો અભ્યાસ જ્યાં બિંદુ ખામી દ્વારા વધારાના આયનો પૂરા પાડવામાં આવતા હતા તે 1950 સુધી ચાલુ રહ્યો અને દરેક સંયોજન માટે તેની આયનીય રચનાના આધારે વહનની ચોક્કસ પદ્ધતિ સ્થાપિત કરવામાં આવી હતી. 1970 ના દાયકાના અંતમાં ગ્લાસી અને પોલિમરીક ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સના ઉદભવથી નવી આયનીય વહન પદ્ધતિઓ પૂરી પાડવામાં આવી. ચશ્માંમાં વાહકતાની પ્રમાણમાં વિશાળ શ્રેણી પ્રાપ્ત થઈ હતી, જેમાં ગતિશીલ આયનોને મેટ્રિક્સમાંથી ગતિશીલ રીતે અલગ કરવામાં આવ્યા હતા. એવું જાણવા મળ્યું હતું કે ચોક્કસ ક્ષાર સાથે ગ્લાસને ડોપિંગ કરીને અથવા કાચના મિશ્રણનો ઉપયોગ કરીને વાહકતા વધારી શકાય છે. ઓરડાના તાપમાને વાહકતા મૂલ્યો 0.03 S/cm જેટલા ઊંચા હોઈ શકે છે, જેમાં સક્રિયકરણ ઊર્જા 20 kJ/mol જેટલી ઓછી હોય છે. સ્ફટિકોની સરખામણીમાં, કાચમાં આઇસોટ્રોપિક ગુણધર્મો હોય છે, સતત ટ્યુન કરી શકાય તેવી રચના અને સારી કાર્યક્ષમતા હોય છે; તેમાં હાનિકારક અનાજની સીમાઓનો અભાવ હોય છે અને તેને કોઈપણ આકારમાં ઢાળવામાં આવી શકે છે, પરંતુ લાંબા અંતરના ક્રમના અભાવને કારણે તેમના આયનીય પરિવહનને સમજવું જટિલ હતું. ઐતિહાસિક રીતે, આયનીય વાહકતા માટેનો પુરાવો 1880 ના દાયકામાં આપવામાં આવ્યો હતો, જ્યારે જર્મન વૈજ્ઞાનિકોએ નોંધ્યું હતું કે થુરિંગિયન ગ્લાસથી બનેલું સારી રીતે માપાંકિત થર્મોમીટર ઉકળતા પાણીમાં ડૂબી ગયા પછી તરત જ બરફમાં મૂકવામાં આવે ત્યારે 0 ડિગ્રી સેલ્સિયસને બદલે − 0.5 ડિગ્રી સેલ્સિયસ બતાવશે, અને થોડા મહિનાઓ પછી જ પુનઃપ્રાપ્ત થશે. 1883 માં, તેઓએ ગ્લાસમાં સોડિયમ અને પોટેશિયમનું મિશ્રણ સોડિયમ અથવા પોટેશિયમ દ્વારા બદલીને આ અસરને 10 ગણી ઘટાડી. આ શોધે ઓટ્ટો સ્કોટને પ્રથમ સચોટ લિથિયમ આધારિત થર્મોમીટર વિકસાવવામાં મદદ કરી. કાચમાં આયનીય વાહકતા પર વધુ વ્યવસ્થિત અભ્યાસ 1884 માં દેખાયો, પરંતુ માત્ર એક સદી પછી વ્યાપક ધ્યાન ખેંચ્યું. આયનીય કાચ માટે કેટલાક સાર્વત્રિક નિયમો પ્રયોગમૂલક રીતે ઘડવામાં આવ્યા છે અને અન્ય આયનીય વાહકો સુધી વિસ્તૃત કરવામાં આવ્યા છે, જેમ કે વિદ્યુત વાહકતા σ (ν)-σ (0) ~ νp ની આવર્તન નિર્ભરતા, જ્યાં ઘાતાંક p સામગ્રી પર આધાર રાખે છે, પરંતુ તાપમાન પર નહીં, ઓછામાં ઓછું ~ 100 K. આ વર્તન નજીકના સ્થળો વચ્ચે સક્રિય હોપિંગ વહનની ફિંગરપ્રિન્ટ છે. 1975માં, શેફિલ્ડ (યુકે) ના પોલિમર રસાયણશાસ્ત્રી પીટર વી. રાઈટે પ્રથમ પોલિમર ઇલેક્ટ્રોલાઇટનું ઉત્પાદન કર્યું હતું, જેમાં પોલિઇથિલિન ઓક્સાઇડ (પીઇઓ) મેટ્રિક્સમાં સોડિયમ અને પોટેશિયમ ક્ષાર હતા. પાછળથી પોલિમર ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સનો બીજો પ્રકાર, પોલિલેક્ટ્રોલાઇટ, આગળ મૂકવામાં આવ્યો હતો, જ્યાં આયનો તટસ્થ પોલિમર મેટ્રિક્સને બદલે વિદ્યુત ચાર્જ દ્વારા આગળ વધ્યા હતા. પોલિમર ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સે ચશ્માની તુલનામાં ઓછી વાહકતા દર્શાવી હતી, પરંતુ તે સસ્તી હતી, વધુ લવચીક હતી અને સરળ મશીન અને વિવિધ સ્વરૂપોમાં આકાર આપી શકતી હતી. જ્યારે આયનીય કાચ સામાન્ય રીતે નીચે સંચાલિત થાય છે, ત્યારે પોલિમર વાહક સામાન્ય રીતે તેમના કાચ સંક્રમણ તાપમાનથી ઉપર ગરમ થાય છે. પરિણામે, વિદ્યુત ક્ષેત્ર અને યાંત્રિક વિકૃતિ બંને પોલિમરમાં સમાન સમય સ્કેલ પર ક્ષીણ થાય છે, પરંતુ કાચમાં નહીં. 1983 અને 2001 ની વચ્ચે એવું માનવામાં આવતું હતું કે આકારહીન અપૂર્ણાંક આયનીય વાહકતા માટે જવાબદાર છે, એટલે કે, પોલિમરમાં ઝડપી આયનીય પરિવહન માટે (લગભગ) સંપૂર્ણ માળખાકીય વિકાર જરૂરી છે. જો કે, સંખ્યાબંધ સ્ફટિકીય પોલિમરનું 2001માં અને પછીથી 0.01 S/cm 30°C જેટલી ઊંચી આયનીય વાહકતા અને માત્ર 0.24 eVની સક્રિયકરણ ઊર્જા સાથે વર્ણન કરવામાં આવ્યું છે. નેનોસ્ટ્રક્ચર્સ 1970-80ના દાયકામાં, એવું સમજાયું હતું કે નેનોસાઇઝ્ડ સિસ્ટમો આયનીય વાહકતાને અસર કરી શકે છે, જેનાથી નેનોયોનિક્સનું નવું ક્ષેત્ર ખુલ્લું પડી શકે છે. 1973માં, એવું નોંધવામાં આવ્યું હતું કે લિથિયમ આયોડાઇડ (એલ. આઈ.) સ્ફટિકોની આયનીય વાહકતામાં "અવાહક" સામગ્રી (એલ્યુમિના) નો બારીક પાવડર ઉમેરીને 50 ગણો વધારો કરી શકાય છે. આ અસર 1980ના દાયકામાં એલ્યુમિના નેનોપાર્ટિકલ્સ સાથેના એજી-અને ટીએલ-હેલાઈડ્સમાં પુનઃઉત્પાદિત કરવામાં આવી હતી. તેવી જ રીતે, અવાહક નેનોપાર્ટિકલ્સના ઉમેરાએ આયનીય પોલિમરની વાહકતામાં વધારો કરવામાં મદદ કરી. આ અણધાર્યા પરિણામોને મેટ્રિક્સ-નેનોપાર્ટિકલ ઇન્ટરફેસ પર ચાર્જ વિભાજન દ્વારા સમજાવવામાં આવ્યા હતા જેણે મેટ્રિક્સને વધારાની વાહક ચેનલો પ્રદાન કરી હતી, અને આ ઇન્ટરફેસનું ક્ષેત્રફળ વધારવા માટે પૂરક કણોના નાના કદની જરૂર હતી. સ્ફટિકીય આયનીય વાહકમાં અનાજની સીમાઓ માટે સમાન ચાર્જ-વિભાજન અસરો જોવા મળી હતી. 1971 સુધીમાં, રુબિડિયમ સિલ્વર આયોડાઇડ (RbAg4I5) પર આધારિત સોલિડ-સ્ટેટ કોષો અને બેટરીઓની રચના અને પરીક્ષણ તાપમાન અને સ્રાવ પ્રવાહોની વિશાળ શ્રેણીમાં કરવામાં આવ્યું છે. RbAg4I5 ની પ્રમાણમાં ઊંચી વાહકતા હોવા છતાં, એકમ વજન દીઠ ઓછી એકંદર ઊર્જા સામગ્રીને કારણે તેનું ક્યારેય વ્યાપારીકરણ કરવામાં આવ્યું નથી. 5 W·h/કિલોગ્રામ). તેનાથી વિપરીત, LiI, જેની વાહકતા માત્ર ca હતી. ઓરડાના તાપમાને 1 એસ/સે. મી., કૃત્રિમ પેસમેકર્સ માટે બેટરીમાં વ્યાપક પાયે ઉપયોગ જોવા મળ્યો. અનડોપ્ડ એલ. આઈ. આઈ. પર આધારિત આ પ્રકારનું પ્રથમ ઉપકરણ, ઇટાલીના ફેરારામાં માર્ચ 1972માં માનવમાં રોપવામાં આવ્યું હતું. પછીના નમૂનાઓમાં ઇલેક્ટ્રોલાઇટ તરીકે એલ. આઈ. આઈ. ની એક ફિલ્મનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો હતો, જેને તેની વાહકતા વધારવા માટે એલ્યુમિના નેનોપાર્ટિકલ્સ સાથે ડોપ કરવામાં આવી હતી. લિ એનોડ અને આયોડિન-પોલી (2-વિનાઇલપાયરીડાઇન) કેથોડ વચ્ચેની મૂળ સ્થાને રાસાયણિક પ્રતિક્રિયામાં લિઆઇની રચના કરવામાં આવી હતી, અને તેથી ઓપરેશન દરમિયાન ધોવાણ અને તિરાડોમાંથી સ્વ-સાજો થયો હતો. પીગળેલા-સોડિયમ એનોડ અને પીગળેલા-સલ્ફર કેથોડ વચ્ચે સેન્ડવિચ કરેલા સિરામિક β-Al2O3 ઇલેક્ટ્રોલાઇટ પર આધારિત સોડિયમ-સલ્ફર કોષોએ ઉચ્ચ ઊર્જા ઘનતા દર્શાવી હતી અને 1990 ના દાયકામાં કારની બેટરીઓ માટે વિચારણા કરવામાં આવી હતી, પરંતુ એલ્યુમિનાની બરડપણાને કારણે તેની અવગણના કરવામાં આવી હતી, જેના પરિણામે પીગળેલા સોડિયમ અને સલ્ફર વચ્ચેની પ્રતિક્રિયાને કારણે તિરાડો અને ગંભીર નિષ્ફળતા થઈ હતી. β-Al2O3 ને નાસિકોન સાથે બદલવાથી આ એપ્લિકેશનને સાચવી શકાતી નથી કારણ કે તે ક્રેકિંગ સમસ્યાનું સમાધાન કરતી નથી, અને કારણ કે નાસિકોને પીગળેલા સોડિયમ સાથે પ્રતિક્રિયા આપી હતી. યટ્રિયા-સ્થિર ઝિર્કોનિયાનો ઉપયોગ કારમાં ઓક્સિજન સેન્સરમાં નક્કર ઇલેક્ટ્રોલાઇટ તરીકે થાય છે, જે વોલ્ટેજ ઉત્પન્ન કરે છે જે ઓક્સિજન અને એક્ઝોસ્ટ ગેસના ગુણોત્તર પર આધાર રાખે છે અને ઇંધણ ઇન્જેક્ટરને ઇલેક્ટ્રોનિક પ્રતિસાદ પૂરો પાડે છે. આવા સેન્સર ઘણા ધાતુશાસ્ત્ર અને કાચ બનાવવાના કારખાનાઓમાં પણ સ્થાપિત કરવામાં આવે છે. નક્કર સિલ્વર હેલાઇડ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ પર આધારિત CO2, ક્લોરિન અને અન્ય વાયુઓના સમાન સેન્સર 1980-1990ના દાયકામાં પ્રસ્તાવિત કરવામાં આવ્યા છે. 1980ના દાયકાના મધ્યભાગથી, લી-આધારિત ઘન ઇલેક્ટ્રોલાઇટનો ઉપયોગ સ્માર્ટ ગ્લાસમાં ઇલેક્ટ્રોક્રોમિક ફિલ્મ (સામાન્ય રીતે ડબલ્યુ. ઓ. 3) અને આયન-સંગ્રહિત ફિલ્મ (સામાન્ય રીતે લી. સી. ઓ. ઓ. 2) ને અલગ કરવા માટે થાય છે, જે એક વિંડો છે જેની પારદર્શિતા બાહ્ય વોલ્ટેજ દ્વારા નિયંત્રિત થાય છે. સોલિડ-સ્ટેટ આયનીય વાહક એ લિથિયમ-આયન બૅટરી, પ્રોટોન એક્સચેન્જ મેમ્બ્રેન ફ્યુઅલ સેલ્સ (પીઇએમએફસી), સુપરકેપેસિટર્સ, ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ ઊર્જા સંગ્રહ ઉપકરણોના નવીન વર્ગ અને સોલિડ ઓક્સાઇડ ફ્યુઅલ સેલ્સના આવશ્યક ઘટકો છે, જે ઉપકરણો બળતણને ઓક્સિડાઇઝ કરીને વીજળી ઉત્પન્ન કરે છે. 1960ના દાયકાના અંતમાં શોધાયેલ ફ્લેક્સિબલ ફ્લોરોપોલીમર-પોલીમર નાફિયોનનો પી. ઇ. એમ. એફ. સી. માં પોલિમર ઇલેક્ટ્રોલાઇટ તરીકે વ્યાપકપણે ઉપયોગ થાય છે. સોલિડ-સ્ટેટ બેટરી સંદર્ભો ઇલેક્ટ્રોકેમિસ્ટ્રી પણ જુઓ