无机材料物理性能5电导5.2无机材料物理性能5.2 离子电导性5.2.1 固体电解质的种类与根本性能 1. 固体电解质的种类 (1) 依据传导离子种类： ) 依据传导离子种类： 阳离子导体：银离子、铜离子、钠离子、锂离子、 阳离子导体：银离子、铜离子、钠离子、锂离子、氢 离子等； 离子等； 阴离子导体：氟离子、氧离子 阴离子导体：氟离子、氧离子 (2) 按材料的构造：依据晶体中传导离子通道的分布有 ) 按材料的构造： 一维、二维、三维 一维、二维、三维 (3) 从材料的应用领域：储能类、传感器类 ) 从材料的应用领域：储能类、传感器类 (4) 按运用温度：高温固体电解质、低温固体电解质 ) 按运用温度：高温固体电解质、无机材料物理性能类型 银离子 导体 铜离子 导体 钠离子 导体特性及应用 卤化物或其它化合物(最根本的是 )用银离子导体制作长寿命电池 卤化物或其它化合物(最根本的是AgI)用银离子导体制作长寿命电池，目前 )用银离子导体制作长寿命电池， 以进入管用阶段 铜的价格及储存量均优于银，但由于其电子导电成分太大，难于优化， 铜的价格及储存量均优于银，但由于其电子导电成分太大，难于优化，因此只 限于作为混合型导体用于电池的电极。
限于作为混合型导体用于电池的电极 为主的固体电解质 特别简单获得 度左右， 以Na- β-Al2O3为主的固体电解质 β-Al2O3特别简单获得在300度左右， - 度左右 材料构造上的改变使得钠离子较简单在某一特定构造区域中运动 材料构造上的改变使得钠离子较简单在某一特定构造区域中运动利用其离子 传导性质大有潜力可挖其电子导电率特别低， 传导性质大有潜力可挖其电子导电率特别低，因而在储能方面应用是特别合 适的材料目前美日德致力于用其开发牵引动力用的高能量密度可充电电池 适的材料目前美日德致力于用其开发牵引动力用的高能量密度可充电电池 由于锂比钠轻，而且电极电位也更负， 由于锂比钠轻，而且电极电位也更负，因而用它制作电池更简单获得高能量密 度和高功率密度其构造异样困难， 锂电池已经面世， 度和高功率密度其构造异样困难，虽锂电池已经面世，但高性能的锂电池仍 为数很少，尚需做大量的工作 为数很少，尚需做大量的工作 用作燃料电池中的隔膜材料或用于氢离子传感器等电化学器件中， 用作燃料电池中的隔膜材料或用于氢离子传感器等电化学器件中，由于它的工 作温度较低( 有可能在燃料电池中取代氧离子隔膜材料。
作温度较低(约200—400度),有可能在燃料电池中取代氧离子隔膜材料 度),有可能在燃料电池中取代氧离子隔膜材料 为主 以ZrO2、ThO2为主常制作氧传感器在冶金、化工、机械中广泛用于检测氧 、 为主 常制作氧传感器在冶金、化工、 含量和限制化学反响 含量和限制化学反响 为主， 是最小的阴离子 易于迁移构造简洁，便于合成与分析， 是最小的阴离子， 以CaF2为主，F-是最小的阴离子，易于迁移构造简洁，便于合成与分析，并 为主 且其电子电导很低，是制作电池时，特别显著的优点， 且其电子电导很低，是制作电池时，特别显著的优点，但在高温下对电极会起 腐蚀作用 腐蚀作用锂离子 导体 氢离子 导体 氧离子 导体 氟离子 导体无机材料物理性能2. 快离子相的概念 固体从非传导态进入传导态有三种状况： 固体从非传导态进入传导态有三种状况： (1)正常熔化态 )正常熔化态 (2)非传导态经过一级相变进入导电态相变前后均保 )非传导态经过一级相变进入导电态 持固态特性，仅构造发生改变 持固态特性，仅构造发生改变称这一特别导电相为 快离子相其构造从有序向无序转变或亚晶格熔融 快离子相其构造从有序向无序转变或亚晶格熔融。
银离子、铜离子导体 如：银离子、铜离子导体 (3)法拉第转变态， )法拉第转变态， 没有准确的相变温度， 没有准确的相变温度， 是一个温度范围， 是一个温度范围， 在此温度范围电导率 缓慢上升例如 缓慢上升例如Na2S. 1/T lgσ σ(2) ) (3) ) (1) )无机材料物理性能为例， 以Ag+为例， (2)的物理图象为： 为例 )的物理图象为： 低温时，晶格由阴阳离子共同组成； 低温时，晶格由阴阳离子共同组成； 当温度升上到相变温度时， 当温度升上到相变温度时，所构成的阳离子亚晶 格发生熔化； 格发生熔化； 阴离子亚晶格由于阳离子亚晶格的无序而重新排 列构成新相的骨架； 列构成新相的骨架； 阳离子在这些骨架的间隙上随机分布， 阳离子在这些骨架的间隙上随机分布，可动阳离 子在这一新相中的间隙位置间很简单运动 子在这一新相中的间隙位置间很简单运动无机材料物理性能3. 快离子导体的判据 确定快离子导体中离子导电性的主要因素有： 确定快离子导体中离子导电性的主要因素有：传导 离子的特点、骨架晶格的几何构造， 离子的特点、骨架晶格的几何构造，能量 从实践中归纳出几条判据(1)晶体中必需存在必须数量活化能很低的可动离子，这些可动 )晶体中必需存在必须数量活化能很低的可动离子， 离子的尺寸应受到间隙位体积和开口处尺寸的限制。
离子的尺寸应受到间隙位体积和开口处尺寸的限制 (2)晶格中应包含能量近似相等，而数目远比传导离子数目为多 )晶格中应包含能量近似相等， 并可容纳传导离子的间隙位，这些间隙位应具有出口， 并可容纳传导离子的间隙位，这些间隙位应具有出口，出口的线度 应至少可与传导离子尺寸相比较 应至少可与传导离子尺寸相比较 (3)可动离子可驻留的间隙位之间势垒不能太高，以使传导离子 )可动离子可驻留的间隙位之间势垒不能太高， 在间隙位之间可以比拟简单跃迁 在间隙位之间可以比拟简单跃迁 (4)可容纳传导离子的间隙位应彼此相互连接，间隙位的分布应 )可容纳传导离子的间隙位应彼此相互连接， 取共面多面体，构成一个立体间隙网络， 取共面多面体，构成一个立体间隙网络，其中拥有贯穿晶格始末的 离子通道以传输可动离子 离子通道以传输可动离子无机材料物理性能4. 固体电解质的特性 固体电解质既保持固态特点， 固体电解质既保持固态特点，又具有与熔融强电解 质或强电解质水溶液相比较的离子电导率 质或强电解质水溶液相比较的离子电导率 构造特点不同于正常态离子固体， 构造特点不同于正常态离子固体，介于正常态与熔 融态的中间相------固体的离子导电相。
固体的离子导电相 融态的中间相 固体的离子导电相 导电相在必须的温度范围内保持稳定的性能， 导电相在必须的温度范围内保持稳定的性能，为区 分正常离子固体， 分正常离子固体，将具有这种性能的材料称为快离 子导体 子导体 良好的固体电解质材料应具有特别低的电子电导率 良好的固体电解质材料应具有特别低的电子电导率 应用领域：能源工业、电子工业、 应用领域：能源工业、电子工业、机电一体化等领 域无机材料物理性能5.2.2 固体电解质的离子传导机理1. 晶格导电通道概貌体心立方晶格导电通道面心立方晶格导电通道无机材料物理性能六方密积累的晶格导电通道无机材料物理性能2. 固体电解质的离子传导机理 (1) 离子导电的种类： ) 离子导电的种类： 本征导电------晶格点阵上的离子定向运动 晶格点阵上的离子定向运动 本征导电 热缺陷的运动) (热缺陷的运动) 弗仑克尔缺陷为填隙离子---空位对 弗仑克尔缺陷为填隙离子 空位对 空位对 肖特基缺陷为阳离子空位---阴离子空位对 肖特基缺陷为阳离子空位 阴离子空位对 阴离子空位对 杂质导电------杂质离子的定向运动 杂质离子的定向运动 杂质导电 杂质离子的定向运动 填隙杂质或置换杂质(溶质)。
填隙杂质或置换杂质(溶质)无机材料物理性能热缺陷的运动产生和复合 一方面，由于格点上的原子的热振动脱离格点， 一方面，由于格点上的原子的热振动脱离格点，产生 热缺陷；另一方面，由于相互作用，热缺陷消逝 热缺陷；另一方面，由于相互作用，热缺陷消逝 如：填隙原子运动到空位旁边，最终落入到空位里而 填隙原子运动到空位旁边， 复合掉 复合掉 晶格中原子扩散现象本质 通过热缺陷不断产生和复合的过程， 通过热缺陷不断产生和复合的过程，晶格中的原子就可 不断的由一处向另一处作无规那么的布朗运动 不断的由一处向另一处作无规那么的布朗运动 如：空位的无规那么运动是空位四周的原子由于热振动能 量起伏，会获得足够的能量，跳到空位上， 量起伏，会获得足够的能量，跳到空位上，占据这个格 而在原来的位置上出现空位 点，而在原来的位置上出现空位空位运动实质上是原 子的跳动 子的跳动无机材料物理性能在探讨热缺陷的产生和复合运动过程中 涉及到的概念： 涉及到的概念： P------单位时间内一个正常格点位置上的原子跳到 单位时间内一个正常格点位置上的原子跳到 间隙位置的次数,形成填隙原子的几率 形成填隙原子的几率 间隙位置的次数 形成填隙原子的几率。
τ=1/P------正常格点位置的原子形成为填隙原子所需 =1/P------正常格点位置的原子形成为填隙原子所需 等待的时间； 等待的时间； P1 ------一个空位在单位时间内从一个格点位置跳到 一个空位在单位时间内从一个格点位置跳到 相邻格点位置的几率； 相邻格点位置的几率； τ1= 1/P1------空位从一个格点位置跳到相邻的格点位 空位从一个格点位置跳到相邻的格点位 置所需等待的时间或相邻格点上的原子， 置所需等待的时间或相邻格点上的原子，跳入空 位所需的时间； 位所需的时间；本文来源：网络收集与整理，如有侵权，请联系作者删除，谢谢！第7页 共7页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页。