快离子导体陶瓷

1、logo张玉娜张玉娜快离子导体陶瓷快离子导体陶瓷contents概述概述1导电机理导电机理2快离子导体材料快离子导体材料3合成方法合成方法45展望展望1.概述概述v定义定义： 一般来说，离子晶体一般属于绝缘体，电导率很低，如一般来说，离子晶体一般属于绝缘体，电导率很低，如nacl在室温时的电导率只有在室温时的电导率只有10-15s/cm，在，在200时也只时也只有有10-8s/cm。 而有一类离子晶体，在室温下电导率可以达到而有一类离子晶体，在室温下电导率可以达到10-2s/cm,几乎可与熔盐的电导率比美。将这类几乎可与熔盐的电导率比美。将这类电导率高达电导率高达10-1 10-2s/cm，活

2、化能低至活化能低至0.10.2ev的材料称做的材料称做快离子导体快离子导体或固体电解质。或固体电解质。1.概述概述n快离子导电陶瓷快离子导电陶瓷是指电导率可以和液体电解质或熔是指电导率可以和液体电解质或熔盐相比拟的固态离子导体陶瓷，又称为电解质陶瓷。盐相比拟的固态离子导体陶瓷，又称为电解质陶瓷。n快离子导电陶瓷是集金属电学性质和陶瓷结构特性快离子导电陶瓷是集金属电学性质和陶瓷结构特性于一身的高性能功能材料，具有优良的于一身的高性能功能材料，具有优良的抗氧化、抗抗氧化、抗腐蚀、耐高温、高机械强度腐蚀、耐高温、高机械强度等特点。等特点。1.概述概述v发展简史发展简史 1889年发现掺杂的氧化锆是氧

3、离子导体，年发现掺杂的氧化锆是氧离子导体，1900年人们用掺杂的年人们用掺杂的氧化锆作为不需要惰性气体保护的灯丝使用，称作能斯特氧化锆作为不需要惰性气体保护的灯丝使用，称作能斯特(nernst)光源光源 。 1914年，塔板特和洛伦兹发现银的化合物年，塔板特和洛伦兹发现银的化合物agi在恰低于其熔点在恰低于其熔点时，电导率要比熔融态的电导率高约时，电导率要比熔融态的电导率高约20； 1935年，斯托克发现了在年，斯托克发现了在146时，时，agi从低温从低温相转为高温相转为高温相，电导率增加了三个数量级以上，达到相，电导率增加了三个数量级以上，达到1.3s/cm。并首次提。并首次提出了熔融晶格

4、导电模型；出了熔融晶格导电模型； 1961年，发现了以银离子为载流子的复合年，发现了以银离子为载流子的复合agi化合物和以钠离化合物和以钠离子为载流子的子为载流子的-al2o3快离子导体，在室温或不太高的温度下，快离子导体，在室温或不太高的温度下，这两类化合物的离子电导率高达这两类化合物的离子电导率高达10-1s/cm。这把快离子导体的。这把快离子导体的应用从高温推向室温；应用从高温推向室温；1.概述概述v发展简史发展简史 20世纪世纪70年代，美国年代，美国ford汽车公司已把汽车公司已把na-al2o3快离快离子导体制成子导体制成na-s电池电池 1991年索尼公司发布首个商用锂离子电池。

5、随后，锂离子年索尼公司发布首个商用锂离子电池。随后，锂离子电池革新了消费电子产品的面貌。此类以电池革新了消费电子产品的面貌。此类以钴酸锂钴酸锂作为正极作为正极材料的电池，至今仍是便携电子器件的主要电源。材料的电池，至今仍是便携电子器件的主要电源。 自此以后，国际上对快离子导体开展了极为广泛的研究：自此以后，国际上对快离子导体开展了极为广泛的研究：一方面对已发现的快离子导体进行深入工作，同时进一步一方面对已发现的快离子导体进行深入工作，同时进一步探索新的离子导体；另一方面，从晶体结构、离子传导机探索新的离子导体；另一方面，从晶体结构、离子传导机理及传导动力学等角度进行广泛研究，以期获得高离子电理

6、及传导动力学等角度进行广泛研究，以期获得高离子电导的结构条件及对快离子传导理论获得一个统一概括的认导的结构条件及对快离子传导理论获得一个统一概括的认识。识。2.导电机理导电机理 一般来说，固体物质的导电性可以分为两类。一类是一般来说，固体物质的导电性可以分为两类。一类是电子导电性，一类是离子导电性。离子导电性在导电过程电子导电性，一类是离子导电性。离子导电性在导电过程中伴随着宏观物质的迁移，而电子导电性只有电荷的传输，中伴随着宏观物质的迁移，而电子导电性只有电荷的传输，通常离子晶体化合物的电导和扩散都是起因于晶格中存在通常离子晶体化合物的电导和扩散都是起因于晶格中存在浓度很低的点缺陷，像在浓度

7、很低的点缺陷，像在agcl和和naf中的中的frenkel缺陷（通缺陷（通过间隙离子存在的亚间隙迁移方式进行离子运动而导电）过间隙离子存在的亚间隙迁移方式进行离子运动而导电）或或nacl和和kcl中的中的schottky缺陷（通过空位机理进行迁移而缺陷（通过空位机理进行迁移而导电）。至于快离子导体中的离子电导是因为处于一种亚导电）。至于快离子导体中的离子电导是因为处于一种亚晶格上的所有离子的协同运动或称作亚晶格缺陷运动而产晶格上的所有离子的协同运动或称作亚晶格缺陷运动而产生的。生的。2.导电机理导电机理v快离子导体的特征快离子导体的特征 a.结构结构 快离子导体的晶体结构一般由两套晶格组成，一

8、快离子导体的晶体结构一般由两套晶格组成，一套由骨架离子构成的固体晶体，另一套是由迁移离子套由骨架离子构成的固体晶体，另一套是由迁移离子构成的亚晶格。在迁移离子亚晶格中，缺陷浓度高达构成的亚晶格。在迁移离子亚晶格中，缺陷浓度高达 1个个/cm3，以至于迁移离子位置的数目远超过迁移离子，以至于迁移离子位置的数目远超过迁移离子本身数目，使所有离子都能迁移，增加载流子浓度。本身数目，使所有离子都能迁移，增加载流子浓度。同时还可以发生离子的协同运动，降低电导活化能，同时还可以发生离子的协同运动，降低电导活化能，使电导率增加。使电导率增加。 2.导电机理导电机理 b.影响离子的迁移因素影响离子的迁移因素离

9、子迁移通道的尺寸。一般相互连通的通道其瓶颈离子迁移通道的尺寸。一般相互连通的通道其瓶颈的尺寸应大传导离子和骨架离子半径和的两倍。的尺寸应大传导离子和骨架离子半径和的两倍。迁移离子浓度需高，活化能需低。迁移离子浓度需高，活化能需低。一般说来，迁移离子在结晶学上不相等的位置在能一般说来，迁移离子在结晶学上不相等的位置在能量上应相近，这样离子从量上应相近，这样离子从个位置到另一位位置时个位置到另一位位置时越过的势垒低，从而降低了活化能。越过的势垒低，从而降低了活化能。2.导电机理导电机理离子从一个位置迁移到另一位置时，必须通过一个或多个中间状离子从一个位置迁移到另一位置时，必须通过一个或多个中间状态

10、，即一系列的配位多面体。配位数的大小直接影响离子迁移的态，即一系列的配位多面体。配位数的大小直接影响离子迁移的难易。一般配位数愈小，离子愈易迁移。难易。一般配位数愈小，离子愈易迁移。不论是骨架离子或迁移离子、都希望能有较大的极化率，因为极不论是骨架离子或迁移离子、都希望能有较大的极化率，因为极化率表征离子的可变形性，极化率高有助于离子迁称。化率表征离子的可变形性，极化率高有助于离子迁称。从化合物的稳定性角度出发，希望刚性骨架内具有较强的共价键，从化合物的稳定性角度出发，希望刚性骨架内具有较强的共价键，而骨架离子与传导离子之间则希望是较弱的离子键、使传导离子而骨架离子与传导离子之间则希望是较弱的

11、离子键、使传导离子易于迁移。易于迁移。 上述各种影响离子迁移的因素并不是绝对的。实际往往决定于上述各种影响离子迁移的因素并不是绝对的。实际往往决定于综合效果。因此还须实验的验证。综合效果。因此还须实验的验证。3.快离子导体材料快离子导体材料v分类：分类： 快离子导体中的载流子主要是离子，并且其在固快离子导体中的载流子主要是离子，并且其在固体中可流动的数量相当大。体中可流动的数量相当大。根据载流子的类型根据载流子的类型，可将，可将快离子导体分为如下类型：快离子导体分为如下类型： 阳离子导体阳离子导体ag+cu+ li+na+ h+阴离子导体阴离子导体 f-o2- 按导电离子按导电离子类型分类类型

12、分类3.快离子导体材料快离子导体材料一维导体，其中隧道为一维方向的一维导体，其中隧道为一维方向的通道；通道；二维导体，其中隧道为二维平面交联的二维导体，其中隧道为二维平面交联的通道，如通道，如na-al2o3快离子导体；快离子导体； 三维导体，其中隧道为三维网络交三维导体，其中隧道为三维网络交联的通道。联的通道。快离子导体中应当存快离子导体中应当存在大量的可供离子迁在大量的可供离子迁移占据的移占据的空位置空位置。这。这些空位置往往连接成些空位置往往连接成网状的敞开隧道，以网状的敞开隧道，以供离子的迁移流动。供离子的迁移流动。根据隧道的特点根据隧道的特点，可，可将快离子导体划分为将快离子导体划分

13、为三类。三类。3.快离子导体材料快离子导体材料v氧离子导体陶瓷氧离子导体陶瓷v钠离子导体陶瓷钠离子导体陶瓷v锂离子导体陶瓷锂离子导体陶瓷v氢离子导体陶瓷氢离子导体陶瓷3.快离子导体材料快离子导体材料（1）o2-快离子导体快离子导体： 以以o2-为主要载流子为主要载流子即导电性离子的快离子导体，即导电性离子的快离子导体，成为氧离子导体。成为氧离子导体。 早在早在19世纪末就发现了氧离子导体并用作宽带世纪末就发现了氧离子导体并用作宽带光源，以后又发现氧化锆固溶体晶格中存在大光源，以后又发现氧化锆固溶体晶格中存在大量氧空位，从而确定了它的电导主要是量氧空位，从而确定了它的电导主要是o2-离子。离子。

14、3.快离子导体材料快离子导体材料 在已发现的氧离子导体中，主要是适用于在已发现的氧离子导体中，主要是适用于600-1600，高、中氧分压区间的萤石型和钙钛矿型结构的氧化物。高、中氧分压区间的萤石型和钙钛矿型结构的氧化物。发现最早，应用最广泛的是以二价碱土氧化物和三价稀发现最早，应用最广泛的是以二价碱土氧化物和三价稀土氧化物稳定的氧化锆固溶体。土氧化物稳定的氧化锆固溶体。 传导离子传导离子 结构类型结构类型 示示 例例 o2-离子离子 萤石型萤石型 zro2基固溶体，基固溶体，tho2基固溶体基固溶体 hfo2基固溶体，基固溶体，geo2基固溶体基固溶体 bi2o3基固溶体基固溶体 钙钛矿型钙钛

15、矿型 laalo3基，基，catio3基，基，srtio3基基3.快离子导体材料快离子导体材料应用：应用： 用氧化锆做成电化学电池，进而做成氧化锆氧分析器用氧化锆做成电化学电池，进而做成氧化锆氧分析器1. 炼钢工业上，在钢液中直接测氧；炼钢工业上，在钢液中直接测氧；2. 测定内燃机车及汽车废气管内的燃气情况，以控制大测定内燃机车及汽车废气管内的燃气情况，以控制大气污染；气污染；3.用于控制锅炉和各种燃气炉废气内氧含量的测定及燃用于控制锅炉和各种燃气炉废气内氧含量的测定及燃料效率的控制；料效率的控制；4.热处理炉内的气氛控制；热处理炉内的气氛控制；5.惰性气体中氧含量分析等惰性气体中氧含量分析等

16、3.快离子导体材料快离子导体材料 a.萤石型结构的氧离子导体萤石型结构的氧离子导体 正负离子配位数为：，对氧化正负离子配位数为：，对氧化锆锆zro2而言，而言，zr4+在各角顶、各面心：在各角顶、各面心：1/8*8+1/2*6=4，o2-在各在各1/8小立方体体心：小立方体体心：8。即每个晶包中含有即每个晶包中含有4个个zro2式量分式量分子。子。萤石型氧化锆快离子导体结构萤石型氧化锆快离子导体结构3.快离子导体材料快离子导体材料 纯氧化锆有多种晶型纯氧化锆有多种晶型 850- 1150 zro2单斜单斜 四方四方zro2 室温相室温相 比重比重5.31 高温相高温相 比重比重5.72 由此可

17、见，在由低温相转变为高温相时，发生体积由此可见，在由低温相转变为高温相时，发生体积膨胀约膨胀约-%，常使样品热处理时破裂而无法使用。因此，常使样品热处理时破裂而无法使用。因此，常在氧化锆中掺入稳定剂来改善其机械性能。这些稳定常在氧化锆中掺入稳定剂来改善其机械性能。这些稳定剂为碱土氧化物剂为碱土氧化物ro或稀土氧化物或稀土氧化物ln2o3后，掺杂之后为后，掺杂之后为保持晶体的电中性，在固溶体晶格内出现氧离子空位。保持晶体的电中性，在固溶体晶格内出现氧离子空位。例如，在氧化锆中加入例如，在氧化锆中加入cao，每加一个，每加一个ca2+就产生一个就产生一个氧离子空位，其缺陷反应方程式为：氧离子空位，

18、其缺陷反应方程式为：(1-x)zro2 + xcao = zr1-xcaxo2-x + xo2- 3.快离子导体材料快离子导体材料 掺杂后形成的氧化锆基固溶体就比纯氧化锆中含有更多掺杂后形成的氧化锆基固溶体就比纯氧化锆中含有更多的空位，使得氧离子的迁移更加容易，也就改善了材料的的空位，使得氧离子的迁移更加容易，也就改善了材料的导电性。掺杂后的氧化锆也有单斜、四方固溶体相，另外导电性。掺杂后的氧化锆也有单斜、四方固溶体相，另外还形成一个室温下稳定的还形成一个室温下稳定的萤石结构的立方固溶体，是最好萤石结构的立方固溶体，是最好的传导相的传导相。3.快离子导体材料快离子导体材料 b.钙钛矿型结构的氧

19、离子导体钙钛矿型结构的氧离子导体 与萤石型结构的氧化物类似，钙钛矿型结构的氧化与萤石型结构的氧化物类似，钙钛矿型结构的氧化物物abo3（a=r2+、r3+，b=r4+、r3+）中的）中的a或或b被低价被低价阳离子部分取代时，为保持晶体电中性，也会产生氧离阳离子部分取代时，为保持晶体电中性，也会产生氧离子空位，从而出现氧离子传导，成为氧离子导体。子空位，从而出现氧离子传导，成为氧离子导体。 钙钛矿型结构固溶体的钙钛矿型结构固溶体的o2-传导性不如萤石型结构固传导性不如萤石型结构固溶体，即离子迁移数不够高，因为钙钛矿型结构晶胞空溶体，即离子迁移数不够高，因为钙钛矿型结构晶胞空隙小于萤石型。钙钛矿型

20、氧离子导体的烧结温度较低隙小于萤石型。钙钛矿型氧离子导体的烧结温度较低（约（约1400），易于制造、造价低廉。），易于制造、造价低廉。3.快离子导体材料快离子导体材料（2）na+快离子导体快离子导体： na+快离子导体在快离子导体中占有重要地位，其中以快离子导体在快离子导体中占有重要地位，其中以-al2o3为主。为主。 钠钠-al2o3化合物实际上是一个家族，都属于非化学计化合物实际上是一个家族，都属于非化学计量的偏铝酸钠盐。量的偏铝酸钠盐。-al2o3理论组成式为理论组成式为na2o11al2o3。由于发现时忽略了由于发现时忽略了na2o的存在，将它当作是的存在，将它当作是al2o3的一的一

21、种多晶变体，所以采用种多晶变体，所以采用-al2o3的表示一直至今。实际的表示一直至今。实际组成往往有过量的组成往往有过量的na2o。3.快离子导体材料快离子导体材料 研究最多的两种结构是铝酸钠的变体：研究最多的两种结构是铝酸钠的变体： -a1-a12 2o o3 3 (na (na2 2011a1011a12 2o o3 3) ) -a1-a12 2o o3 3 (na (na2 205.33a105.33a12 2o o3 3) )n-a1-a12 2o o3 3组成为组成为na2o7al2o3。n-a1-a12 2o o3 3 是掺入是掺入mgo稳定的相，组成表示为：稳定的相，组成表示为

22、：na2o4mgo15al2o3。3.快离子导体材料快离子导体材料应用：应用：1.正在研究的新型高能固体电解质蓄电池正在研究的新型高能固体电解质蓄电池-钠硫电池，钠硫电池，它的理论能量可达它的理论能量可达760wh/kg，是铅酸电池的十倍；电，是铅酸电池的十倍；电池没有自放电现象，充电效率几乎可达池没有自放电现象，充电效率几乎可达100%，充电时，充电时间较短，电池在工作中没有气体反应产生，预期有较间较短，电池在工作中没有气体反应产生，预期有较长的使用寿命，并且电池材料来源丰富，价格低廉，长的使用寿命，并且电池材料来源丰富，价格低廉，结构简单，便于制造。目前用于电动汽车动力源，火结构简单，便于

23、制造。目前用于电动汽车动力源，火车辅助电源以及电站储能装置。车辅助电源以及电站储能装置。3.快离子导体材料快离子导体材料2. 用钠用钠-al2o3隔膜，可将粗钠电解为高纯钠。这种提纯方隔膜，可将粗钠电解为高纯钠。这种提纯方法设备简单、操作方便、能量消耗小、产品质量好。适法设备简单、操作方便、能量消耗小、产品质量好。适宜于冶炼铌、钽，可满足制造高质量电容器的要求。高宜于冶炼铌、钽，可满足制造高质量电容器的要求。高纯钠可在原子能发电站上用作导热剂。纯钠可在原子能发电站上用作导热剂。3. 应用镓应用镓-al2o3隔膜，可提纯金属镓，高纯镓在电子工业隔膜，可提纯金属镓，高纯镓在电子工业上广泛用于制造砷

24、化镓和磷化镓光电两极管及太阳能电上广泛用于制造砷化镓和磷化镓光电两极管及太阳能电池。池。4. 用于制造工业钠探测器以及一些固体离子器件等方面。用于制造工业钠探测器以及一些固体离子器件等方面。3.快离子导体材料快离子导体材料（3）li+快离子导体快离子导体： 随着高能电池研究发展，以随着高能电池研究发展，以li+导体随着研究的进展，导体随着研究的进展，以锂离子导体作为隔膜材料的室温全固态锂电池，以锂离子导体作为隔膜材料的室温全固态锂电池，由于寿命长、装配方便、可以小型化等优点引起人由于寿命长、装配方便、可以小型化等优点引起人们的重视。们的重视。 锂离子导体种类很多，按离子传输的通道分为三大锂离子

25、导体种类很多，按离子传输的通道分为三大类。一维、二维、三维传导三大类。类。一维、二维、三维传导三大类。3.快离子导体材料快离子导体材料n一维传导一维传导 有有-锂霞石锂霞石(-lialsio4)和钨青铜（和钨青铜（lixnbxw1-xo3）结）结构固溶体。锂离子的迁移通道平行于构固溶体。锂离子的迁移通道平行于c轴。轴。 n二维传导二维传导 有有li-a12o3 和和li3n及其它锂的含氧酸盐，锂离子迁及其它锂的含氧酸盐，锂离子迁移一般发生在层状结构中。移一般发生在层状结构中。li-a12o3和和li3n晶体中，锂离晶体中，锂离子在垂直于子在垂直于c轴方向的轴方向的a-b面上迁移。面上迁移。 3

26、.快离子导体材料快离子导体材料 和一维导体相比，二维传导的锂离子导体的迁移途径较多，和一维导体相比，二维传导的锂离子导体的迁移途径较多，电导率较高电导率较高 ； 由于由于li-a12o3在制备、纯化和去水方面存在技术困难，所在制备、纯化和去水方面存在技术困难，所以目前尚难应用。以目前尚难应用。 虽然虽然li3n对锂的稳定性好，对锂的稳定性好，400电导率能达电导率能达10-110-2s/cm，但分解电压低但分解电压低 (25 ，为，为0.44v)，使其实际应用受到限制。，使其实际应用受到限制。3.快离子导体材料快离子导体材料n三维传导的锂离子导体是骨架结构，迁移通道更多，由于三维传导的锂离子导

27、体是骨架结构，迁移通道更多，由于传导性更好，又是各向异性，因而引起更多兴趣和更多的传导性更好，又是各向异性，因而引起更多兴趣和更多的研究。研究。 li4zn(geo4)4是具有三维传导性能最好的快离子导体。是具有三维传导性能最好的快离子导体。在在300时电导率为时电导率为0.125s/cm，并兼有烧成温度低，并兼有烧成温度低(1100-1200)、制备方便等优点。但它对熔融锂不稳定，对、制备方便等优点。但它对熔融锂不稳定，对co2和和h2o很敏感，因此使应用受到限制。很敏感，因此使应用受到限制。3.快离子导体材料快离子导体材料n应用：应用：1.锂离子固体电解质电池，其中锂碘电池由于具有高可锂离

28、子固体电解质电池，其中锂碘电池由于具有高可靠性和长寿命特性可用作心脏起搏器。目前发达国家靠性和长寿命特性可用作心脏起搏器。目前发达国家每年植入人体的心脏起搏器有每年植入人体的心脏起搏器有20-30万台，其中万台，其中90%以上是锂碘电池。以上是锂碘电池。2.以聚合物离子导体为隔膜材料的锂电池已商品化。以聚合物离子导体为隔膜材料的锂电池已商品化。3.li+在在ta2o5（氧化钽）离子导体膜上改性的电致变色（氧化钽）离子导体膜上改性的电致变色材料，现在已经用快离子导体材料涂在普通玻璃上制材料，现在已经用快离子导体材料涂在普通玻璃上制成电致变色智能玻璃成电致变色智能玻璃, 其反射率和透射率能根据温度

29、、其反射率和透射率能根据温度、光强或热点等自动调节。光强或热点等自动调节。3.快离子导体材料快离子导体材料（4）h+快离子导体快离子导体： 氢离子导体又名质子导体，由于它在能源及电化学器氢离子导体又名质子导体，由于它在能源及电化学器件等方面有良好的应用前景，引起人们的重视。件等方面有良好的应用前景，引起人们的重视。 化学储能是一种无污染的储能方式。例如将水电解得化学储能是一种无污染的储能方式。例如将水电解得到氢，再将氢作为燃料通过氢氧燃料电池发电，在此过程到氢，再将氢作为燃料通过氢氧燃料电池发电，在此过程中氢和氧又化合成水。中氢和氧又化合成水。 在这个循环中，无论是水电解在这个循环中，无论是水

30、电解 ，还是氢氧燃料电池发，还是氢氧燃料电池发电电 ，都要氢离子导体或氧离子导体作为隔膜材料，都要氢离子导体或氧离子导体作为隔膜材料 。3.快离子导体材料快离子导体材料n质子在固体中的传导可以分为两类：质子在固体中的传导可以分为两类： 第一类是在具有氢键的化合物第一类是在具有氢键的化合物(如杂多酸、有机氢离子如杂多酸、有机氢离子导体导体)中通过质子的跃迁并伴随着分子的转动而传导；中通过质子的跃迁并伴随着分子的转动而传导； 第二类是在没有氢键的化合物第二类是在没有氢键的化合物(如黏土系统、质子如黏土系统、质子-al2o3)中通过质子的间隙运动而传导。中通过质子的间隙运动而传导。3.快离子导体材料

31、快离子导体材料n应用：应用：锂离子电池锂离子电池(li-ion batteries)是是锂电池锂电池发展而来。所以在介绍发展而来。所以在介绍li-ion之前，先介绍锂电池。举例来讲，以前照相机里用的扣式电池之前，先介绍锂电池。举例来讲，以前照相机里用的扣式电池就属于锂电池。锂电池的正极材料是二氧化锰或亚硫酰氯，负极就属于锂电池。锂电池的正极材料是二氧化锰或亚硫酰氯，负极是锂。电池组装完成后电池即有电压是锂。电池组装完成后电池即有电压,不需充电。这种电池也可以不需充电。这种电池也可以充电，但循环性能不好，在充放电循环过程中，容易形成锂枝晶，充电，但循环性能不好，在充放电循环过程中，容易形成锂枝晶

32、，造成电池内部短路，所以一般情况下这种电池是禁止充电的。后造成电池内部短路，所以一般情况下这种电池是禁止充电的。后来，日本索尼公司发明了以炭材料为负极，以含锂的化合物作正来，日本索尼公司发明了以炭材料为负极，以含锂的化合物作正极的锂电池，在充放电过程中，没有金属锂存在，只有锂离子，极的锂电池，在充放电过程中，没有金属锂存在，只有锂离子，这就是锂离子电池。这就是锂离子电池。3.快离子导体材料快离子导体材料充放电过程：当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离充放电过程：当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。而

33、作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，达到负极的锂离子就极的碳呈层状结构，它有很多微孔，达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。同样，当对电池进行放电时（即我们使用电池的过程），同样，当对电池进行放电时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极。回正极的嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极。回正极的锂离子越多，放电容量越高。我们通常所说的电池容量指锂离子越多，放电容量越高。我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。在的就是放电容量。在li-ion的充放电过程中，锂离子处于从的充放电过程中

34、，锂离子处于从正极正极负极负极正极的运动状态。正极的运动状态。li-ion batteries就像一把摇就像一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就象运动员一样椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就象运动员一样在摇椅来回奔跑。所以在摇椅来回奔跑。所以li-ion batteries又叫摇椅式电池。又叫摇椅式电池。 4.快离子导体陶瓷的制备快离子导体陶瓷的制备方法方法1.固相烧结法固相烧结法6.激光溶胶法激光溶胶法2.溶胶溶胶-凝胶法凝胶法3.化学气相沉积法化学气相沉积法5.水热法水热法4.射频溅射沉积法射频溅射沉积法7.高能球磨法高能球磨法step 1step 2step 3以天然高岭石以

35、天然高岭石al4si4o10(oh)3与与na2co3、tio2、nh4h2po4、eu2o3按一定配比研细混按一定配比研细混合均匀，移入器皿中，合均匀，移入器皿中，并置于高温并置于高温炉中炉中170下，下，加热加热4h，使铵盐分解，使铵盐分解，然后升温至然后升温至700，使碳酸盐分解使碳酸盐分解 8001000, 加热加热20h得到得到, na1+2x+yalxeuy ti2-x-ysixp3-xo12 系统的钠快离系统的钠快离 子导体子导体1.固相烧结法固相烧结法 固相烧结法是一种制备快离子导体的传统方法。固相烧结法是一种制备快离子导体的传统方法。 对其进行相分析并测其电导率，该相具有较好

36、的离子对其进行相分析并测其电导率，该相具有较好的离子电导率和较低的离子导电活化能。电导率和较低的离子导电活化能。 固相烧结法制备出的快离子导电陶瓷耐高温性较强，固相烧结法制备出的快离子导电陶瓷耐高温性较强，但合成时能耗高，烧结致密度低，且烧结时金属离子易从但合成时能耗高，烧结致密度低，且烧结时金属离子易从母体中迁移出来而损失掉，从而影响陶瓷的电导率等性质。母体中迁移出来而损失掉，从而影响陶瓷的电导率等性质。2.溶胶溶胶- -凝胶法凝胶法 溶胶溶胶-凝胶法常以金属有机盐和金属醇盐为前驱体，凝胶法常以金属有机盐和金属醇盐为前驱体，用溶剂溶解成特定浓度的金属盐溶液，加热蒸发得到溶胶；用溶剂溶解成特定

37、浓度的金属盐溶液，加热蒸发得到溶胶；然后继续蒸发成凝胶，干燥后煅烧、压制成形、焙烧使其然后继续蒸发成凝胶，干燥后煅烧、压制成形、焙烧使其致密，自然冷却至室温得到导电陶瓷。致密，自然冷却至室温得到导电陶瓷。 溶胶溶胶- 凝胶法合成温度低，产品纯度高粒径小，可以凝胶法合成温度低，产品纯度高粒径小，可以减小或消除晶界电阻，且反应过程易控制。但一般要用金减小或消除晶界电阻，且反应过程易控制。但一般要用金属醇盐和有机盐为原料，其成本较高且易造成污染。属醇盐和有机盐为原料，其成本较高且易造成污染。3.化学气相沉积法化学气相沉积法 实际应用中的离子导体陶瓷正向着薄膜化的方向实际应用中的离子导体陶瓷正向着薄膜

38、化的方向发展，很多专家采用化学气相沉积法实现此目的。利发展，很多专家采用化学气相沉积法实现此目的。利用金属极化电极增强的化学气相沉积装置，以用金属极化电极增强的化学气相沉积装置，以nano3等为源物质等为源物质, 在真空及加热条件下使源物质升华后在在真空及加热条件下使源物质升华后在电极上沉积成膜电极上沉积成膜, 制备钠离子导体。该法制备出产品制备钠离子导体。该法制备出产品的晶体增长方式的晶体增长方式, 不仅依据极化电极化学气相沉积法不仅依据极化电极化学气相沉积法(pevd)机械增长机械增长, 而且能密切控制晶体的增长过程。而且能密切控制晶体的增长过程。但电化学沉积法的沉积温度很高但电化学沉积法

39、的沉积温度很高(1000 1100) , 这局这局限了该法的应用。限了该法的应用。4.射频溅射沉积法射频溅射沉积法 射频溅射沉积法制备离子导体陶瓷的关键是选择溅射射频溅射沉积法制备离子导体陶瓷的关键是选择溅射反应器。是采用高能粒子撞击靶材料表面的原子或分子，交反应器。是采用高能粒子撞击靶材料表面的原子或分子，交换能量或动量，使得靶材料表面的原子或分子从靶材表面飞换能量或动量，使得靶材料表面的原子或分子从靶材表面飞出后沉积到基片上，室温下制得产品。用该法制备了钇氧化出后沉积到基片上，室温下制得产品。用该法制备了钇氧化锆导体锆导体(ysz)膜，该膜致密性高、透明性强，且导电性比烧膜，该膜致密性高、

40、透明性强，且导电性比烧结法制备的高。还有研究者在用溅射法制备结法制备的高。还有研究者在用溅射法制备ysz导体材料过导体材料过程中，加入程中，加入euba2cu3o7-x以及以及(ca，y) ba2cu3o7-x，能根，能根据需要来控制氧的透过性，进一步制备固体燃料电池。射频据需要来控制氧的透过性，进一步制备固体燃料电池。射频溅射沉积法制备薄膜时存在的问题是，生长速率较慢溅射沉积法制备薄膜时存在的问题是，生长速率较慢(1um/h) 。5.水热法水热法 水热法首先将原料按一定配比混合、搅拌均匀，制水热法首先将原料按一定配比混合、搅拌均匀，制成浆状物，然后装入带有衬套的不锈钢反应釜中，在成浆状物，然

41、后装入带有衬套的不锈钢反应釜中，在300下晶化下晶化57天，经洗涤干燥后得目的产物。对其进天，经洗涤干燥后得目的产物。对其进行性能表征发现，产物为行性能表征发现，产物为100800nm具有一定团聚的多具有一定团聚的多晶粉末，其结晶度明显高于固相法和溶胶晶粉末，其结晶度明显高于固相法和溶胶-凝胶法制备出凝胶法制备出的样品。的样品。 目前已用水热法制备出目前已用水热法制备出la0.66-xli3xtio22.993(x0.11) 系系列氧化物快离子导体和列氧化物快离子导体和alpo4快离子导体等。快离子导体等。6.激光熔凝法激光熔凝法 激光熔凝法是利用大于相变硬化时的激光能量，使金激光熔凝法是利用

42、大于相变硬化时的激光能量，使金属表层快速熔化，并使熔化金属和基体金属之间产生很大属表层快速熔化，并使熔化金属和基体金属之间产生很大的温度梯度。激光移开后，熔化金属快速凝固，表面获得的温度梯度。激光移开后，熔化金属快速凝固，表面获得极细或超细化的组织结构，表面成分偏析减少，表层的缺极细或超细化的组织结构，表面成分偏析减少，表层的缺陷和微裂纹可被熔合。以一定配比的陷和微裂纹可被熔合。以一定配比的zro2和和mgo粉末为粉末为原料，在高温高压下压制成片，然后用原料，在高温高压下压制成片，然后用2kw的的co2激光器激光器对样片进行激光熔凝得到产品。其性能与其它系列的对样片进行激光熔凝得到产品。其性能

43、与其它系列的zro2快离子导体的相近。还有以快离子导体的相近。还有以ba(mg1/3ta2/3)o3、sr( al1/2ta1/2)o3和和sr(al1/2nb1/2)o3为原料，用激光熔凝法为原料，用激光熔凝法制备出高临界温度的离子导体薄膜，在高温下导电性能良制备出高临界温度的离子导体薄膜，在高温下导电性能良好好。7.高能球磨法高能球磨法 高能球磨是将金属或非金属以及金属和非金属的高能球磨是将金属或非金属以及金属和非金属的混合粉末与磨球一起放入球磨罐中进行球磨。磨球可混合粉末与磨球一起放入球磨罐中进行球磨。磨球可以是钢球也可以是陶瓷球如氧化锆球。高能球磨法是以是钢球也可以是陶瓷球如氧化锆球。

44、高能球磨法是利用球磨机的转动或振动，使硬球对原料进行强烈的利用球磨机的转动或振动，使硬球对原料进行强烈的撞击，研磨和搅拌，将原料粉碎为纳米级颗粒。撞击，研磨和搅拌，将原料粉碎为纳米级颗粒。 碾磨罐围绕着轴自转，并在相反的方向上环绕着公共的太阳轴碾磨罐围绕着轴自转，并在相反的方向上环绕着公共的太阳轴运转，这样的碾磨球运动产生很高的粉碎能量。运转，这样的碾磨球运动产生很高的粉碎能量。 作用在碾磨罐内壁上的离心力先带动碾磨球按罐转动的方向运动。作用在碾磨罐内壁上的离心力先带动碾磨球按罐转动的方向运动。在这个过程中，由于碾磨罐内壁和球的速度不同而产生强摩擦力作用在这个过程中，由于碾磨罐内壁和球的速度不

45、同而产生强摩擦力作用在罐内样品上。随着旋转带动速度增加，自转偏向力使得球的运动从在罐内样品上。随着旋转带动速度增加，自转偏向力使得球的运动从罐壁位置移开；碾磨球开始在罐内运动，并撞击样品于运动中的罐壁，罐壁位置移开；碾磨球开始在罐内运动，并撞击样品于运动中的罐壁，这时就释放出极大量的冲击动量，使其具有高强度粉碎效果。这时就释放出极大量的冲击动量，使其具有高强度粉碎效果。5.展望展望 快离子导体在能源、冶金、环境保护、电化学器件等快离子导体在能源、冶金、环境保护、电化学器件等各个领域中有着广阔的应用前景，对快离子导体的研究已经各个领域中有着广阔的应用前景，对快离子导体的研究已经成为材料研究中一个

46、专门领域。从材料的使用性能来讲，离成为材料研究中一个专门领域。从材料的使用性能来讲，离子导体材料必须具备以下条件：在使用温度下具有高的离子子导体材料必须具备以下条件：在使用温度下具有高的离子电导率；在贮藏温度下具有低的离子电导率；可忽略的电子电导率；在贮藏温度下具有低的离子电导率；可忽略的电子电导；与电极材料结合时的稳定性以及大规模生产的可操作电导；与电极材料结合时的稳定性以及大规模生产的可操作性。为了研制出真正实用的快离子导体陶瓷材料，还需在以性。为了研制出真正实用的快离子导体陶瓷材料，还需在以下方面进行深入讨论：下方面进行深入讨论：1.离子导体纳米材料的合成及材料的结构与性能的研究。离子导体纳米材料的合成及材料的结构与性能的研究。纳米材料的结构和各种小尺寸效应使其表现出来的物纳米材料的结构和各种小尺寸效应使其表现出来的物性和常规的材料有着非常显著地差异。对于快离子导性和常规的材料有着非常显著地差异。对于快离子导体陶瓷材料，制备纳米材料可以有利于晶界电导率的体陶瓷材料，制备纳米材料可以有利于晶界电导率的提高，并可以使从低温非导电相到高温导电相的相变提高，并可以使从低温非导电相到高温导电相的相变温度降低；