奇特的导电固体电解质.docx

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1、奇特的导电固体电解质奇特的导电固体电解质2011年10月12日——兼议中学化学教材中的电解质概念陕西师范大学化学系汪群拥尹占兰海城市华于峪镁矿子校周敏17/17__来源网络整理，仅作为学习参考众所周知，金属是很好的导电材料，电线电缆都是用铜或铝做成的，因为金属中存在大量的自由电子，当把金属做成导线，接通电源后，金属中的自由电子就按一定方向运动而导电，这种情况就叫做电子导体。对于熔融的盐和碱或者盐、碱和酸用水稀释得到的溶液也能导电。这是由于熔体或溶液中存在的离子产生移动的结果，因此这种导电称为离子导电。实际上，导体通常分

2、为电子导体和离子导体两大类。电子导体的载流子是电子及空穴，离子导体又称电解质载流子是离子及其空穴。然而，实际上，电解质不仅限于熔盐或溶液，而且还有固体电解质。固体电解质是近20多年来才发展起来的一种新型的固体材料。从它一问世就与能源科学建立起密切联系。固体电解质已经在燃料电池、高能量密度电池、固体电池、电化学器件、电化学传感器、离子选择电极及彩色显示磁流体发电等有关领域中获得了广泛地应用。随着科学研究的深入和新材料的不断涌现，固体电解质必将获得愈来愈广泛的应用。例如，在微电子学方面，有人设想将微型固体电池引入集成电路，

3、从而制成带电源的元件，这在电子技术上无疑具有深远的意义。固体电解质的研究在理论上也提出许多新问题。它的离子导电性主要的不是由于热缺陷，而是由于微观结构上的固有特点。当然，其导电机理还有待于进一步探索和研究，一个崭新的学科分支叫固体离子学已形成，这是一门17/17__来源网络整理，仅作为学习参考涉及固体物理、固体化学、材料科学的新的边缘学科。1980年，国际性学术刊物《固体离子学》创刊。先后在国内外已举行过多次固体离子学学术会议。一、固体电解质的概念17/17__来源网络整理，仅作为学习参考什么是固体电解质,为什么具有高

4、的电导率,与正、负离子同时导电的熔融的或溶液的电解质有什么不同,固体电解质又叫“快离子导体”或称“超离子导体。首先，它的离子(包括空位)电导率σ?10-2ω-1cm-1;其次，活化能要小于0.5ev(ea?0.5ev)数量级;再次，离子(包括其空位)的迁移数必须大于99,，即对离子是导体，对电子是绝缘体，否则，便属于离子-电子混合导体。这样离子迁移的密度非常大，高达1022cm-3，即其中大部分正离子都参加导电，其活化能约为在密堆积结构中形成一个点缺陷所需能量的1/10,1/5，这意味着导电离子很容易从一个晶格位置向邻

5、近的一个晶格位置运动，在微观上具有可以允许导电离子在其中“自由”运动的通道。而参与导电的正离子，可以填充的位置数目比它本身的数目多得多，它们在这种刚性晶格的骨架中流动，呈“准液态”随机的分布。离子晶体一般属于绝缘体。在完善的离子晶体中，没有可供导电的自由电子，而离子也都被约束在晶格结点附近作微小的振动，不能自由移动，所以不导电。只有在外电场作用下，例如碱金属卤化物离子晶体，可通过离子迁移而导电，其导电性质与电解质溶液中的电解导电类似，即伴随有化学反应发生。一般说来，在离子晶体中可迁移的离子密度是很小的，所以其离子导电性

6、是很小的。如nacl晶体在室温下电导率σ为10-14ω-1cm-1数量级，而通常认为电导率小于10-9ω-1cm-1者即属绝缘体。17/17__来源网络整理，仅作为学习参考固体电解质是一种特殊类型的离子晶体，它有很高的离子导电性，其离子电导率可达σ?10-2ω-1cm-1数量级。它的导电机理与一般的离子晶体也不同。通常认为固体电解质中并非只有一种晶格结构，而是由两种晶格构成的，即非迁移离子的刚性晶格和可迁移离子的准熔融态次晶格组成的。这种处于固态与液态之间的固体，表现出一种与两者都不同的状态。次晶格的离子在晶体内能象在

7、液体内一样，几乎毫无阻碍地自由运动。因此，从整个晶体来看，它就显示出除熔融盐或液态强电解质以外少见的高离子导电性。二、固体电解质的分类按传导电流的离子的种类，可分为三类:(1)阳离子固体电解质17/17__来源网络整理，仅作为学习参考阳离子固体电解质中，阳离子作为载流子占绝对优势，一般半径较小，质量较轻，电荷较少，通常为1。如li+，na+，k+，cu+，ag+，h+等其导体在室温下就表现出较高离子电导率。例如有一类叫多铝酸钠的晶体na?β-al2o3(化学式为na2o?11al2o3)和na?β″al2o3(化学式为

8、na2o?5al2o3)，前者在70多年以前就发现了这类物质以为它是al2o3的一种晶型，遂命名为β-al2o3，后者又叫做β″-al2o3，一直沿用至今。后来才发现，β-al2o3还含有na(li)，两者均具有层状结构，每个结构单元中有二到三层由氧离子和铝离子构成的尖晶石层。尖晶石是一种含铝、氧的矿物名称，由于多铅酸钠中这些层具