陶瓷材料電學(xué)性能

1、陶瓷材料電學(xué)性能陶瓷材料電學(xué)性能Shandong University范潤華范潤華材料液固結(jié)構(gòu)演變與加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室材料液固結(jié)構(gòu)演變與加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(MLSH)山東大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院無機(jī)非金屬材料研究所山東大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院無機(jī)非金屬材料研究所天津力神電池股份有限公司學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)u關(guān)于電學(xué)物理性能參數(shù)關(guān)于電學(xué)物理性能參數(shù)u超材料超材料(metamaterials)及其對(duì)材料研究的啟示及其對(duì)材料研究的啟示u高介材料高介材料與與電容器儲(chǔ)能電容器儲(chǔ)能u逾滲逾滲與與導(dǎo)體導(dǎo)體- -絕緣體復(fù)合材料電學(xué)性能絕緣體復(fù)合材料電學(xué)性能u 固體電解質(zhì)的若干問題固體電解質(zhì)的若干問題u 結(jié)束語結(jié)束語提綱

2、2Shandong University2Insititute of Inorganic Nonmetallic M作用物理量作用物理量感應(yīng)物理量感應(yīng)物理量公式公式材料內(nèi)部的變化材料內(nèi)部的變化性能參數(shù)性能參數(shù)性能類別性能類別電場電場E電流密度電流密度JJ= E荷電粒子遠(yuǎn)距離荷電粒子遠(yuǎn)距離的移動(dòng)的移動(dòng)電導(dǎo)率電導(dǎo)率導(dǎo)電性能導(dǎo)電性能極化強(qiáng)度極化強(qiáng)度PP=( r-1) 0E荷電粒子短距離荷電粒子短距離的移動(dòng)的移動(dòng)介電常數(shù)介電常數(shù)介電性能介電性能材料形變材料形變 =d E偶極矩的變化偶極矩的變化壓電常數(shù)壓電常數(shù)壓電性能壓電性能n按電學(xué)功能，陶瓷分為絕緣陶瓷、介電陶瓷、壓電陶瓷、鐵電陶瓷、半導(dǎo)體陶瓷、電解

3、質(zhì)陶瓷、導(dǎo)電陶瓷、超導(dǎo)陶瓷等。電場對(duì)材料的作用3Shandong University3Insititute of Inorganic Nonmetallic M關(guān)于電學(xué)物理性能參數(shù)p兩類荷電粒子兩類荷電粒子電子或空穴 遷移率高 質(zhì)量輕離子或空位 遷移率低 質(zhì)量重p電介質(zhì)與電解質(zhì)電介質(zhì)與電解質(zhì)i CU材料在電場作用下，表現(xiàn)為導(dǎo)電或極化，分別用電導(dǎo)率電導(dǎo)率和介電常數(shù)介電常數(shù)衡量。電荷的遷移電荷的遷移。磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率( )是材料對(duì)一個(gè)外加磁場線性反應(yīng)的磁化程度，實(shí)際上反映了磁化的難易。電子旋轉(zhuǎn)電子旋轉(zhuǎn)。 = - i 代表儲(chǔ)存電能能力, 反映了電損耗 = - i 代表儲(chǔ)存磁能的能力， 反映了磁損耗關(guān)于

4、電學(xué)物理性能參數(shù)4Shandong University4Insititute of Inorganic Nonmetallic MGUUp交變電場條件下交變電場條件下關(guān)于電學(xué)物理性能參數(shù)金屬也絕緣金屬亮晶晶微波爐防護(hù)磁性存極限5Shandong University5Insititute of Inorganic Nonmetallic M電磁波譜 Double Negative Materials (DNMs) having simultaneous negative permittivity and permeability 2nnWhen 0 and 0 ( 0 , 0)( 0 , 0

5、)n 0 ( 0 , 0)( 0 , 0),HEkEHkMaxwells equation:超材料及其對(duì)材料研究的啟示超材料及其對(duì)材料研究的啟示6Shandong University6Insititute of Inorganic Nonmetallic M DNMs open a new field in physics, engineering, material science and optics7MLSHShandong University7 超材料及其對(duì)材料研究的啟示超材料及其對(duì)材料研究的啟示8MLSHShandong University8 In electromagneti

6、sm (covering areas like optics and photonics), a meta material (or metamaterial) is an object that gains its (electromagnetic) material properties from its structure rather than inheriting them directly from the materials it is composed of. This term is particularly used when the resulting material

7、has properties not found in naturally formed substances.Metamaterials realized based on split ring resonators- Resonant Approach towards DNM超材料及其對(duì)材料研究的啟示超材料及其對(duì)材料研究的啟示正在連接通話中1000uW/cm2 5uW/cm2兩類雙負(fù)材料兩類雙負(fù)材料l損耗型損耗型 基于金屬的等離體子振蕩，頻帶寬，可調(diào)性好l透明型透明型 基于各種介電諧振和磁諧振，通帶較窄。研究熱點(diǎn)研究熱點(diǎn)。超材料及其對(duì)材料研究的啟示超材料及其對(duì)材料研究的啟示9MLSHSha

8、ndong University9 10MLSHShandong University10 Double Negative Materials, DNMs Left-handed materials, LHMsMetamaterials (超材料超材料?)Negative Refraction Index, NRI Backward Wave Media, BWMIs it possible for “true” materials rather than metamaterials to have double negative properties超材料及其對(duì)材料研究的啟示超材料及其對(duì)材料

9、研究的啟示UCSD, PRL 84, 4184 (2000)世界上第一塊MetamaterialsRandom composites for double negative materials11MLSHShandong University11 Z.C.Shi, R.H.Fan* et al, Advanced Materials, 2012,24,23492352超材料及其對(duì)材料研究的啟示超材料及其對(duì)材料研究的啟示Ni-Al2O3 Composites 12MLSHShandong University12 Ni-Al2O3 Composites Z.C.Shi, R.H.Fan* et

10、al, Advanced Materials, 2012,24,23492352超材料及其對(duì)材料研究的啟示超材料及其對(duì)材料研究的啟示13MLSHShandong University13 Ni-Al2O3 Composites Z.C.Shi, R.H.Fan* et al, Advanced Materials, 2012,24,23492352超材料及其對(duì)材料研究的啟示超材料及其對(duì)材料研究的啟示14MLSHShandong University14 Ag-Al2O3 Composites Z.C.Shi, R.H.Fan et al, APL 2011,99(1):071127超材料及其對(duì)

11、材料研究的啟示超材料及其對(duì)材料研究的啟示15MLSHShandong University15 (a)(b)(c)(d)Effect of silver content on the frequency dependence of impedance (a, b) and permittivity (c, d)Z.C.Shi, R.H.Fan et al, APL 2011,99(1):071127超材料及其對(duì)材料研究的啟示超材料及其對(duì)材料研究的啟示MLSHShandong University16 Silver particleAluminaAirVacuum(a)(d)(b)(c)Nume

12、rical simulation (a, b) and equivalent circuit analysis (c, d) resultsZ.C.Shi, R.H.Fan et al, APL 2011,99(1):071127超材料及其對(duì)材料研究的啟示超材料及其對(duì)材料研究的啟示17MLSHShandong University17 20304050607080FA10FA20FA40FA50 Intensity(Relative)2 degreeFe(FexAl1-x)2O3Fe3O4FA60Fe-FeAl2O4-Fe3O4-Al2O3 Bulk Nanocomposites 超材料及其對(duì)

13、材料研究的啟示超材料及其對(duì)材料研究的啟示18MLSHShandong University18 SampleSubspectrumIS/mms-1QS/mms-1Magnetic field/TLine widthA/%FA20Fe Sextet0.000.0033.140.2840.5Fe3O4 Sextet0.450.1444.280.5813.7Fe3+ Doublet(1)0.300.53-0.3735.2Fe2+ Doublet(2)0.831.83-0.5810.5-10-50510 Relative Intensity Velocity (mm/s)FA20 -Fe 16.5mo

14、l.%Fe3O4 1.9mol.%FeAl2O4 4.3mol.%-(Fe0.085Al0.915)2O3 77.3mol.%超材料及其對(duì)材料研究的啟示超材料及其對(duì)材料研究的啟示The permittivity of metal is given by)(1)(2iepeepmne022Plasma frequency:where n is the electron density, and me is the electron massDamping factor: 0where is the electric conductivity In the visible region, () i

15、s negative for most metals. At lower frequencies, permittivity is imaginary.(typically in the UV region)19MLSHShandong University19 超材料及其對(duì)材料研究的啟示超材料及其對(duì)材料研究的啟示p讀書不迷信書讀書不迷信書負(fù)介電與等離體振蕩特性負(fù)介電與等離體振蕩特性l材料電阻率的影響l導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的形成l負(fù)介電常數(shù)可能與自由電子的等離體振蕩有關(guān)Relaxation Frequency ( 1013Hz)Plasmon Frequency ( 1015Hz)Imaginery Pa

16、rtReal Part PermittivityFrequency高頻或微波等離體子的激發(fā)？高頻或微波等離體子的激發(fā)？小的小的 值值相關(guān)理論模型相關(guān)理論模型lDrude模型l HFSS電磁仿真l等效電路分析l等效介質(zhì)理論l逾滲模型MLSHShandong University20 超材料及其對(duì)材料研究的啟示超材料及其對(duì)材料研究的啟示高頻磁極限與磁共振高頻磁極限與磁共振MLSHShandong University21 超材料及其對(duì)材料研究的啟示超材料及其對(duì)材料研究的啟示負(fù)磁導(dǎo)率與低阻尼磁共振負(fù)磁導(dǎo)率與低阻尼磁共振磁性顆粒的尺度、體積分?jǐn)?shù)疇壁共振、自然共振、鐵磁共振、交換共振，阻尼系數(shù)和共振行為

17、磁譜截止頻率、磁結(jié)構(gòu)本征參數(shù)抗磁性？人工磁性？Metamaterails性能可設(shè)計(jì)周期性與無序性本征性質(zhì)與人工性質(zhì)介電常數(shù)的正與負(fù)電與磁超材料及其對(duì)材料研究的啟示超材料及其對(duì)材料研究的啟示MLSHShandong University22 5月2日，材料液固結(jié)構(gòu)演變與加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室無機(jī)非金屬材料方向課題組在雙負(fù)材料研究方面取得重要進(jìn)展，相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在先進(jìn)材料雜志上（影響因子10.88）。從2006年開始，山東大學(xué)范潤華等人在國際上較早開展了工程材料的雙負(fù)性探索。先進(jìn)材料給予較高評(píng)價(jià)：工程材料的雙負(fù)性很新穎，作者開展了極具挑戰(zhàn)性的工作，研究富有特色，開辟了探索雙負(fù)材料的新途徑。具有雙負(fù)

18、性質(zhì)的工程材料，一方面可豐富雙負(fù)材料的內(nèi)涵，具有理論意義；另一方面在通訊、隱身、儲(chǔ)能等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。這 低頻：高低頻：高 ，較大的，較大的tg 高頻高頻低介低介( 1012cm）24Shandong University24Insititute of Inorganic Nonmetallic M高介材料高介材料與與電容器儲(chǔ)能電容器儲(chǔ)能電容器瓷材料類別電容器瓷材料類別的值分的值分按按 按主晶相分按主晶相分鈮鉍鋅系：鈮鉍鋅系：ZnOBi2O3-Nb2O5鋯酸鹽瓷：鋯酸鹽瓷：CaZrO3錫酸鹽瓷：錫酸鹽瓷：CaSnO3、 SrSnO3鈦酸鹽瓷：鈦酸鹽瓷：CaTiO3、SrTiO3、MgTi

19、O3金紅石瓷：金紅石瓷：TiO20003332：、：、：CaZrO3SrSnO3CaSnO3MgTiO3SrTiOCaTiOTiOBaO4TiO2溫度每變化溫度每變化1時(shí)介電系數(shù)的相對(duì)變化率時(shí)介電系數(shù)的相對(duì)變化率25Shandong University25Insititute of Inorganic Nonmetallic M高介材料高介材料與與電容器儲(chǔ)能電容器儲(chǔ)能電介質(zhì)的極化電介質(zhì)的極化- + - + - + - +- + - + - + - +- + - + - + - +- + - + - + - +-P iiENNVP EENi01 極化強(qiáng)度極化強(qiáng)度: :介電常數(shù)介電常數(shù): :有有

20、關(guān)關(guān)系系。與與iEN, 26Shandong University26Insititute of Inorganic Nonmetallic M高介材料高介材料與與電容器儲(chǔ)能電容器儲(chǔ)能+-EE=0原子核原子核電子電子極化前極化前極化后極化后304re離子晶體中主要是離子晶體中主要是電子位移極化電子位移極化與與離子位移極化。離子位移極化。2r27Shandong University27Insititute of Inorganic Nonmetallic M高介材料高介材料與與電容器儲(chǔ)能電容器儲(chǔ)能 TiO2、CaTiO3以電子位移極化為主TiO6八面體，八面體，Ti4+高價(jià)、小半徑高價(jià)、小半徑

21、離離子位移極化子位移極化強(qiáng)大的局部內(nèi)電場強(qiáng)大的局部內(nèi)電場EiTi4+，O2- 極化率大極化率大電子位移極化電子位移極化為主為主0 Tn（距離（距離） TV（熱膨脹）（熱膨脹）（r+r-）a（極化率）按（極化率）按（r+r-）3介電常數(shù)的對(duì)數(shù)混合法則介電常數(shù)的對(duì)數(shù)混合法則2211lnlnlnxx 2121xx 121 xx 對(duì)于對(duì)于n相系統(tǒng)：相系統(tǒng)：1.ln.lnlnln2122112211nnnnnxxxxxxxxx30Shandong University30Insititute of Inorganic Nonmetallic M高介材料高介材料與與電容器儲(chǔ)能電容器儲(chǔ)能p絕緣體的半導(dǎo)化：絕

22、緣體的半導(dǎo)化： 摻雜摻雜價(jià)控半導(dǎo)體陶瓷：價(jià)控半導(dǎo)體陶瓷：用不同于晶格離子價(jià)態(tài)的雜質(zhì)取用不同于晶格離子價(jià)態(tài)的雜質(zhì)取代晶格離子，形成局部能級(jí)，使絕緣體實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)化。代晶格離子，形成局部能級(jí)，使絕緣體實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)化。摻雜離子需滿足的條件：摻雜離子需滿足的條件：雜質(zhì)離子應(yīng)具有和被取代雜質(zhì)離子應(yīng)具有和被取代離子幾乎相同的尺寸；雜質(zhì)離子本身有固定的價(jià)態(tài)。離子幾乎相同的尺寸；雜質(zhì)離子本身有固定的價(jià)態(tài)。31Shandong University31Insititute of Inorganic Nonmetallic Materials高介材料高介材料與與電容器儲(chǔ)能電容器儲(chǔ)能BaTiO3的半導(dǎo)化通過添加微量的稀土元

23、素，的半導(dǎo)化通過添加微量的稀土元素，在其禁帶間形成雜質(zhì)能級(jí)，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)化。添在其禁帶間形成雜質(zhì)能級(jí)，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)化。添加加 La的的BaTiO3原料在空氣中燒成。原料在空氣中燒成。反應(yīng)式如下反應(yīng)式如下:Ba2+Ti 4+O2-3+xLa3+=Ba2+1-xLa3+x(Ti 4+1-xTi3+x)O2-3+xBa2+缺陷反應(yīng)：缺陷反應(yīng)： La2O3 =2LaBa +2e +2Oo +1/2O2 (g) + + +EgEcEvEDED+LaBa 弱束縛電弱束縛電子和自由子和自由電子電子32Shandong University32Insititute of Inorganic Nonmetallic M

24、aterials高介材料高介材料與與電容器儲(chǔ)能電容器儲(chǔ)能氧化鎳中加入氧化鋰氧化鎳中加入氧化鋰，空氣中燒結(jié)，反應(yīng)式如下：，空氣中燒結(jié)，反應(yīng)式如下： x/2 Li2O+(1-x) NiO+x/4 O2=(Li+xNi2+1-2xNi2+x)O2- 缺陷反應(yīng)：缺陷反應(yīng)： Li2O +1/2 O2 (g)=2LiNi +2h +2Oo 添加添加 Nb實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)BaTiO3的半導(dǎo)化的半導(dǎo)化，反應(yīng)式如下：，反應(yīng)式如下：Ba2+Ti 4+O2-3+yNb5+=Ba2+Nb5+y(Ti4+1-2yTi3+y)O2-3+yBa2+缺陷反應(yīng)：缺陷反應(yīng)： Nb2O5 =2NbTi +2e +4Oo +1/2O2 (g

25、) -EgEcEvEAEA-價(jià)電子價(jià)電子2LiNi 2h 33Shandong University33Insititute of Inorganic Nonmetallic Materials高介材料高介材料與與電容器儲(chǔ)能電容器儲(chǔ)能34p絕緣體的半導(dǎo)化：絕緣體的半導(dǎo)化：非化學(xué)計(jì)量比缺陷非化學(xué)計(jì)量比缺陷將BaTiO3在還原氣氛中處理，生成氧空位而使部分Ti4+還原為Ti3+，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)化這種半導(dǎo)化方法往往用于生產(chǎn)晶界層電容器，可使晶粒電阻率很低，從而制得視在介電系數(shù)很高（20000）的晶界電容器。34Shandong University34Insititute of Inorganic Non

26、metallic Materials高介材料高介材料與與電容器儲(chǔ)能電容器儲(chǔ)能金屬陶瓷金屬陶瓷 Cermet:metal-ceramic composites室溫電阻率: 金屬 10-6 cm 陶瓷 1013 -1020 cm逾滲逾滲與與復(fù)合材料電復(fù)合材料電導(dǎo)導(dǎo)3535Shandong University35Insititute of Inorganic Nonmetallic MaterialsWC Co phase diagram WC-15%Co聚合物中聚合物中Al和和Fe不同不同含量的電阻率含量的電阻率3636Shandong University36Insititute of Ino

27、rganic Nonmetallic Materials逾滲逾滲與與復(fù)合材料電復(fù)合材料電導(dǎo)導(dǎo)與，導(dǎo)電相時(shí)，突然突然由絕緣體變成導(dǎo)體， “”(Percolation threshold)。逾滲閾值與的尺寸、分布、形狀以及制造工藝有很大關(guān)系一塊多孔的石頭會(huì)不會(huì)漏水？3737Shandong University37Insititute of Inorganic Nonmetallic Materials逾滲逾滲與與復(fù)合材料電復(fù)合材料電導(dǎo)導(dǎo) 逾滲理論主要處理的是無序系統(tǒng)中由于相互連接程度相互連接程度的變化所引起的效應(yīng)。這種效應(yīng)往往伴隨著尖銳的相變，即長程聯(lián)結(jié)性的突然出現(xiàn).這種逾滲轉(zhuǎn)變使它成為描述多種

28、不同現(xiàn)象的一個(gè)自然模型.借助它可以闡明相變和臨界現(xiàn)象的一些最重要的物理概念.3838Shandong University38Insititute of Inorganic Nonmetallic Materials逾滲逾滲與與復(fù)合材料電復(fù)合材料電導(dǎo)導(dǎo)此電路中有電流流過嗎？3939Shandong University39Insititute of Inorganic Nonmetallic Materials逾滲逾滲與與復(fù)合材料電復(fù)合材料電導(dǎo)導(dǎo)40MLSHShandong University40 M.Gao, R.H.Fan et al, J Am Ceram Soc, 2012, 95(

29、1): 67-70逾滲逾滲與與復(fù)合材料電復(fù)合材料電導(dǎo)導(dǎo)Fe-Al2O3 金屬陶瓷金屬陶瓷逾滲逾滲區(qū)之謎區(qū)之謎逾滲逾滲區(qū)細(xì)分區(qū)細(xì)分導(dǎo)電相類別導(dǎo)電相類別導(dǎo)電相形貌導(dǎo)電相形貌41MLSHShandong University41 逾滲逾滲與與復(fù)合材料電復(fù)合材料電導(dǎo)導(dǎo)鋰電極包碳 使用低維碳，降低逾滲閾值。碳的連通性是關(guān)鍵碳的連通性是關(guān)鍵p 固體電解質(zhì)固體電解質(zhì)離子化合物一般屬于絕緣體，電導(dǎo)率很低，如離子化合物一般屬于絕緣體，電導(dǎo)率很低，如NaCl在室溫時(shí)在室溫時(shí)的電導(dǎo)率只有的電導(dǎo)率只有10-15S/cm，在，在200時(shí)也只有時(shí)也只有10-8S/cm。有一類離子化合物，在室溫下電導(dǎo)率可以達(dá)到有一類離子化

30、合物，在室溫下電導(dǎo)率可以達(dá)到10-2S/cm,幾乎幾乎可與熔鹽的電導(dǎo)率比美。將這類電導(dǎo)率高達(dá)可與熔鹽的電導(dǎo)率比美。將這類電導(dǎo)率高達(dá)10-1 10-2S/cm，活化能低至活化能低至0.10.2eV的材料稱快離子導(dǎo)體或固體電解質(zhì)。的材料稱快離子導(dǎo)體或固體電解質(zhì)。固體電解質(zhì)陶瓷是集金屬電學(xué)性質(zhì)和陶瓷結(jié)構(gòu)特性于一身的固體電解質(zhì)陶瓷是集金屬電學(xué)性質(zhì)和陶瓷結(jié)構(gòu)特性于一身的高功能材料，具有優(yōu)良的抗氧化、抗腐蝕、耐高溫等特點(diǎn)。高功能材料，具有優(yōu)良的抗氧化、抗腐蝕、耐高溫等特點(diǎn)。固體電解質(zhì)的若干問題固體電解質(zhì)的若干問題42Shandong University42Insititute of Inorganic

31、Nonmetallic Mp 固體電解質(zhì)發(fā)展簡史固體電解質(zhì)發(fā)展簡史1889年發(fā)現(xiàn)摻雜的氧化鋯是氧離子導(dǎo)體，年發(fā)現(xiàn)摻雜的氧化鋯是氧離子導(dǎo)體，1900年人們用摻雜的氧化鋯作為不需要惰性氣體年人們用摻雜的氧化鋯作為不需要惰性氣體保護(hù)的燈絲使用，稱作能斯特保護(hù)的燈絲使用，稱作能斯特(Nernst)光源光源 。1914年，塔板特和洛倫茲發(fā)現(xiàn)銀的化合物年，塔板特和洛倫茲發(fā)現(xiàn)銀的化合物AgI在恰低于其熔點(diǎn)時(shí)，電導(dǎo)率要比熔融態(tài)的電導(dǎo)在恰低于其熔點(diǎn)時(shí)，電導(dǎo)率要比熔融態(tài)的電導(dǎo)率高約率高約20；1935年，斯托克發(fā)現(xiàn)了在年，斯托克發(fā)現(xiàn)了在146時(shí)，時(shí)，AgI從低溫從低溫相轉(zhuǎn)為高溫相轉(zhuǎn)為高溫相，電導(dǎo)率增加了三個(gè)數(shù)量級(jí)

32、相，電導(dǎo)率增加了三個(gè)數(shù)量級(jí)以上，達(dá)到以上，達(dá)到1.3S/cm。并首次提出了熔融晶格導(dǎo)電模型；。并首次提出了熔融晶格導(dǎo)電模型；1961年，發(fā)現(xiàn)了以銀離子為載流子的復(fù)合年，發(fā)現(xiàn)了以銀離子為載流子的復(fù)合AgI化合物和以鈉離子為載流子的化合物和以鈉離子為載流子的-Al2O3快離子導(dǎo)快離子導(dǎo)體，在室溫或不太高的溫度下，這兩類化合物的離子電導(dǎo)率高達(dá)體，在室溫或不太高的溫度下，這兩類化合物的離子電導(dǎo)率高達(dá)10-1S/cm。這把快離子導(dǎo)體。這把快離子導(dǎo)體的應(yīng)用從高溫推向室溫；的應(yīng)用從高溫推向室溫；20世紀(jì)世紀(jì)70年代，美國年代，美國ford汽車公司已把汽車公司已把Na-Al2O3快離子導(dǎo)體制成快離子導(dǎo)體制成N

33、a-S電池電池1991年索尼公司發(fā)布首個(gè)商用鋰離子電池。隨后，鋰離子電池革新了消費(fèi)電子產(chǎn)品的面貌年索尼公司發(fā)布首個(gè)商用鋰離子電池。隨后，鋰離子電池革新了消費(fèi)電子產(chǎn)品的面貌。此類以。此類以鈷酸鋰鈷酸鋰作為正極材料的電池，至今仍是便攜電子器件的主要電源。作為正極材料的電池，至今仍是便攜電子器件的主要電源。自此以后，國際上對(duì)快離子導(dǎo)體開展了極為廣泛的研究：一方面對(duì)已發(fā)現(xiàn)的快離子導(dǎo)體進(jìn)自此以后，國際上對(duì)快離子導(dǎo)體開展了極為廣泛的研究：一方面對(duì)已發(fā)現(xiàn)的快離子導(dǎo)體進(jìn)行深入工作，同時(shí)進(jìn)一步探索新的離子導(dǎo)體；另一方面，從晶體結(jié)構(gòu)、離子傳導(dǎo)機(jī)理及傳行深入工作，同時(shí)進(jìn)一步探索新的離子導(dǎo)體；另一方面，從晶體結(jié)構(gòu)、離

34、子傳導(dǎo)機(jī)理及傳導(dǎo)動(dòng)力學(xué)等角度進(jìn)行廣泛研究，以期獲得高離子電導(dǎo)的結(jié)構(gòu)條件及對(duì)快離子傳導(dǎo)理論獲得導(dǎo)動(dòng)力學(xué)等角度進(jìn)行廣泛研究，以期獲得高離子電導(dǎo)的結(jié)構(gòu)條件及對(duì)快離子傳導(dǎo)理論獲得一個(gè)統(tǒng)一概括的認(rèn)識(shí)。一個(gè)統(tǒng)一概括的認(rèn)識(shí)。固體電解質(zhì)的若干問題固體電解質(zhì)的若干問題43Shandong University43Insititute of Inorganic Nonmetallic M44Shandong University44Insititute of Inorganic Nonmetallic Mp 離子電導(dǎo)離子電導(dǎo)固有缺陷：固有缺陷： Frenkel缺陷缺陷和和Schottky缺陷缺陷雜質(zhì)缺陷雜質(zhì)缺陷：

35、摻雜和：摻雜和非化學(xué)計(jì)量比非化學(xué)計(jì)量比缺陷缺陷p 提高離子電導(dǎo)率的途徑提高離子電導(dǎo)率的途徑提高提高缺陷濃度缺陷濃度晶體結(jié)構(gòu)：晶體結(jié)構(gòu)：剛性骨架內(nèi)具有較強(qiáng)的共價(jià)鍵，而骨架離子與傳剛性骨架內(nèi)具有較強(qiáng)的共價(jià)鍵，而骨架離子與傳導(dǎo)離子之間導(dǎo)離子之間是較弱的離子鍵，使傳導(dǎo)離子活化能低，易于遷是較弱的離子鍵，使傳導(dǎo)離子活化能低，易于遷移。移。固體電解質(zhì)材料納米多孔化。固體電解質(zhì)材料納米多孔化。玻璃也許是值得關(guān)注的新型固體電解質(zhì)玻璃也許是值得關(guān)注的新型固體電解質(zhì)固體電解質(zhì)的若干問題固體電解質(zhì)的若干問題p 固體電解質(zhì)分類固體電解質(zhì)分類快離子導(dǎo)體中的載流子主要是離子，并且其在固體中可流動(dòng)快離子導(dǎo)體中的載流子主要是

36、離子，并且其在固體中可流動(dòng)的數(shù)量相當(dāng)大。的數(shù)量相當(dāng)大。陽離子導(dǎo)體陽離子導(dǎo)體Ag+Cu+ Li+Na+ H+陰離子導(dǎo)體陰離子導(dǎo)體 F-O2- 按導(dǎo)電離子按導(dǎo)電離子類型分類類型分類45Shandong University45Insititute of Inorganic Nonmetallic M一維通道一維通道二維通道二維通道Na-Al2O3 三維網(wǎng)絡(luò)通道三維網(wǎng)絡(luò)通道固體電解質(zhì)的若干問題固體電解質(zhì)的若干問題螢石型氧化鋯快離子導(dǎo)體結(jié)構(gòu)螢石型氧化鋯快離子導(dǎo)體結(jié)構(gòu)46Shandong University46Insititute of Inorganic Nonmetallic Mp氧離子導(dǎo)體氧離子

37、導(dǎo)體適用于適用于600-1600，高、中氧分壓區(qū)間的螢石型和鈣鈦礦型結(jié)，高、中氧分壓區(qū)間的螢石型和鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的氧化物。已廣泛用于傳感器。構(gòu)的氧化物。已廣泛用于傳感器。固體電解質(zhì)的若干問題固體電解質(zhì)的若干問題47Shandong University47Insititute of Inorganic Nonmetallic Mp 鈉離子導(dǎo)體鈉離子導(dǎo)體鈉鈉-Al2O3類化合物，屬于非化學(xué)計(jì)量的偏鋁酸鈉鹽。組成式類化合物，屬于非化學(xué)計(jì)量的偏鋁酸鈉鹽。組成式為為Na2O11Al2O3。由于發(fā)現(xiàn)時(shí)忽略了。由于發(fā)現(xiàn)時(shí)忽略了Na2O的存在，將它當(dāng)作的存在，將它當(dāng)作是是Al2O3的一種多晶變體，所以采用的一

38、種多晶變體，所以采用-Al2O3的表示一直至今的表示一直至今。實(shí)際組成往往有過量的。實(shí)際組成往往有過量的Na2O。已用于鈉硫電池。已用于鈉硫電池。研究最多的兩種結(jié)構(gòu)是鋁酸鈉的變體：研究最多的兩種結(jié)構(gòu)是鋁酸鈉的變體： -A12O3 (Na2011A12O3) -A12O3 (Na205.33A12O3) -A12O3組成為組成為Na2O7Al2O3。 -A12O3 是摻入是摻入MgO穩(wěn)定的相，穩(wěn)定的相，Na2O4MgO15Al2O3。固體電解質(zhì)的若干問題固體電解質(zhì)的若干問題48Shandong University48Insititute of Inorganic Nonmetallic Mp 鋰離子導(dǎo)體鋰離子導(dǎo)體一維傳導(dǎo)一維傳導(dǎo)。-鋰霞石鋰霞石(-LiAlSiO4)和鎢青銅和鎢青銅（LixNbxW1-xO3）固溶體。鋰離子的遷移通道平行于固溶體。鋰離子的遷移通道平行于c軸。軸。二維傳導(dǎo)二維傳導(dǎo)。 有有Li-A12O3 和和Li3N及其它鋰的含氧酸鹽，鋰離及其它鋰的含氧酸鹽，鋰離子遷移一般發(fā)生在層狀結(jié)構(gòu)