第五章 无机材料的电导

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1、5.1电导的物理现象5.1.1电导的宏观参数电导率与电阻率体积电阻与体积电阻率表面电阻与表面电阻率-+UIISIV瓷体电极U+-RSRVI表面电流和体积电流IS瓷体测量电极环电极高压电极GIVUIUIS体积电阻率测试线路图表面电阻测量线路图5.1.2载流子的物理特征(1)霍尔效应电子电导的特征是具有霍尔效应。沿试样x轴方向通入电流I（电流效应Jx），Z轴方向加一磁场Hz，那么在y轴方向将产生一电场Ey，这一现象称为霍尔效应。利用霍尔效应可检查材料是否存在电子电导。(2)电解效应离子电导的特征是存在电解效应。离子的迁移伴随着一定的质量变化，离子在电极附近发生电子得失，产

2、生新的物质，这就是电解现象。可以检验陶瓷材料是否存在离子电导，并且可以判定载流子是正离子还是负离子。5.1.3迁移率和导电率的一般表达式电流密度(J):单位时间（1s）通过单位截面S的电荷量.J=nqv或J=I/S由R=V/IR=ρh/SE=V/h欧姆定律最一般的形式电导率（σ）与迁移率（μ）：σ＝J/E＝nqv/E=nqμJ=E/ρ=Eσ载流子的迁移率的物理意义为：载流子在单位电场中的迁移速度。电导率的一般表达式为该式反映电导率的微观本质，即宏观电导率σ与微观载流子的浓度n，每一种载流子的电荷量q以及每种载流子的迁移率的关系。将主要依据此式来讨论电导的性能。（1）根

3、据传导离子种类：阳离子导体：银离子、铜离子、钠离子、锂离子、氢离子等；阴离子导体：氟离子、氧离子。（2）按材料的结构：根据晶体中传导离子通道的分布有一维、二维、三维。（3）从材料的应用领域：储能类、传感器类。（4）按使用温度：高温固体电解质、低温固体电解质5.2.1固体电解质的种类与基本性能1.固体电解质的种类5.2离子电导性类型特性及应用银离子导体卤化物或其它化合物（最基本的是AgI）。用银离子导体制作长寿命电池，目前以进入实用阶段铜离子导体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。钠离子导体以Na－－A

4、l2O3为主的固体电解质。－Al2O3非常容易获得。在300度左右，材料结构上的变化使得钠离子较容易在某一特定结构区域中运动。利用其离子传导性质大有潜力可挖。其电子导电率非常低，因而在储能方面应用是非常合适的材料。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。锂离子导体由于锂比钠轻，而且电极电位也更负，因而用它制作电池更容易获得高能量密度和高功率密度。其结构异常复杂，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。氢离子导体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（约200—400度），有可能在燃料电

5、池中取代氧离子隔膜材料。氧离子导体以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含量和控制化学反应。氟离子导体以CaF2为主，F-是最小的阴离子，易于迁移。结构简单，便于合成与分析，并且其电子电导很低，是制作电池时，非常显著的优点，但在高温下对电极会起腐蚀作用。快离子相的概念固体从非传导态进入传导态有三种情况：（1）正常熔化态。（2）非传导态经过一级相变进入导电态。相变前后均保持固态特性，仅结构发生变化。称这一特殊导电相为快离子相。其结构从有序向无序转变或亚晶格熔融。如：银离子、铜离子导体。（3）法拉第转变态，没有确切的相变温度，是一个温度

6、范围，在此温度范围电导率缓慢上升。例如Na2S.1/Tlg（1）（2）（3）以Ag+为例，（2）的物理图象为：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，所构成的阳离子亚晶格发生熔化；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；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容易运动。决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、骨架晶格的几何结构，能量。3.快离子导体的判据从实践中归纳出几条判据（1）晶体中必须存在一定数量活化能很低的可动离子，这些可动离子的尺寸应受到间隙位体积和开口处尺寸的限制。（2）晶

7、格中应包含能量近似相等，而数目远比传导离子数目为多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拟。（3）可动离子可驻留的间隙位之间势垒不能太高，以使传导离子在间隙位之间可以比较容易跃迁。（4）可容纳传导离子的间隙位应彼此互相连接，间隙位的分布应取共面多面体，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。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拟的离子电导率。结构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。导电相在一定的温