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历久弥新:离子导电陶瓷的“久”与“新”
2020年01月13日 发布 分类:粉体入门 点击量:739
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电子陶瓷是指应用于电子工业中制备各种电子元器件的陶瓷材料,其中,离子导电陶瓷具有能够使离子沿电场方向运动而产生高电导率的独特性能,成为电子陶瓷中的重要一员。

陶瓷为什么能导电?

众所周知,金属是很好的导电材料,电线、电缆都是用Cu或者Al做成的,这是因为金属中存在着大量的自由电子,当把金属做成导线,接通电源后,金属中的自由电子就会按照一定方向运动,电子的定向运动,便形成了电流。

那么除了金属之外,是否存在非金属导电材料呢?答案是肯定的。与金属中存在着大量自由电子不同,绝大多数陶瓷属于绝缘体,在室温或不太高的温度下,材料的导电率都比较低,电导的活化能都比较高,因而很少显示出导电性。但是,陶瓷一般又都是离子晶体,离子晶体的晶格缺陷可以使得进入空穴的离子定向运动而发生离子导电的现象。离子导电陶瓷在一定的温度条件下具有和强电解质溶液相似的离子电导特性。

1 电子导电和离子导电是按照电流载体(载流子)的区分来定义的

常见的离子导电陶瓷

离子导电陶瓷并不是非常新颖的概念。早在1834年,著名的迈克尔·法拉第首次发现了PbF2固体在常温下不导电,而在加热到明显发红发热之间会拥有较好导电能力的现象。此外,在1898年,能斯特便将ZrO2陶瓷棒作为导电材料,利用其通过氧离子导电后发光的特性制备出了能斯特灯。可以说,陶瓷作为离子导电材料具有悠久的历史。

总结而言,离子导电陶瓷是一类性能优良的电解质材料,其实质是离子在通过晶体点阵缺陷或玻璃网络结构中的隧道和通路,按一定方向运动而产生导电性的物质。常见的阳离子导电陶瓷包括β-氧化铝(Na+)、硅酸锂(Li+),常见的阴离子导电陶瓷包括氧化锆(O)、氧化钇(O)和β-氟化铝(F)。

应用

不同的陶瓷材料具有不同的离子导电特性。β-AL2O3电解质作为Na的快离子导体,可以应用在Na-S电池上,也可以作为Na离子探头的电解质材料。

2 氧化铝电解质可以作为钠离子载体应用于钠-硫电池上

3钠离子探头传感原理

氧化锆是氧离子的导体,可以作为固体电解质应用于氧传感器上。氧气含量调控是监控燃烧条件、提高燃烧效率的有力手段,而其测量的精度、测量的时间都对传感器提出了一定的要求,氧化锆作为固态电解质,在氧传感器中承担着运送导电离子的作用,目前主要的氧化锆氧传感器有检测式和直插式两种,其中直插式探头由于直接接触被测气体,测量精度高、反应时间快,而应用更为广泛。

4 日本富士ZKM型直插式氧化锆氧分析仪

此外,近年来锂电池由于使用高度易燃的有机物液体电解质,具有热稳定性差、燃点低等众多安全缺陷,而离子导电陶瓷随着锂电池技术瓶颈迟迟无法被突破而获得广泛关注,其根本原因是离子导电陶瓷可以作为固态电解质材料,有效解决锂电池充放电循环中的锂枝晶穿透问题,使得锂替代传统石墨负极材料成为可能,在安全性和电池效率两方面获得全面提升。

5为2019年由加拿大皇家科学院孙学良院士和青岛大学的郭向欣教授合作研发的“聚合物+陶瓷”多层结构固态电解质,其采用了刮刀涂敷的方式制备了LLZTO陶瓷粉体的聚合物固态电解质(粒径200nm和5um两种),添加了陶瓷材料的PIC电解质被设计为三明治结构,由于陶瓷颗粒自身机械强度大的特点,有效地抑制了锂枝晶的生长。

5 PIC-5um、CIP-200nm和三明治结构复合电解质示意图

总结

陶瓷是导电材料中较为特殊的一员,离子晶体的特点使其能够作为快离子导体,承担特定离子传输通道的作用。陶瓷离子导体的发现与应用具有悠久的历史,并且随着时代需求的变化,在锂电池技术面临发展瓶颈的今天,有望成为固态电解质的关键材料,发挥更大的作用。

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