关于快离子导体介绍

[拼音]：kuailizi daoti

[外文]：fast ionic conductor

也称超离子导体，有时又叫做固体电解质。它区别于一般离子导体的最基本特征是在一定的温度范围内具有能与液体电解质相比拟的离子电导率(塼0.01Ω-1·cm-1)和低的离子电导激活能(≤0.40eV)。

1834年M.法拉第首先观察到Ag2S中的离子传输现象。但当时尚不能理解这一发现的意义。1935年发现 AgI在 147°C从低温相转变到高温相时，电导率增加了四个数量级，这个相变是由一般离子导体到快离子导体的相变。1961年合成了第一个室温快离子导体 Ag3SI。1967年前后相继发现了具有实用价值的快离子导体RbAg4I5和Na-β-AI2O3。1978年又发现了室温铜离子导体Rb4Cu16I7Cl13。由于能源问题的突出，近十几年来快离子导体受到相当广泛的重视。

快离子导体虽然是固体，但它的一个亚点阵却处于熔化状态（见液态亚点阵），因此它又具有液体的某些特性，即具有因—液二重性。固体理论中的某些传统概念和方法在这里都可能不完全适用，因而这是一个极需研究和发展的新领域。事实上，一门新兴学科──固体离子学正在形成。

多数快离子导体是无机化合物，也有不少有机材料是银、铜和氢离子的快离子导体。用于基础研究的快离子导体多数是单晶体，但实际应用时常采用多晶材料。近来又开始了非晶态快离子导体的研究工作。

快离子导体中运动离子的半径一般都比较小，研究得最多的是Ag+、Cu+、Li+、Na+、F-和O2-等的快离子导体。附表列出了一些有代表性的材料。

按照材料由一般离子相到快离子相的相变行为，可以把快离子导体分为三类：

（1）Ⅰ类。发生一级相变，相变时离子电导率有突变，典型代表是AgI。

（2）Ⅱ类。以PbF2为代表， 相转变在相当宽的温度范围内完成，离子电导率由一般离子态的值平滑地变到快离子态的值。这种相变叫做法拉第相变，相变时有比热容峰。

（3）Ⅲ类。在所研究的温度范围内未发现相变，电导率增加随温度升高按指数式，Na-β-AI2O3就是一例。

快离子导体具有特殊的晶体结构，可以看成是由两个亚点阵所构成，一个是不运动离子形成的刚性亚点阵，另一个是由运动离子构成的液态亚点阵。刚性亚点阵必须满足三个条件：

（1）刚性亚点阵中能被运动离子占据的位置数远远大于运动离子数。

（2）间隙位置之间的势垒必须足够低，以使运动离子能通过热激活从一个间隙位置跃迁到近邻的位置。

（3）能被运动离子占据的位置必须连成通道。这种通道可以是一维的，但最好是二维和三维的。

α-AgI 具有典型的快离子导体结构，X 射线结构分析表明I-离子构成体心立方点阵，而晶胞中的两个Ag+离子可以无序地分布在42个可能的间隙位置上，这些位置连接成三维通道。

快离子导体的应用是多方面的，主要是在能源和固体离子器件方面。用Na-β-Al2O3作电解质的钠-硫电池具有比铅酸电池高4～5倍的能量密度，它既可用作车辆的动力源，也可作为贮能电池使用。用氧化锆和其他快离子导体制成的气体探测器，不仅可以控制汽车发动机和锅炉燃烧室的燃烧过程以节约燃料和减少污染，而且还可以监测一些有害气体从而对环境保护作出贡献。氧离子导体和氢离子导体都可用作燃料电池的电解质隔膜，从而使可燃气体与氧气经电化学方法发生反应转变为电能。用快离子导体作成的固体电池具有自放电小、贮存寿命长和抗振动等优点，已在心脏起搏器、电子手表、计算器和一些军用设备上获得应用。近年来用快离子导体作成了超大容量电容器、定时器、库仑计和电色显示器等固体离子器件，引起人们的极大兴趣。

参考书目

1. P. Hagenmuller and W. Van Gool， Solid Electrolytes， Academic Press， New York， San Francisco and London，1978.
2. M.B.Salamon， Physics of Superionic Conductors， Springer-Verlag， Belrin， Heidelberg，New York，1979.