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      歷久彌新:離子導電陶瓷的“久”與“新”
      2020年01月13日 發布 分類:粉體入門 點擊量:1964
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      電子陶瓷是指應用于電子工業中制備各種電子元器件的陶瓷材料,其中,離子導電陶瓷具有能夠使離子沿電場方向運動而產生高電導率的獨特性能,成為電子陶瓷中的重要一員。

      陶瓷為什么能導電?

      眾所周知,金屬是很好的導電材料,電線、電纜都是用Cu或者Al做成的,這是因為金屬中存在著大量的自由電子,當把金屬做成導線,接通電源后,金屬中的自由電子就會按照一定方向運動,電子的定向運動,便形成了電流。

      那么除了金屬之外,是否存在非金屬導電材料呢?答案是肯定的。與金屬中存在著大量自由電子不同,絕大多數陶瓷屬于絕緣體,在室溫或不太高的溫度下,材料的導電率都比較低,電導的活化能都比較高,因而很少顯示出導電性。但是,陶瓷一般又都是離子晶體,離子晶體的晶格缺陷可以使得進入空穴的離子定向運動而發生離子導電的現象。離子導電陶瓷在一定的溫度條件下具有和強電解質溶液相似的離子電導特性。

      1 電子導電和離子導電是按照電流載體(載流子)的區分來定義的

      常見的離子導電陶瓷

      離子導電陶瓷并不是非常新穎的概念。早在1834年,著名的邁克爾·法拉第首次發現了PbF2固體在常溫下不導電,而在加熱到明顯發紅發熱之間會擁有較好導電能力的現象。此外,在1898年,能斯特便將ZrO2陶瓷棒作為導電材料,利用其通過氧離子導電后發光的特性制備出了能斯特燈。可以說,陶瓷作為離子導電材料具有悠久的歷史。

      總結而言,離子導電陶瓷是一類性能優良的電解質材料,其實質是離子在通過晶體點陣缺陷或玻璃網絡結構中的隧道和通路,按一定方向運動而產生導電性的物質。常見的陽離子導電陶瓷包括β-氧化鋁(Na+)、硅酸鋰(Li+),常見的陰離子導電陶瓷包括氧化鋯(O)、氧化釔(O)和β-氟化鋁(F)。

      應用

      不同的陶瓷材料具有不同的離子導電特性。β-AL2O3電解質作為Na的快離子導體,可以應用在Na-S電池上,也可以作為Na離子探頭的電解質材料。

      2 氧化鋁電解質可以作為鈉離子載體應用于鈉-硫電池上

      3鈉離子探頭傳感原理

      氧化鋯是氧離子的導體,可以作為固體電解質應用于氧傳感器上。氧氣含量調控是監控燃燒條件、提高燃燒效率的有力手段,而其測量的精度、測量的時間都對傳感器提出了一定的要求,氧化鋯作為固態電解質,在氧傳感器中承擔著運送導電離子的作用,目前主要的氧化鋯氧傳感器有檢測式和直插式兩種,其中直插式探頭由于直接接觸被測氣體,測量精度高、反應時間快,而應用更為廣泛。

      4 日本富士ZKM型直插式氧化鋯氧分析儀

      此外,近年來鋰電池由于使用高度易燃的有機物液體電解質,具有熱穩定性差、燃點低等眾多安全缺陷,而離子導電陶瓷隨著鋰電池技術瓶頸遲遲無法被突破而獲得廣泛關注,其根本原因是離子導電陶瓷可以作為固態電解質材料,有效解決鋰電池充放電循環中的鋰枝晶穿透問題,使得鋰替代傳統石墨負極材料成為可能,在安全性和電池效率兩方面獲得全面提升。

      5為2019年由加拿大皇家科學院孫學良院士和青島大學的郭向欣教授合作研發的“聚合物+陶瓷”多層結構固態電解質,其采用了刮刀涂敷的方式制備了LLZTO陶瓷粉體的聚合物固態電解質(粒徑200nm和5um兩種),添加了陶瓷材料的PIC電解質被設計為三明治結構,由于陶瓷顆粒自身機械強度大的特點,有效地抑制了鋰枝晶的生長。

      5 PIC-5um、CIP-200nm和三明治結構復合電解質示意圖

      總結

      陶瓷是導電材料中較為特殊的一員,離子晶體的特點使其能夠作為快離子導體,承擔特定離子傳輸通道的作用。陶瓷離子導體的發現與應用具有悠久的歷史,并且隨著時代需求的變化,在鋰電池技術面臨發展瓶頸的今天,有望成為固態電解質的關鍵材料,發揮更大的作用。

      粉體圈 火宣


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