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電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)陶瓷是指(zhi)應(ying)用于電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)工業中制(zhi)備各種(zhong)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)元器(qi)件的(de)陶瓷材料，其(qi)中，離子(zi)(zi)導電(dian)(dian)(dian)陶瓷具(ju)有能夠(gou)使離子(zi)(zi)沿電(dian)(dian)(dian)場方向運(yun)動而產生高(gao)電(dian)(dian)(dian)導率的(de)獨(du)特性(xing)能，成為電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)陶瓷中的(de)重要(yao)一(yi)員。

陶瓷(ci)為什么能導電？

眾所周(zhou)知，金屬是很好的(de)導電材料，電線、電纜(lan)都是用Cu或者Al做成(cheng)的(de)，這(zhe)是因為金屬中存在著大(da)量(liang)的(de)自(zi)由(you)電(dian)(dian)子(zi)，當把金屬做成(cheng)導線，接通(tong)電(dian)(dian)源后，金屬中的(de)自(zi)由(you)電(dian)(dian)子(zi)就會按照一定(ding)方向(xiang)運動(dong)(dong)，電(dian)(dian)子(zi)的(de)定(ding)向(xiang)運動(dong)(dong)，便形(xing)成(cheng)了電(dian)(dian)流。

那么除了金屬之外，是(shi)否(fou)存(cun)在非金屬導(dao)(dao)電(dian)(dian)材(cai)料呢？答(da)案是(shi)肯定(ding)的(de)(de)(de)。與金屬中存(cun)在著(zhu)大量自由電(dian)(dian)子(zi)(zi)不(bu)同，絕(jue)大多數(shu)陶瓷(ci)(ci)屬于絕(jue)緣體(ti)，在室溫或不(bu)太高(gao)(gao)的(de)(de)(de)溫度(du)下(xia)，材(cai)料的(de)(de)(de)導(dao)(dao)電(dian)(dian)率都(dou)比較低，電(dian)(dian)導(dao)(dao)的(de)(de)(de)活化能(neng)都(dou)比較高(gao)(gao)，因而很少顯示(shi)出導(dao)(dao)電(dian)(dian)性(xing)。但是(shi)，陶瓷(ci)(ci)一般(ban)又都(dou)是(shi)離子(zi)(zi)晶體(ti)，離子(zi)(zi)晶體(ti)的(de)(de)(de)晶格缺陷可以使得進入空穴的(de)(de)(de)離子(zi)(zi)定(ding)向運(yun)動而發生離子(zi)(zi)導(dao)(dao)電(dian)(dian)的(de)(de)(de)現象。離子(zi)(zi)導(dao)(dao)電(dian)(dian)陶瓷(ci)(ci)在一定(ding)的(de)(de)(de)溫度(du)條件(jian)下(xia)具有和強電(dian)(dian)解質(zhi)溶(rong)液相似的(de)(de)(de)離子(zi)(zi)電(dian)(dian)導(dao)(dao)特性(xing)。

圖(tu)1 電(dian)(dian)(dian)子(zi)導(dao)電(dian)(dian)(dian)和離子(zi)導(dao)電(dian)(dian)(dian)是按照電(dian)(dian)(dian)流載體（載流子(zi)）的區分來定義的

常見的離子導電(dian)陶瓷

離子(zi)導(dao)電陶瓷并不是非常新穎的概(gai)念(nian)。早在(zai)1834年(nian)，著名的邁(mai)克(ke)爾·法拉(la)第首次發現了PbF₂固體在(zai)常溫下不導電，而(er)在(zai)加熱到明顯發紅(hong)發熱之(zhi)間會擁(yong)有較好(hao)導電能力的(de)現象。此外(wai)，在(zai)1898年，能(neng)斯(si)特便將(jiang)ZrO₂陶瓷(ci)棒(bang)作為導電(dian)(dian)材料(liao)，利用(yong)其通過氧離(li)子導電(dian)(dian)后(hou)發光的特(te)性制備出了能斯特(te)燈。可(ke)以說，陶瓷(ci)作為離(li)子導電(dian)(dian)材料(liao)具(ju)有悠(you)久的歷史。

總結(jie)而(er)言，離子導電陶(tao)瓷是(shi)一類性(xing)(xing)能優良的(de)電解質(zhi)材料，其實(shi)質(zhi)是(shi)離子在通(tong)過晶體點陣(zhen)缺陷(xian)或玻璃網(wang)絡結(jie)構中的(de)隧道和通(tong)路，按一定(ding)方(fang)向運動而(er)產生(sheng)導電性(xing)(xing)的(de)物質(zhi)。常(chang)見的(de)陽離子導電陶(tao)瓷包括(kuo)β-氧(yang)化(hua)鋁(lv)（Na+）、硅酸(suan)鋰（Li+），常見的(de)陰(yin)離(li)子導電陶瓷包括氧(yang)化(hua)鋯（O）、氧(yang)化(hua)釔（O）和β-氟化(hua)鋁(lv)（F）。

應用(yong)

不同的(de)陶瓷材料具有不同的(de)離子導電特性(xing)。β-AL₂O₃電解質作為Na的(de)快離(li)子(zi)導體，可(ke)以應用在Na-S電池上，也可(ke)以作為Na離(li)子(zi)探頭(tou)的(de)電解質材料。

圖(tu)2 氧化鋁電解質可以作為鈉離(li)子(zi)載體應用(yong)于(yu)鈉-硫電池上

圖3鈉離子探頭傳(chuan)感原理

氧(yang)化鋯(gao)(gao)是氧(yang)離(li)子的(de)導(dao)體(ti)，可以作為(wei)固體(ti)電解質應(ying)(ying)用(yong)(yong)(yong)于(yu)(yu)氧(yang)傳感(gan)(gan)器上。氧(yang)氣含量(liang)調控是監控燃燒(shao)條件、提高燃燒(shao)效率(lv)的(de)有(you)力手段，而其(qi)測量(liang)的(de)精度、測量(liang)的(de)時間都對傳感(gan)(gan)器提出(chu)了一定的(de)要求，氧(yang)化鋯(gao)(gao)作為(wei)固態電解質，在氧(yang)傳感(gan)(gan)器中承擔著運送導(dao)電離(li)子的(de)作用(yong)(yong)(yong)，目前主(zhu)要的(de)氧(yang)化鋯(gao)(gao)氧(yang)傳感(gan)(gan)器有(you)檢測式(shi)(shi)和直(zhi)(zhi)插式(shi)(shi)兩種，其(qi)中直(zhi)(zhi)插式(shi)(shi)探頭由于(yu)(yu)直(zhi)(zhi)接接觸被測氣體(ti)，測量(liang)精度高、反應(ying)(ying)時間快，而應(ying)(ying)用(yong)(yong)(yong)更(geng)為(wei)廣泛。

圖(tu)4 日本(ben)富(fu)士ZKM型直插式氧化鋯(gao)氧分析儀

此外，近年來(lai)鋰(li)電(dian)池由于使用高度(du)易(yi)燃的有機(ji)物液(ye)體電(dian)解質(zhi)，具有熱穩(wen)定(ding)性差、燃點低等眾(zhong)多安全(quan)(quan)缺陷，而離子(zi)導電(dian)陶(tao)瓷隨著鋰(li)電(dian)池技術瓶頸遲遲無法被突破(po)而獲得廣泛關注，其根(gen)本原因是(shi)離子(zi)導電(dian)陶(tao)瓷可(ke)以作為(wei)固態(tai)電(dian)解質(zhi)材料(liao)(liao)，有效解決鋰(li)電(dian)池充放電(dian)循(xun)環中(zhong)的鋰(li)枝晶穿透(tou)問題，使得鋰(li)替代傳統石墨負極材料(liao)(liao)成為(wei)可(ke)能，在安全(quan)(quan)性和電(dian)池效率兩方面獲得全(quan)(quan)面提(ti)升。

圖5為(wei)(wei)2019年由(you)加(jia)拿(na)大(da)(da)皇家(jia)科學(xue)院孫學(xue)良院士和(he)青島(dao)大(da)(da)學(xue)的(de)(de)郭(guo)向(xiang)欣(xin)教授合作研發的(de)(de)“聚合物+陶(tao)瓷(ci)(ci)”多層結(jie)構(gou)固態(tai)電解質(zhi)，其采用了(le)(le)刮刀涂敷的(de)(de)方式制備了(le)(le)LLZTO陶(tao)瓷(ci)(ci)粉體(ti)的(de)(de)聚合物固態(tai)電解質(zhi)（粒(li)徑200nm和(he)5um兩種），添(tian)加(jia)了(le)(le)陶(tao)瓷(ci)(ci)材料的(de)(de)PIC電解質(zhi)被設計(ji)為(wei)(wei)三(san)明(ming)治結(jie)構(gou)，由(you)于陶(tao)瓷(ci)(ci)顆粒(li)自身機械強度大(da)(da)的(de)(de)特點，有效(xiao)地抑制了(le)(le)鋰(li)枝(zhi)晶的(de)(de)生長。

圖5 PIC-5um、CIP-200nm和三明治結(jie)構復合電解質(zhi)示意圖

總結

陶(tao)瓷(ci)(ci)是導(dao)(dao)電(dian)材料中較為特殊(shu)的(de)一員，離(li)子晶體的(de)特點(dian)使(shi)其能(neng)夠作為快離(li)子導(dao)(dao)體，承擔(dan)特定離(li)子傳輸(shu)通道的(de)作用。陶(tao)瓷(ci)(ci)離(li)子導(dao)(dao)體的(de)發(fa)現(xian)與應用具有(you)悠久的(de)歷史(shi)，并且隨著時(shi)代需求的(de)變化(hua)，在鋰電(dian)池(chi)技(ji)術(shu)面臨發(fa)展瓶頸的(de)今天，有(you)望成為固(gu)態電(dian)解質(zhi)的(de)關鍵材料，發(fa)揮更大的(de)作用。

By：火宣