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电子陶(tao)瓷是指(zhi)应用于电子工业中制备各种电子元器件的(de)(de)陶(tao)瓷材(cai)料，其中，离(li)子导电陶(tao)瓷具(ju)有能(neng)够使离(li)子沿电场方向运动而(er)产生高电导率的(de)(de)独特(te)性能(neng)，成为电子陶(tao)瓷中的(de)(de)重要一员(yuan)。

陶(tao)瓷为什么(me)能导(dao)电？

众所周知(zhi)，金属是(shi)很好(hao)的导电(dian)材料，电(dian)线、电(dian)缆都是(shi)用Cu或者Al做成(cheng)(cheng)的(de)，这是(shi)因为金(jin)属中(zhong)存在着大量的(de)自(zi)由(you)电(dian)子(zi)(zi)，当把金(jin)属做成(cheng)(cheng)导线(xian)，接通电(dian)源后，金(jin)属中(zhong)的(de)自(zi)由(you)电(dian)子(zi)(zi)就会按照(zhao)一(yi)定方向运动(dong)，电(dian)子(zi)(zi)的(de)定向运动(dong)，便形(xing)成(cheng)(cheng)了电(dian)流(liu)。

那么除了金(jin)(jin)属之外，是否(fou)存在(zai)非(fei)金(jin)(jin)属导(dao)电(dian)(dian)(dian)材(cai)料呢？答案是肯定(ding)的(de)(de)(de)。与金(jin)(jin)属中存在(zai)着大量自由电(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)不(bu)同(tong)，绝大多(duo)数陶(tao)瓷属于(yu)绝缘(yuan)体(ti)，在(zai)室温(wen)或(huo)不(bu)太高(gao)的(de)(de)(de)温(wen)度(du)下，材(cai)料的(de)(de)(de)导(dao)电(dian)(dian)(dian)率都比较低，电(dian)(dian)(dian)导(dao)的(de)(de)(de)活化能都比较高(gao)，因而很少(shao)显示出导(dao)电(dian)(dian)(dian)性(xing)。但(dan)是，陶(tao)瓷一(yi)般又都是离子(zi)(zi)晶体(ti)，离子(zi)(zi)晶体(ti)的(de)(de)(de)晶格缺陷可以使(shi)得进(jin)入(ru)空穴的(de)(de)(de)离子(zi)(zi)定(ding)向(xiang)运动而发生离子(zi)(zi)导(dao)电(dian)(dian)(dian)的(de)(de)(de)现象。离子(zi)(zi)导(dao)电(dian)(dian)(dian)陶(tao)瓷在(zai)一(yi)定(ding)的(de)(de)(de)温(wen)度(du)条(tiao)件(jian)下具有和(he)强电(dian)(dian)(dian)解(jie)质溶(rong)液相(xiang)似的(de)(de)(de)离子(zi)(zi)电(dian)(dian)(dian)导(dao)特性(xing)。

图1 电子(zi)导电和离子(zi)导电是按照电流载(zai)体（载(zai)流子(zi)）的区(qu)分(fen)来定义的

常见的(de)离(li)子导电(dian)陶瓷

离子导(dao)电陶瓷并(bing)不是非常新颖的概念。早在1834年(nian)，著名的迈克尔·法(fa)拉第首次(ci)发现了PbF₂固体在(zai)常(chang)温下不导电，而(er)在(zai)加热到明显发(fa)红发(fa)热之间会拥有较(jiao)好导电能力的现象。此外(wai)，在(zai)1898年，能斯特(te)便将ZrO₂陶(tao)瓷(ci)棒(bang)作(zuo)为导(dao)电(dian)材料，利用(yong)其通过氧离子导(dao)电(dian)后(hou)发光的特性制(zhi)备出了能斯特灯(deng)。可(ke)以(yi)说，陶(tao)瓷(ci)作(zuo)为离子导(dao)电(dian)材料具(ju)有悠(you)久的历史。

总结而言，离子导(dao)电陶(tao)瓷是一类(lei)性能优良的电解质材料，其实(shi)质是离子在通(tong)过晶体点阵缺(que)陷或玻璃网络结构中的隧道(dao)和(he)通(tong)路(lu)，按一定(ding)方向运动而产生导(dao)电性的物(wu)质。常见的阳离子导(dao)电陶(tao)瓷包(bao)括β-氧化铝(lv)（Na+）、硅酸(suan)锂（Li+），常见的阴离子导电(dian)陶瓷包括氧化锆（O）、氧化钇（O）和β-氟(fu)化铝(lv)（F）。

应用

不同(tong)的陶瓷材料具有不同(tong)的离子导电特(te)性。β-AL₂O₃电解质作为Na的快离子导体，可(ke)以(yi)应用在(zai)Na-S电池上，也可(ke)以(yi)作(zuo)为Na离子探头的电解(jie)质材料。

图2 氧化铝电(dian)解质可(ke)以作为钠(na)离(li)子载体应(ying)用(yong)于钠(na)-硫电(dian)池上

图3钠离(li)子探头传感原理

氧(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)化锆(gao)是氧(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)离子的导(dao)体(ti)，可以作(zuo)为固(gu)体(ti)电(dian)(dian)解质应用(yong)于氧(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)传感器(qi)上(shang)。氧(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)气含量(liang)(liang)调(diao)控(kong)是监控(kong)燃(ran)烧条(tiao)件、提高燃(ran)烧效率的有(you)力手段，而(er)其(qi)测(ce)(ce)(ce)量(liang)(liang)的精度(du)(du)、测(ce)(ce)(ce)量(liang)(liang)的时(shi)间(jian)都对传感器(qi)提出了一(yi)定的要求(qiu)，氧(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)化锆(gao)作(zuo)为固(gu)态电(dian)(dian)解质，在(zai)氧(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)传感器(qi)中(zhong)承担(dan)着运送导(dao)电(dian)(dian)离子的作(zuo)用(yong)，目前主要的氧(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)化锆(gao)氧(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)传感器(qi)有(you)检测(ce)(ce)(ce)式和直(zhi)插(cha)式两种，其(qi)中(zhong)直(zhi)插(cha)式探(tan)头(tou)由(you)于直(zhi)接接触被测(ce)(ce)(ce)气体(ti)，测(ce)(ce)(ce)量(liang)(liang)精度(du)(du)高、反(fan)应时(shi)间(jian)快，而(er)应用(yong)更为广泛。

图4 日(ri)本(ben)富士ZKM型直插式氧化(hua)锆氧分析仪

此外，近年来锂电(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)由(you)于使(shi)(shi)用高(gao)度易燃的有(you)机(ji)物液体电(dian)(dian)(dian)(dian)解质，具有(you)热稳定性(xing)差、燃点低等众多(duo)安(an)全缺(que)陷，而(er)离(li)子(zi)导电(dian)(dian)(dian)(dian)陶瓷随(sui)着(zhe)锂电(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)技术(shu)瓶颈(jing)迟(chi)迟(chi)无(wu)法被突破而(er)获得(de)广泛关注，其根本(ben)原因是离(li)子(zi)导电(dian)(dian)(dian)(dian)陶瓷可(ke)以作为固态电(dian)(dian)(dian)(dian)解质材(cai)料，有(you)效解决锂电(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)充放电(dian)(dian)(dian)(dian)循环中的锂枝晶穿透问题，使(shi)(shi)得(de)锂替代传(chuan)统(tong)石墨负极材(cai)料成为可(ke)能，在安(an)全性(xing)和(he)电(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)效率两(liang)方面获得(de)全面提升。

图5为2019年由加拿大皇(huang)家科学院孙学良院士和(he)青(qing)岛大学的(de)(de)郭向欣教授合作研发的(de)(de)“聚合物(wu)+陶(tao)瓷(ci)”多层结(jie)构(gou)固(gu)态(tai)电解(jie)(jie)质(zhi)，其采用了(le)刮(gua)刀涂敷的(de)(de)方式制(zhi)备了(le)LLZTO陶(tao)瓷(ci)粉体的(de)(de)聚合物(wu)固(gu)态(tai)电解(jie)(jie)质(zhi)（粒径200nm和(he)5um两(liang)种），添加了(le)陶(tao)瓷(ci)材料的(de)(de)PIC电解(jie)(jie)质(zhi)被设计为三(san)明治结(jie)构(gou)，由于(yu)陶(tao)瓷(ci)颗粒自身机械强度大的(de)(de)特点，有(you)效地抑制(zhi)了(le)锂枝晶的(de)(de)生(sheng)长。

图5 PIC-5um、CIP-200nm和三明治结构复合(he)电解质示意图

总(zong)结

陶瓷是导(dao)电材料中较为特(te)(te)殊的一员，离(li)子(zi)晶体(ti)的特(te)(te)点使其能够(gou)作为快(kuai)离(li)子(zi)导(dao)体(ti)，承担特(te)(te)定离(li)子(zi)传输通(tong)道(dao)的作用。陶瓷离(li)子(zi)导(dao)体(ti)的发现与应用具有悠(you)久的历史，并且随着(zhe)时代需(xu)求的变(bian)化，在锂(li)电池技术面临(lin)发展瓶颈的今天，有望成为固态电解质的关(guan)键材料，发挥更大的作用。

By：火宣