固態離子學

內容包括固體離子導體的設計、合成、結構和性能的表徵、離子傳輸的微觀機理闡釋和新型高能電池、燃料電池、固態離子器件的開發、應用等。嵌入電極材料、高分子固態電解質是20世紀80年代的活躍前沿領域。

導體通常分為電子導體和離子導體兩大類，如銀、銅等金屬是優良的電子導體，而熔融鹽和鹽的溶液能導電則是由於離子運動的結果，我們稱之為離子導電。固態離子學的研究對象包括離子導體、離子電子混合導體、插入化合物和超導體等，是一門涉及化學、物理、材料和工程的新的交叉學科，主要研究與固體中離子遷移有關的科學及技術，研究涉及離子晶體缺陷的物理和化學問題、離子交換現象、離子輸運的測量和理論、離子導體的熱力學、界面現象、嵌入反應等。

離子晶體一般屬於絕緣體，如NaCl晶體在室温下電導率為10-14S*cm-1數量級，而通常認為電導率小於10-9S*cm-1者即屬於絕緣體。但有一種特殊類型的離子晶體，在室温下電導率可以達到10-2S*cm-1,幾乎可與熔鹽的電導媲美，我們稱之為快離子導體。

快離子導體的發現和使用已經經歷了100多年時間。1835年，法拉第發現AgS和PbF具有離子傳輸現象，1889年發現摻雜的氧化鋯是氧離子導體，1900年人們用摻雜的氧化鋯作為不需要惰性氣體保護的燈絲使用，稱作能斯特(Nernst)光源；1914年，塔板特(Tubandt)和洛倫茨(Lorenz)發現銀的化合物在恰低於其熔點時，AgI的電導率要比熔融態的AgI的電導率高約20%；20世紀60年代中期，發現了複合碘化銀和Na+離子為載流子的β-Al2O3快離子導體，其電導可達到10-1S*cm-1。隨後人們又發現了RbAg4I5在25℃時的電導率高達0.27Scm-1。20世紀70年代以後，隨着鋰電池和固體氧化物燃料電池的發展需要，人們開發了一系列固體鋰離子導體、氧離子導體和高温質子導體。

要成為快離子導體，晶體中必須存在一定數量的可動離子，同時晶格中應包含能量近似相等、而數目遠比傳導離子數目為多並可容納傳導離子的間隙位。這些間隙位應具有出口，出口的大小至少可與傳導離子尺寸相比擬，可容納傳導離子的間隙位應彼此互相連接，貫穿晶格始末以形成離子通道。此外，間隙位之間勢壘不能太高，以使傳導離子在間隙位之間可以比較容易躍遷。離子導體的離子(包括其空位)的遷移數必須比電子大99%以上，對電子是絕緣體，一般作為固體電解質使用。離子和電子均參與導電的為混合導體，電子及空穴作為電子的載流子，離子的載流子是離子及其空穴，一般作為電極材料使用，也用於氣體分離膜等。

固態離子學的應用範圍涉及到燃料電池、電池、太陽能電池、電致變色器件、氣體分離器件、傳感器(氣體/離子/生物)、氧泵以及電子器件等。近年來，固態離子學在能量的儲存和轉換、清潔生產等領域的許多實際應用，大大加快了其自身的發展。太陽能、風能等新能源的開發，電動汽車的發展都需要考慮相應的儲能系統，而動力和儲能電池的性能的進一步提高，則有賴於固態離子學的發展。

20世紀70年代，美國福特汽車公司率先把Na-β-Al2O3快離子導體制成Na-S電池。電池是一種將化學能直接轉換成電能的儲能或轉換裝置，主要由正、負電極和電解質構成。電極一般要求是離子和電子混合導體。以嵌入化合物為正負極材料的鋰離子電池與其他蓄電池比較，具有電壓高、比能量高、充放電壽命長、無記憶效應、無污染、快速充電、自放電率低、工作温度範圍寬和安全可靠等優點，不僅廣泛應用於手機、筆記本電腦等移動終端設備，而且將全面應用於電動汽車等。

石油價格的上漲和環境問題的凸顯使混合電動汽車得到市場的快速認可，發展電動汽車是我國企業工業發展的重大機遇。汽車工業要求鋰離子動力電池的壽命比小型電池長兩倍以上，成本降50%，單體容量增加10倍以上，而用快離子導體做電解質的固體電池具有無泄漏、貯存壽命長、易於小型化等優點，有可能在未來獲得應用。

採用固體氧化物作為電解質的固體氧化物燃料電池中，燃料與氧不經燃燒而直接發電，除了高效、環境友好的特點外，無材料腐蝕和電解液腐蝕等問題，而且，其燃料適用範圍廣，不僅能用H2，還可直接用CO、天然氣(甲烷)、煤合成氣、碳氫化合物等做燃料。在高的工作温度下，電池排出的高質量餘熱可以充分利用，使其綜合效率可由50%提高到70%以上。

摻雜的ZrO2氧離子導體，被用作測定氧氣分壓的探頭，這種氣敏傳感器是將離子導體中運動離子和所要探測的物質之間反應的化學能直接轉換成電壓或電流。它們把化學量轉變為電信號輸出，由於小型簡便、反應迅速，廣泛用於汽車發動機和鍋爐煙道中；在內燃機中，用於測定廢氣中的氧，有利於控制燃/空比，實現節油和減少環境污染。

我國固態離子學的研究也可以追溯到20世紀的70年代，但那時還只限於個別材料及它們的應用研究，如鈉離子導體和以它作為固體電解質的鈉硫電池，以及氧離子導體穩定氧化鋯和氧傳感器等。1980年在黃山召開的第1屆快離子導體學術討論會可作為我國全面開展固態離子學研究的一個標誌。迄今以來已經走過了25年的歷程。回顧這25年的發展，我國固態離子學的研究已經有了長足的進步，可以用由少到多，由膚淺到深入，由重複到有所創新來概括，作以下簡述。

在黃山會議上成立了隸屬於中國硅酸鹽學會的快離子導體專業委員會籌備組，由上海硅酸鹽研究所任組長單位，北京物理研究所和合肥中國科技大學任副組長單位。當時，上海硅酸鹽研究所研究鈉硫電池為主，北京物理研究所以研究鋰離子導體為主，中國科技大學以研究礦物離子導體為主，是初期固態離子學研究領域中的3支重要力量。後來在此基礎上成立了快離子導體專業委員會。以後和國際一致改名為固態離子學專業委員會，也就是現在的固態離子學分會。隨着時間的推移，越來越多的高校和研究機構參加到固態離子學的研究行列。參加全國會議的人數，已從開始的幾十人發展到2004年蘇州會議的近200人。

從1980年的黃山會議以後，基本上是每隔2年召開1次全國會議，由各單位輪流主辦。主辦單位除上海硅酸鹽研究所、北京物理研究所和合肥中國科技大學外，尚有湖南大學，福州大學，河南師範大學，蘇州大學，北京鋼鐵學院(現北京科技大學)，長春應用化學研究所，成都有機化學研究所等。至2004年已開了12屆。在會上交流的學術論文逐年增多，2004年在蘇州會議上交流的論文已達197篇。研究內容包括：作為固體電解質的各種陽離子導體，陰離子導體，質子導體，聚合物離子導體等；作為電極材料的碳，石墨，鋰金屬，混合導體等；納米材料方面有：納米線、納米管的合成，納米聚合物電解質等；應用方面的研究有：鈉硫電池，鈉熱機，鈉的提純，鋰離子電池，全固態鋰電池，高温與中温固體電解質燃料電池，氧傳感器，二氧化硫傳感器，甲烷的膜反應器轉化等；材料製備方面有：固相反應，共沉澱，溶膠凝膠，流延，等離子噴塗，低温燃燒合成，自蔓延燃燒合成，微波燒結等；都涉及國外研究的活躍領域。研究內容上可以説，從學習開始已逐步發展到與國際同步。

每屆學術會議都邀請國外知名學者參加，介紹他們在各自研究領域中的最新動態，是中國固態離子學分會的一個傳統。通過這種交流使中國學者擴大了眼界，對國際固態離子學領域的研究動態有了更全面深入的瞭解，從而促進國內固態離子學的研究。此外，中國固態離子學分會與亞洲固態離子學學會、國際固態離子學學會都有着密切的聯繫，中國固態離子學分會有成員參加亞洲和國際固態離子學學會的執行委員會，中國固態離子學分會的會員自動成為亞洲和國際固態離子學學會的會員，享受2會的義務和權利。中國固態離子學分會曾在20世紀90年代主辦過2屆亞洲固態離子學學術會議。一屆在北京，由北京鋼鐵學院承辦；另一屆在福州，由福州大學承辦。此外，受國際固態離子學學會的委託，中國固態離子學分會還將於2007年在上海承辦第16屆國際固態離子學學術會議，現在已經開始各項籌備工作。所有這一切都表明，中國的固態離子學研究已成為世界固態離子學研究的重要組成部分 ^[1]  。