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1、固体电解质电化学,毕秀秀2015年4月14日,一、固体电解质的特性二、固体电解质的种类三、无机固体电解质的导电机理四、氧离子导体钙钛矿结构五、固体电解质的应用,固体电解质具备的性质,电子迁移的禁带宽度大于3eV 离子迁移活化能远小于电子迁移活化能 金属元素和非金属元素电负性差一般应大于2 相变能要小 离子不易变价 在使用条件下热力学稳定,三、无机固体电解质的导电机理,无机固体电解质导电机理可分为缺陷导电型和快离子导电型。快离子导体在室温下就具有较高的电导率。缺陷导电型固体电解质在较高温度下才能达到实用要求的电导率。两者的导电机理不尽相同。,（1）快离子型,快离子导体的导电性可用“无序的亚晶格移
2、动”机理进行定性的解释。形式上每种离子晶体可视为由对称性相同或不同的两种分结构阳离子亚晶格和阴离子亚晶格相互作用组成的复合体。,以银离子导体AgI为例,AgI的特征AgI 在146以下有两个热力学稳定结构，既闪锌矿结构（137 以下） 和纤锌矿结构（137-146 ），二者均含有碘离子的面心亚晶格。在146 时面心亚晶格转变为体心亚晶格并一直保持到AgI的熔点（555 ）。另一方面，银离子亚晶格相对不稳定，在相转变温度（146 ）下破裂为高度无序的液态体系。,低温时，晶格由阴阳离子共同组成； 当温度升上到相变温度时，所构成的阳离子亚晶格发生熔化； 阴离子亚晶格由于阳离子亚晶格的无序而重新排列构
3、成新相的骨架； 阳离子在这些骨架的间隙上随机分布，可动阳离子在这一新相中的间隙位置间很容易运动。,以银离子导体AgI为例,（2）缺陷导电型,理想固体材料的结构可以用晶体结构来描述，但各种实用的固体材料与理想的晶体结构存在一定的偏差，称作缺陷，缺陷是造成现实世界物质多样性的重要原因。,由晶格质点不规则占据晶格位置形成的点缺陷,位错形成的线缺陷,构成不规则晶面的面缺陷,形成晶体内部空洞的体缺陷,Frenkel 缺陷,Schottky缺陷,掺杂缺陷,点缺陷表示法描述，其符号为：,点缺陷的名称,点缺陷所带的有效电荷,缺陷在晶格中占的晶格位,表示点缺陷的名称的符号是：空位缺陷用“V”表示，杂质缺陷用该原
4、子的元素符号表示，电子缺陷用“e”表示，电子空位（即空穴）用“h”表示。表示缺陷在晶格中所占位置的符号是：用被取代原子的元素符号表示缺陷处于该原子的格位上，用小写字母“i”表示缺陷处于晶格的间隙位置上。表示缺陷所带有效电荷的符号是：“x”表示缺陷是电中性的；“”表示缺陷带有一个单位正电荷，“”表示带有两个正电荷，以此类推；“”表示缺陷带有一个单位负电荷，“”表示缺陷带有两个负电荷，以此类推。,J.Frenkel首先提出晶体中的某个原子由于热振动的晶格畸变，可以被挤进点阵的空隙 与此同时在晶格中留下空缺位置（既空位）。这些晶格间隙离子以及空位称为Frenkel缺陷。,W.Schottky指出，在
5、晶体中还可以产生另一种缺陷，由原来的位置移到表面上另一个新的位置，此种缺陷同时存在阳离子空位和阴离子空位。,纯化合物MX晶体,Frenkel缺陷单位体积中间隙离子数（即为空位数） 为：,N、Ni分别为单位体积中离子的总数以及间隙的总数， 、 分别为Boltzmann常数和Frenkel缺陷生成能。,、,Schottky缺陷的数目 可以表示为：,N为单位体积中离子对的总数， 为Schottky缺陷生成能。,晶体中究竟是存在Frenkel缺陷还是Schottky缺陷，可通过比较晶体中的离子半径、vander Waals能、介电常数等进行判断。当晶体中离子半径的差别较大、vander Waals能和
6、介电常数较大时通常出现Frenkel缺陷，否则出现Schottky缺陷。,掺杂缺陷,掺杂缺陷是固体电解质中最重要的缺陷形式，它是在晶格位上引入的掺杂物。例如： 掺入 会在 的晶格位上形成氧空位缺陷，表示为 ,与此同时，占据Zr晶格位的Y原子表示为 。掺杂后存在以下平衡关系：,氧空位能够迁移，从而使掺杂的氧化锆在高温下呈现出高的氧离子导电性能。,四、氧离子导体钙钛矿结构,氧离子导体目前最重要的应用领域是高温传感器和固体氧化物燃料电池（SOFC）。SOFC要求氧离子导体应具有下述性能：,在氧化和还原气氛下具有长时间的化学稳定性结构与表观形貌的稳定性，在制备温度至室温的温度范围内不发生可导致体积明显
7、变化的相变；（2）具有高的氧离子电导率及氧迁移数；（3）具有高的化学相容性，不会因与电极等接触而生成绝缘层等影响电池性能的物质；（4）与电池的其它部件具有相匹配的热膨胀系数，以引起电池材料间的剥离或破裂；（5）必须呈致密结构，以阻止阴极的氧气与阳极的可燃气体混合。此外，电解质材料应具有高的机械强度制备简单造价低廉等特点。,1）钙钛矿结构,钙钛矿结构通式可用ABO3来表达(A为+2价或+3价金属离子，B为+4价或+3价金属离子)，晶体结构为立方晶系，是一种复合金属氧化物。其AB位离子通常可被低价离子取代，从而显著地增大材料的导电性。典型的钙钛矿结构材料为CaTiO3A 位离子：一般为碱土或稀土离
8、子rA 0.090nmB 位离子，一般为过渡金属离子rB 0.051nm,以CaTiO3为例讨论其配位关系,结构描述Ca2+ 位置O2- 位置Ti4+ 位置CNCa2+ = 12 (O)CNO2- = 6 (4A+2B)CNTi4+ = 6 (O),O2-和半径较大的Ca2+共同组成立方紧密堆积(面心结构)，Ti4+填充在位于体心的八面体间隙中。,钙钛矿晶体结构,O,A,B,氧八面体共顶点连接，组成三维网络，根据Pauling的配位多面体连接规则，此种结构比共棱、共面连接稳定。共顶连接使氧八面体网络之间的空隙比共棱、共面连接时要大，允许较大尺寸离子填入，即使产生大量晶体缺陷，或者各组成离子的尺
9、寸与几何学要求有较大出入时，仍然能够保持结构稳定；并有利于氧及缺陷的扩散迁移。,钙钛矿结构中的离子半径匹配应满足下面关系式： 式中RA、RB、RO分别代表A、B、O的离子半径，t 称为容差因子（Tolerance Factor）。t =1时为理想的结构，此时A、B、O离子相互接触。理想结构只有在t接近1或高温情况下出现。,2）结构特点：,t=0.771.1之间时，ABO3化合物为钙钛矿结构；t 1.1时，以方解石或文石型存在。A、O离子半径比较相近，A与O离子共同构成立方密堆积。正、负离子电价之间应满足电中性原则，A、B位正离子电价加和平均为(+6)便可。由于容差因子 t 范围很宽及A、B离子
10、电价加和为(+6)便可，使结构有很强的适应性，可用多种不同半径及化合价的正离子取代A位或B位离子。 简单的：A1+B5+O3，A2+B4+O3，A3+B3+O3复杂的：A(B1-xBx)O3, (A1-xAx)BO3, (A1-xAx)(B1-yBy)O3,钙钛矿结构中，t =1.0时形成对称性最高的立方晶格；当0.96 0)、La0.8Sr0.2Cu0.15Fe0.85O3-d 和La0.8Sr0.2Cu0.15Al0.85O3-d 应为立方结构。制备条件、成分不同时，产物的晶相也会发生相应变化。,在La2/3Ca1/3MnO3中，低价态Ca的掺入，使得Mn采取+3和+4的混合价态，从而满足
11、钙钛矿结构的电价要求。在Ca2CaUO6中，有1/3的Ca与U交替占据钙钛矿型晶格的B位。在Ba2Bi2O6中，有一半Bi原子为+3价，另一半为+5价。,许多钛酸盐、锆酸盐、锡酸盐，如A=Ca、Sr、Ba，B=Ti、Zr、Sn 时，满足钙钛矿的容差因子，具有钙钛矿结构。,ABO3中的A和B，不仅仅局限于2价和4价的离子，只要它们的电价总和为6，而且离子半径匹配，都有可能形成钙钛矿型化合物。NaNbO3、LaFeO3、(K1/2La1/2)TiO3等，满足了电价条件和半径条件，都是具有钙钛矿结构的化合物。,3）功能特性的起源,正离子和/或负离子偏离化学计量正离子构型畸变混合价,以上均可以通过对基
12、本化学相进行正离子掺杂来实现。而钙钛矿结构中，金属正离子几乎可以不受数量的限制进行复合、还原、再氧化产生非化学计量，及通过控制有序氧空位的数量可实现高氧离子可动性或者改变其电磁性能。,五、固体电解质的应用,近年来,固体离子学研究蓬勃开展,新型固体电解质材料不断涌现,迅速应用于下述各个领域。,1.测定固体电池的物理化学性能,如电动势、化合物的生成自由能、氧分压、合金成分活度,还可以进行库仑滴定;用固体电池控制固体反应物活度,可测定气一固相界面反应速率和气体扩散系数。,五、固体电解质的应用,2.电池。当今电池的开发有两大方向,其一是以发电或蓄能为目的之兆瓦级燃料电池及二次电池,需要固体电解质耐高温
13、,并兼作电池内隔板,如Na一S二次电池中的一A12O3和燃料电池中的稳定化ZrO2。其二是微电子设备(电子计算器、电子表、存储器)上使用的超小型电池,要求可靠性高,无泄露。正在开发的有银电池(RbAg4I5)、铜电池(RbCu16I7Cl13)、锂电池(LiI、LiN3、LiSiO4、Li3PO4)等。,五、固体电解质的应用,3.化学传感器。它们把化学量转变为电信号输出,由于小型简便,反应迅速,所以广泛普及,从家用抽油烟机到工业控制彼彼皆是。使用稳定化ZrO2的氧传感器可测定工业炉气、钢水、汽车尾气中的氧浓度,还有使用各A12O3的CO2传感器,使用稳定化ZrO2的CO2传感器,使用钙钦矿型复合氧化物的酒精传感器,使用铀磷酸氢化物HUP的氢传感器以及多种离子选择性材料。,4.光器件和光刻技术。用AgBr的光致分解再生型二次电池,光照射使TiS2层间容纳金属离子,形成光致离子侵入型化合物,在集成电路及光盘等信息元器件的微刻成型技术中应用了Ag2S的离子传导特性。,5. 测氧计（氧浓差电池）,空气O2(c),被检测气体O2(a),以二氧化锆为基质的固体电解质已用于制高温测氧计等。,五、固体电解质的应用,6.热力学研究,
