電子陶瓷是指應(yīng)用于電子工業(yè)中制備各種電子元器件的陶瓷材料，其中，離子導(dǎo)電陶瓷具有能夠使離子沿電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生高電導(dǎo)率的獨(dú)特性能，成為電子陶瓷中的重要一員。

陶瓷為什么能導(dǎo)電？

眾所周知，金屬是很好的導(dǎo)電材料，電線、電纜都是用Cu或者Al做成的，這是因?yàn)榻饘僦写嬖谥罅康淖杂呻娮樱?dāng)把金屬做成導(dǎo)線，接通電源后，金屬中的自由電子就會(huì)按照一定方向運(yùn)動(dòng)，電子的定向運(yùn)動(dòng)，便形成了電流。

那么除了金屬之外，是否存在非金屬導(dǎo)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(shù)陶瓷屬于絕緣體，在室溫或不太高的溫度下，材料的導(dǎo)電率都比較低，電導(dǎo)的活化能都比較高，因而很少顯示出導(dǎo)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(jìn)入空穴的離子定向運(yùn)動(dòng)而發(fā)生離子導(dǎo)電的現(xiàn)象。離子導(dǎo)電陶瓷在一定的溫度條件下具有和強(qiáng)電解質(zhì)溶液相似的離子電導(dǎo)特性。

圖1 電子導(dǎo)電和離子導(dǎo)電是按照電流載體（載流子）的區(qū)分來(lái)定義的

常見(jiàn)的離子導(dǎo)電陶瓷

離子導(dǎo)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(fā)現(xiàn)了PbF₂固體在常溫下不導(dǎo)電，而在加熱到明顯發(fā)紅發(fā)熱之間會(huì)擁有較好導(dǎo)電能力的現(xiàn)象。此外，在1898年，能斯特便將ZrO₂陶瓷棒作為導(dǎo)電材料，利用其通過(guò)氧離子導(dǎo)電后發(fā)光的特性制備出了能斯特?zé)簟？梢哉f(shuō)，陶瓷作為離子導(dǎo)電材料具有悠久的歷史。

總結(jié)而言，離子導(dǎo)電陶瓷是一類性能優(yōu)良的電解質(zhì)材料，其實(shí)質(zhì)是離子在通過(guò)晶體點(diǎn)陣缺陷或玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的隧道和通路，按一定方向運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生導(dǎo)電性的物質(zhì)。常見(jiàn)的陽(yáng)離子導(dǎo)電陶瓷包括β-氧化鋁（Na+）、硅酸鋰（Li+），常見(jiàn)的陰離子導(dǎo)電陶瓷包括氧化鋯（O）、氧化釔（O）和β-氟化鋁（F）。

應(yīng)用

不同的陶瓷材料具有不同的離子導(dǎo)電特性。β-AL₂O₃電解質(zhì)作為Na的快離子導(dǎo)體，可以應(yīng)用在Na-S電池上，也可以作為Na離子探頭的電解質(zhì)材料。

圖2 氧化鋁電解質(zhì)可以作為鈉離子載體應(yīng)用于鈉-硫電池上

圖3鈉離子探頭傳感原理

氧化鋯是氧離子的導(dǎo)體，可以作為固體電解質(zhì)應(yīng)用于氧傳感器上。氧氣含量調(diào)控是監(jiān)控燃燒條件、提高燃燒效率的有力手段，而其測(cè)量的精度、測(cè)量的時(shí)間都對(duì)傳感器提出了一定的要求，氧化鋯作為固態(tài)電解質(zhì)，在氧傳感器中承擔(dān)著運(yùn)送導(dǎo)電離子的作用，目前主要的氧化鋯氧傳感器有檢測(cè)式和直插式兩種，其中直插式探頭由于直接接觸被測(cè)氣體，測(cè)量精度高、反應(yīng)時(shí)間快，而應(yīng)用更為廣泛。

圖4 日本富士ZKM型直插式氧化鋯氧分析儀

此外，近年來(lái)鋰電池由于使用高度易燃的有機(jī)物液體電解質(zhì)，具有熱穩(wěn)定性差、燃點(diǎn)低等眾多安全缺陷，而離子導(dǎo)電陶瓷隨著鋰電池技術(shù)瓶頸遲遲無(wú)法被突破而獲得廣泛關(guān)注，其根本原因是離子導(dǎo)電陶瓷可以作為固態(tài)電解質(zhì)材料，有效解決鋰電池充放電循環(huán)中的鋰枝晶穿透問(wèn)題，使得鋰替代傳統(tǒng)石墨負(fù)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。

圖5為2019年由加拿大皇家科學(xué)院孫學(xué)良院士和青島大學(xué)的郭向欣教授合作研發(fā)的“聚合物+陶瓷”多層結(jié)構(gòu)固態(tài)電解質(zhì)，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(tài)電解質(zhì)（粒徑200nm和5um兩種），添加了陶瓷材料的PIC電解質(zhì)被設(shè)計(jì)為三明治結(jié)構(gòu)，由于陶瓷顆粒自身機(jī)械強(qiáng)度大的特點(diǎn)，有效地抑制了鋰枝晶的生長(zhǎng)。

圖5 PIC-5um、CIP-200nm和三明治結(jié)構(gòu)復(fù)合電解質(zhì)示意圖

總結(jié)

陶瓷是導(dǎo)電材料中較為特殊的一員，離子晶體的特點(diǎn)使其能夠作為快離子導(dǎo)體，承擔(dān)特定離子傳輸通道的作用。陶瓷離子導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用具有悠久的歷史，并且隨著時(shí)代需求的變化，在鋰電池技術(shù)面臨發(fā)展瓶頸的今天，有望成為固態(tài)電解質(zhì)的關(guān)鍵材料，發(fā)揮更大的作用。

粉體圈 火宣