离子导体发现后近年才形成研究热的奥秘

二、离子导体发现后近80年才形成研究热的奥秘

Nernst的白炽灯实验出现于1899年，并引起了整个世界对于固体中离子导电现象的极大兴趣与关注。然而研究活动始终迂回不前，一直未能见到突破性的成果。直到20世纪80年代初，伴随着石油资源短缺和石化污染危机对于高能密度固体电池的迫切需求，才出现了以日本名古屋大学高桥武彦（K.T.Takahashi）教授和法国P.Hagenmuller教授等为代表的世界研发热。其中的原因是显而易见的，这便是因为一种材料出现高离子电导率的条件非常苛刻，当人们一时还未能对其奇特的导电机理作出合理的解释之前，要发现一种新型的离子导体是相当困难的。

那么，要具备什么样的内、外部条件才能够实现快离子导电呢？

（1）导电离子具有选择性　电子导体的传导源具有同一性，即均为“电子”，而离子导体的传质却是各不相同，具有选择性的。特定的离子只能在特定的基体环境中才具有长程的传导行为。试验还发现，不能宏观地单单根据离子尺寸的大小来判定某个离子是否在某个材料中具有导电行为。比如β-Al₂O₃是Na离子导体，Na离子能在其中传导，但尽管Li离子体积更小，但却无法传导于其中。

（2）导电特性只能出现在特定的温度范围　前面提到的ZrO₂只有当温度上升至1 000℃以上才能出现快离子传导特性。显然这就为其研究发现带来了困难，而另一方面这又会对它的推广和应用带来制约。

（3）导电行为必须要有能提供同种导电离子的材料为电极才能得以维持，比如铜离子导体必须备有铜质的正电极，由于只有这种电极材料才能不断向离子导体提供导电的铜离子，而使导电过程得以维系，否则电流通道便会被切断（如图8-2所示）。

图8-2　电极对于电流过程影响示意图

由上述可知，与电子导电体的另一个重大区别是离子导体除了由于离子的迁移引起的导电行为外，还伴随着物质的迁移，从而必然会赋予其不可估量的应用前景。比如对一个铜离子导体施加电场之后，因为铜离子向负极迁移，从而可于其上得到铜离子，最终生成金属铜原子，人们认为这是一种提炼高度纯铜材料的有效途径。

综上所述，不难给“快离子导体”作出这样一个定义：即在固体状态下，具有某种选择性的低离子活化能（E_ac<0.5eV）和高离子电导率（σ _i >10⁻⁴ S/m）的材料，其离子电导率与其熔盐或强电解液相当；与此同时其电子电导率（σ_e <10⁻¹¹S/m ）。

“固体电能质”又称“快离子导体”或“超离子导体”（Super Ionic Conductor）。为免于和“固体电解质”及“超导体”相混淆，我们建议使用“快离子导体”这一术语，但在其他书籍和资料中，“固体电解质”这个名词仍被沿用。

对于快离子导体的研究，引起了两方面的不同兴趣。化学家们以材料的电化学研究为基础，打开了它在电化学器件领域应用的大门。其中着重研究离子导电过程所伴随的物质转移特性，以及电极系统对于离子导电特性的控制效应；物理学家们则以对导电离子传输机理的研究为基础，开辟了一个崭新的离子导电物理研究的新领域。人们十分有趣的发现：很多在固态电子学中已经确立并成熟的效应，在快离子导体中却未见对应的结果，或需进行修正。如半导体中的电磁效应（霍尔效应）、测不准关系、能带理论、泡利不相容原则、超导体中的布雷恩-约瑟夫逊效应等，以及快离子导体中除电子自旋磁矩和核子自旋磁矩外，还存在很强的离子流磁矩等。

总之，一门新兴的学科 ——《固态离子学》正在形成和迅速发展，它正如一块尚未被开垦的肥沃的处女地，正等待着人们的耕耘与开拓，相信不久的将来定会开放出艳丽的奇葩、收获丰硕的果实。