快离子导体发展前景及固态离子学

六、快离子导体发展前景及固态离子学

快离子导体（固体电解质）是最近三十多年来迅速发展起来的新型固体功能材料体系。从它一问世就与信息、能源、传感等新技术密切相关。并已经在燃料电池、高能量密度固体电池、超级电容器和电位记忆管（Potential Memoriode）等电化学器件、电化学传感器、离子选择电极、彩色显示、电/磁流变技术等领域中显示出实用价值。随着科学研究的继续深入和新型材料的不断涌现，该材料必将获得愈来愈广泛的应用。

就以当今电池的研究而言，它将沿着两个大方向发展：其一，是以发电及蓄能为目的的兆瓦级燃料电池。核能、风能和太阳能等新能源都需要考虑相应的储能系统，固体电解质二次电池便是一种十分有效的储能方式。这些场合需要耐受高温的离子导电内隔板，如掺杂稳定的氧离子导体ZrO₂陶瓷，工作温度就高达800℃～1 000℃。其中采用氧离子导体和氢离子导体隔膜的燃料电池，可使氢及其他燃料与氧不经燃烧而直接发电，所以能量转换效率高。如果使燃料电池反方向操作，则又可以利用产生的多余电能来电解水制氢。钠离子导体Na-β″-Al₂O₃则是Na-S固体高能密度二次电池中的关键材料。采用这类电池代替汽车汽油发动机，既可解决石化资源几近枯竭的危机，还可减少尾气和烟道废气的排放，并能降低噪音，大大减少对环境的污染。其二，是微电子设备，如心脏起搏器、微型计算机、高贮存密度音乐播放器、存储器等使用的超小型电池，以及与有源集成电路配套的固体薄膜电池等。它们要求可靠性高、无泄漏、自放电少、寿命长。目前正在开发的快离子导体RbAg₄I₅、Rb₄Cu₁₆I₇Cl₁₃、LiI、LiAlFeS₂等即分别用做银电池、铜电池、锂电池的电解质隔膜，使用寿命可在10年以上。

使用掺杂CaO等的氧离子导体ZrO₂制作的测氧压探头，可将化学量转变为电信号输出，由于小型简便，反应迅速，现已制成标准化产品，被广泛应用在钢铁等冶炼、火力发电、水泥、造纸等工业。利用固体电解质的离子电导随气氛而变化原理制成的气敏传感器，是将在离子导体中运动的离子和所要探测的物质之间反应的化学能直接转换成电信号，提供适时测控。此外，固态离子导体还可能对未来生物计算机的研制起到推动作用。

电致变色显示器除显示功能外，近年来还推广应用于汽车或建筑物窗玻璃，具有温度调节的功能，被称为“灵巧窗”（Smart Window）。最近，德国皮尔金顿公司研制的氧化钨电致变色玻璃，通过电压控制使玻璃由完全透明到深蓝色等各种颜色变化，可用于自动调光，真是名副其实的“电子窗帘”。在当今高楼林立、普遍使用玻璃幕墙的城市中心，“光污染”问题引起新的环境干扰备受关注，电致变色玻璃可通过对不同频段光线透反射率的调控，便能得心应手地加以解决。

对于快离子导体导电机理的探讨，无论是从固体物理学还是现代化学角度，也无论在广度还是在深度上都尚未成熟。离子能在紧密有序排列的刚性晶格中快速迁移是一种很不寻常的现象，离子的选择性导电特征主要不是由于热缺陷，而是由于其微观结构上的固有特性所形成的，这是对凝聚态物理提出的新质疑，用传统观点无法解释，必须要更深入地根据晶体结构间的关系提出全新的传导机理。因此，如何修正和充实现有固体电解质的相关理论已是迫在眉睫的任务。

此外，固态离子学的应用在器件小型化方向也大有可为，这不仅是因为诸多功能可以集成在一个很小的固态体积内，而且还有具有高比功率、低使用温度、低原材料消耗、少废弃产物、适宜大规模生产等优点。

随着快离子导体材料的出现以及在应用领域的开发，一个崭新的学科分支——“固体离子学”已形成。这是一门涉及固体物理、固体化学、材料科学的新的边缘学科，它引起了相关多种学科学者的极大兴趣：物理学界以对于导电离子的传导机理为基础，开辟了一个崭新的研究领域；化学界则以材料的电化学过程研究为基础，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导电特性的控制效应。如前述及的很多原来在固体电子学中已确立了的观点和效应，在固态离子学中却无法对应地成立或许要进行修正。1980年，国际性学术刊物《固体离子学》在荷兰创刊，随之国际和我国固态离子学会相继正式成立。2004年10月第12届中国固态离子学术会议在苏州大学举行，2005年第十五届国际固态离子学术会议将在德国巴登·巴登举行。我国固态离子学的研究已具有较大的国际影响，第十八届国际会议将由上海硅酸盐所于2007年在上海承办。可以说“固态离子学”还是一片亟待开发的“新技术处女地”，前景十分看好。可以预料，其将定会成为21世纪科学研究和产业开发的关键技术领域之一。