固体离子学概述

 固体离子学是研究固体中离子行为及其相关应用的科学.它是在七十年代才兴起的新学科。内容包括快离子导体(又叫固体电解质),混合导体(又称电极材料)和它们的应用。它是物理、化学、材料、器件的交叉学科,因而引起广泛领域的科学家和工程师的兴趣和关注.自然界的固态材料依据其导电能力来分类可分为导体、半导体和绝缘体.在不特别指明电荷载流子的情况下,这种分类都是相对于电子(或空穴)的导电能力而言的.     

石榴石型固态锂电池中的物理问题

采用固体电解质的固态锂电池具有实现高能量密度和高安全性的潜力,在新能源汽车和可穿戴电子设备领域的应用大有可为.石榴石型Li₇La₃Zr₂O₁₂(LLZO)固体电解质具有高离子电导率和对锂稳定等特点,是当下最受人瞩目的固体电解质材料之一.本文从物理的角度,探讨热力学和动力学两种因素对LLZO电化学稳定性的影响,离子界面输运机理及其在陶瓷和复合电解质中的应用.针对固态锂电池突出的界面问题,从界面匹配、电荷转移、体积应变、热量传递等方面,讨论固态锂电池循环寿命和实际安全性,给出构建理想界面的关键因素.最后,从电极、电解质和电池结构设计等方面分析如何构建高能量密度的固态锂电池电芯.本文希望通过对LLZO最新理论和实验研究成果的分析总结,阐明石榴石型固态锂电池中的关键物理问题,为高性能固态锂电池的发展提供依据.     

离子学

 读者对“电子学”已经很熟悉了,但对“离子学”却可能很陌生．事实上,离子学是近年来发展起来的一门极具生命力的多学科交叉的前沿学科,它是物理学、化学、材料科学、工程学、冶金学、生物学等多种学科交叉汇合而出现的新学科生长点．能够传导电流的物质称为导体．通常,人们习惯用电导率（ａ,（·ｃｍ）^－１）来表征导体传导电流的本领,并可表示为Ｕ＝１／Ｒ·ｌ／ｓ式中Ｒ为导体的电阻（）,ｌ为导体长度（ｃｍ）,ｓ为导体的横截面积（ｃｍ^{２<,/sup>）．粗略地讲,电导率愈大的导体,其导电能力愈强．根据导电机理的不同,通常可将导体分为两类：电子导体和离子导体．凡依靠电子（或正空穴）的运动来传导电流的导体称为电子导体．}     

原位电子显微学探索固体中的离子迁移行为

离子在固体材料中的迁移是很多应用的基础,包括锂离子电池、存取器件及催化剂等。研究固体材料中的离子迁移行为是固态离子学的核心内容。微观上,固体中离子迁移的行为取决于材料微观结构所确定的局域势垒特征。因此,研究离子迁移行为与微观结构的关联至为重要。文章讲述了具有高空间分辨率的原位透射电子显微镜技术用于锂离子电池材料、阻变存储材料等体系中离子迁移行为的研究现状与发展趋势。     

硫化物固态电解质材料界面及其表征的研究进展

发展高能量密度和高安全性的全固态锂电池技术对于推动我国锂电池产业技术的更新换代,强化我国在这一领域的技术优势具有重要的现实意义.固态电解质是全固态锂电池的核心组成部分,其中硫化物固态电解质因其高的离子电导率、较好的机械延展性以及与电极良好的界面接触等优点,被认为是最具商业化潜力的固态电解质之一.然而其空气稳定性较差,与电极接触的界面存在界面副反应、锂枝晶生长及界面机械失效等缺点,严重制约了其在高能量密度全固态锂电池中的应用.本文首先综述硫化物固态电解质空气稳定性的研究方法及其退化机制、提高材料空气稳定性的策略与方法;其次对其与正负极界面的相容性、稳定性及其解决策略进行了总结与分析;最后总结归纳近年来电极/硫化物固态电解质界面的原位表征技术的研究进展,并展望了未来硫化物固态电解质材料界面的研究重点和发展方向.     

富钠反钙钛矿型固态电解质的简易合成与电化学性能

全固态钠电池兼具高安全和低成本的潜在优势,是储能领域的热点发展技术之一.高性能固态电解质是实现全固态钠电池的关键因素.近年来,反钙钛矿型锂/钠离子导体因高离子电导率和灵活的结构设计,已经受到广泛关注.然而,富钠反钙钛矿型Na₃OBr_xI_1–x(0 3OBr_xI_1–x,经过100℃热处理之后,其离子电导率在100℃可达10^–3 S·cm^–1以上.然而,随着温度降低,离子电导率会发生跳变.通过固态核磁共振(NMR)分析,表明该现象可能与材料复杂的结构对称性和钠位变化有关.同时,对Na₃OBr_xI_1–x在全固态钠电池中的可行性进行了评估.研究表明, Na₃OBr_xI_1–x...     

金属锂在固态电池中的沉积机理、策略及表征

全固态金属锂电池的能量密度有望达到现有商业化锂离子电池的2—5倍,且有可能从本质上解决现有液态电解质锂离子电池的安全性问题.要想实现全固态金属锂电池这一颠覆性技术,克服金属锂/固态电解质界面存在的副反应严重、界面接触差、锂枝晶生长等一系列挑战至关重要.本文探讨了金属锂在有机、无机固态电解质中的沉积机理及其控制策略,以及金属锂负极的表征手段等,为固态锂电池的实用化研究提供了建议.在固态电池中,电解质与负极之间固-固接触不良、缺陷、晶界、裂纹、孔隙、尖端附近较强的电场以及固态电解质自身的电子电导都可导致金属锂沉积,进而演变成锂枝晶.针对这些诱因,可以通过提高固态电解质的机械强度,增大并改善固态电解质和负极的界面接触,减少固态电解质内部及表面的缺陷、杂质和孔隙,限制固态电解质内部的阴离子运动,诱导锂的均匀沉积,修复不均匀沉积形成的锂枝晶等方法均匀化锂沉积.固态锂电池走向应用仍然存在诸多挑战,需要扎实的基础研究,有目标导向的设计思路和全面、系统、创新的综合解决方案.     

离子导体在离子输运状态下的物理特性

1974年杨桢等发现α-LiIO_3单晶在直流电场作用下,中子衍射强度显著增强现象后,引起了中国物理学家们的强烈兴趣。特别是中国科学院物理研究所的物理学家们研究了离子导体在静电场作用下的介电行为,X射线形貌图,光衍射,喇曼散射,超声衰减等等,观察到了许多新现象,并对这些现象的机制作了理论解释,本文将对这些实验和理论结果作一评述。     

微纳尺度稀土掺杂晶体的量子相干性能及其应用研究进展

稀土离子掺杂晶体具有稳定的固态物性和出色的能级跃迁相干特性,在量子信息应用研究,尤其是发展量子存储设备方面独具潜力.除了宏观的块状稀土离子单晶,微纳尺度稀土离子晶体在高度集成的杂化量子系统和微型化量子设备方面也具有广泛的应用前景,且其制备难度较低,在体积、形状和组分调控上更具灵活性.因此,开发高性能的微纳尺度稀土离子晶体系统,并对其量子态进行精密探测与操控,已成为量子信息领域的重要研究方向之一.本文结合稀土离子晶体的高分辨和相干光谱学表征技术,综述了近年来微纳尺度稀土离子晶体在材料制备加工、量子相干性能测量、物理机理探索以及量子器件开发等方面的研究进展,对其在量子存储、量子频率转换、量子单光子源以及量子逻辑门等方面取得的最新研究进展进行了总结.最后,对微纳尺度稀土晶体材料及其信息器件研究过程中可能的改进方向和策略进行了讨论.     

稀土掺杂固态量子存储研究进展

量子存储对量子信息网络的实现至关重要,是当前量子信息领域的研究前沿和热点.在实现量子存储的多种媒质中,稀土掺杂固体材料由于具有较长的光学相干时间和较宽的光学吸收带宽而备受研究人员的关注.本文将系统地介绍稀土掺杂固态量子存储在材料体系、存储协议、应用范围等方面的重要进展,着重从物理机理、实验方法和新近成果等方面,阐述基于原子频梳协议的稀土掺杂固态量子存储方案,并对该方案的未来发展做简要展望.     

用于全固态锂电池的有机-无机复合电解质

固态电解质被认为是解决传统液态锂金属电池安全隐患和循环性能的关键材料,但仍然存在离子电导率低,界面兼容性差等问题.设计兼顾力学性能、离子电导率和电化学窗口的有机-无机复合型固态电解质材料是发展全固态锂电池的明智选择.近年来,基于无机填料与聚合物电解质的有机-无机复合电解质备受关注.设计与优化复合电解质结构对提高复合电解质综合性能具有重要意义.本文详细梳理了有机-无机复合固态电解质在全固态锂电池中展现的多方面优势,从满足不同性能需求的复合电解质结构设计角度出发,综述了有机-无机复合电解质在锂离子传导、锂枝晶的抑制、界面稳定性和相容性等方面的研究进展,并对有机-无机复合电解质的未来发展趋势和方向进行了展望.     

3keV氘离子在氚增殖材料Li2TiO3中的理化行为研究

在ITER固态实验包层设计中，固态氚增殖材料的性能是决定包层产氚能力的重要因素。钛酸锂（Li2TiO3）是非常重要的一种固态增殖材料，为了理解氢的同位素在Li2TiO3中的理化行为，本工作采用XPS和TDS实验设备开展了用3keV D2^＋离子源注入Li2TiO3材料的研究.通过实验，发现了4种氘的热解析峰，它们分别来源于表面吸附的氘离子，表面吸附的氘离子形成的D2O，材料体内E’-center俘获的氘离子和材料体内以O—D化学键态形式存在的氘离子。由于中子辐照损伤更容易在材料体内形成，E’-center俘获的氘离子和O—D键这两种化学态对我们理解氚的化学行为更加重要。Ti-2p电子态的X射线光电谱表明，随着氘离子通量增加，Ti^4＋转换成了Ti^3＋。从O-1s电子态谱看出，随着氘离子通量增加，有一个峰消失了。关于这个现象，还需做更进一步的实验研究。     

纳米储锂材料和锂离子电池

简单综述了锂离子电池的基本原理和发展现状,对中国科学院物理研究所固体离子学课题组在纳米储锂材料方面的研究进展做了介绍.用HRTEM等手段研究了纳米SnO、纳米Si以及纳米SnSb合金在Li入脱嵌过程中结构的变化.着重介绍了一种具有纳米微孔的球形硬碳材料和纳米SnSb合金钉扎的复合负极材料,在高功率密度和高能量密度锂离子电池方面具有广阔应用前景.     

聚氧乙烯基聚合物固态电池的界面研究进展

聚氧乙烯基聚合物固态电池具有高安全性和高能量密度的特点,极有可能成为下一代储能器件.然而,聚氧乙烯基电解质本身的电化学窗口窄,极大的限制了其能量密度的进一步提升.目前适配聚氧乙烯基电解质且长循环稳定的正负极材料较少,这严重阻碍了聚氧乙烯基聚合物固态电池的广泛应用.其主要问题在于电极材料与聚氧乙烯聚合物电解质之间的负极界面和正极界面都容易发生副反应,大大地缩短了电池的循环寿命.为了抑制这些副反应,人们采取了相应的策略,取得了一定的成效.为充分理解固态电池界面处的变化,可采用各类先进表征手段对其进行研究,这将为下一步提高固态电池循环稳定性提供更科学的依据.     

第六届全国固态离子学学术会议征文通知

中国硅酸盐学会固态离子学专业委员会订于1992年11月3-6日在福州大学召开第六届全国固态离子学学术讨论会.福州大学校长黄金陵教授为本届会议筹备委员会主任. 征文内容:1. 无机阳离子导体.2.无机阴离子导体.3混合导体.4.质子导体.5.高分子快离子导体.6.固体中离子的运动与离子缺陷.固态离子学中的基础研究.7.固态离子学中的测试技术.8.高Tc超导体.9.快离子导体的应用研究:(1)固体电解质电池;(2)电化学传感器;(3)电显色器件.11.其他. 注意事项:1.应征论文必须是未在国内、外刊物上公开发表过;2.请将论文摘要(16开一页,约700字) 一式三份于19…     

固态锂电池中的机械力学失效及解决策略

固态锂电池中电极材料与固态电解质的力学性能对于电池的机械稳定性有重要影响,如果电池内部的应力超过材料的强度,则会在固态电池内部发生不同规模、不同组分的机械力学失效,从而严重恶化电池的电化学性能.本文从提高固态电池机械稳定性的角度出发,阐述了固态电池中各组分的力学性能对固态电池机械稳定性的影响,并分析了影响材料力学性能的因素.另外,固态锂电池在电池充放电过程中出现的机械力学失效问题,包括电极材料/电解质的破裂/断裂、电极与电解质的接触损失以及由于锂枝晶引发的电池短路等,也在综述中被讨论.最后,总结了目前解决固态锂电池中机械力学失效的一些常用策略,并对未来该领域的研究方向进行了展望.本文讨论的固态锂电池中的机械力学失效以及解决策略将有助于研究人员构筑高能量密度、长寿命、更安全的固态锂电池.     

利用Li+插层调控WS2光电器件响应性能研究

过渡金属硫族化合物由于其具有独特的结构和性质,在光电子学、纳米电子学、储能器件、电催化等领域具有广泛的应用前景,是一类被持续关注的代表性二维层状材料.在材料应用过程中,对材料掺杂特性的调控会极大地改变器件的响应性能.因而,对利用掺杂手段调控过渡金属硫族化合物器件响应性能的研究具有重要的意义.电化学离子插层方法的发展为二维材料的掺杂调控提供了新的手段.本文以WS₂为例,采用电化学离子插层方法对厚层WS₂的掺杂特性进行优化,观察到离子插入后器件电导率的显著增强(约200倍),以及栅压对器件光电响应性能的有效且可逆的调控.本文通过栅压控制离子插层的方法实现对WS₂器件光电响应的可逆可循环调节,为利用离子插层方法调控二维材料光电器件响应性能研究提供了实验基础.     

具有本征低晶格热导率的硫化银快离子导体的热电性能

硫化银(Ag_2S)是一种典型的快离子导体材料,前期关于Ag_2S的研究主要集中在光电和生物等领域.最近的研究表明, a-Ag_2S具有和金属一样的良好延展性和变形能力.但是, Ag_2S的热电性能尚无公开报道.本工作合成了单相Ag_2S化合物,系统研究了其在300—600 K范围的物相变化、离子迁移特性和电热输运性质.研究发现, Ag_2S在300—600 K温度区间表现出半导体的电输运性质.由于单斜-体心立方相晶体结构转变, Ag_2S的离子电导率、载流子浓度、迁移率、电导率、泽贝克系数等性质在455 K前后出现急剧变化.在550 K, Ag_2S的功率因子最高可达5μW·cm~(–1)·K~(–2). Ag_2S在300—600 K温度区间均表现出本征的低晶格热导率(低于0.6 W·m~(–1)·K~(–1)). S亚晶格中随机分布的类液态Ag离子是导致b-Ag_2S体心立方相具有低晶格热导率的主要原因.在573 K, Ag_2S的热电优值可达0.55,与Ag_2Se, Ag_2Te, CuAgSe等已报道的Ag基快离子导体热电材料的性能相当.     

近代薄膜物理研究

 由于薄膜具有许多重要的物理特性和实际应用,它已成为近代物理研究的一个重要分支.广义地讲,薄膜应包括汽态薄膜、液态薄膜和固态薄膜三大类.由于篇幅所限,本文简略地介绍固体薄膜的特点.制备方法及其应用.一、薄膜与大块材料的差异及其物理特性薄膜与大块材料相比有某些特有的性能,正是这种特殊性能,使它在技术上得到重要应用.     

Application of dielectric ceramics on solid-state pulse forming lines

开展了固态脉冲形成线相关材料的研究,基于脉冲形成线的特性参数与材料介电性能之间的关联性,可实现固态脉冲形成线材料的筛选和评估.对不同类型材料介电性能的比较和固态脉冲形成线性能的分析表明:介电常数可调的微波陶瓷是制备固态脉冲形成线较为理想的材料.以Ba-Nb-Ti微波陶瓷制备的同态脉冲形成线可获得高压脉冲前沿5～6 ns,脉宽为13 ns,脉冲平顶为5～6 ns,击穿场强超过17.5 kV/mm.