二、離子導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)后近80年才形成研究熱的奧秘

Nernst的白熾燈實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)于1899年，并引起了整個(gè)世界對(duì)于固體中離子導(dǎo)電現(xiàn)象的極大興趣與關(guān)注。然而研究活動(dòng)始終迂回不前，一直未能見到突破性的成果。直到20世紀(jì)80年代初，伴隨著石油資源短缺和石化污染危機(jī)對(duì)于高能密度固體電池的迫切需求，才出現(xiàn)了以日本名古屋大學(xué)高橋武彥（K.T.Takahashi）教授和法國(guó)P.Hagenmuller教授等為代表的世界研發(fā)熱。其中的原因是顯而易見的，這便是因?yàn)橐环N材料出現(xiàn)高離子電導(dǎo)率的條件非?？量?，當(dāng)人們一時(shí)還未能對(duì)其奇特的導(dǎo)電機(jī)理作出合理的解釋之前，要發(fā)現(xiàn)一種新型的離子導(dǎo)體是相當(dāng)困難的。

那么，要具備什么樣的內(nèi)、外部條件才能夠?qū)崿F(xiàn)快離子導(dǎo)電呢？

（1）導(dǎo)電離子具有選擇性　電子導(dǎo)體的傳導(dǎo)源具有同一性，即均為“電子”，而離子導(dǎo)體的傳質(zhì)卻是各不相同，具有選擇性的。特定的離子只能在特定的基體環(huán)境中才具有長(zhǎng)程的傳導(dǎo)行為。試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，不能宏觀地單單根據(jù)離子尺寸的大小來判定某個(gè)離子是否在某個(gè)材料中具有導(dǎo)電行為。比如β-Al₂O₃是Na離子導(dǎo)體，Na離子能在其中傳導(dǎo)，但盡管Li離子體積更小，但卻無法傳導(dǎo)于其中。

（2）導(dǎo)電特性只能出現(xiàn)在特定的溫度范圍　前面提到的ZrO₂只有當(dāng)溫度上升至1 000℃以上才能出現(xiàn)快離子傳導(dǎo)特性。顯然這就為其研究發(fā)現(xiàn)帶來了困難，而另一方面這又會(huì)對(duì)它的推廣和應(yīng)用帶來制約。

（3）導(dǎo)電行為必須要有能提供同種導(dǎo)電離子的材料為電極才能得以維持，比如銅離子導(dǎo)體必須備有銅質(zhì)的正電極，由于只有這種電極材料才能不斷向離子導(dǎo)體提供導(dǎo)電的銅離子，而使導(dǎo)電過程得以維系，否則電流通道便會(huì)被切斷（如圖8-2所示）。

圖8-2　電極對(duì)于電流過程影響示意圖

由上述可知，與電子導(dǎo)電體的另一個(gè)重大區(qū)別是離子導(dǎo)體除了由于離子的遷移引起的導(dǎo)電行為外，還伴隨著物質(zhì)的遷移，從而必然會(huì)賦予其不可估量的應(yīng)用前景。比如對(duì)一個(gè)銅離子導(dǎo)體施加電場(chǎng)之后，因?yàn)殂~離子向負(fù)極遷移，從而可于其上得到銅離子，最終生成金屬銅原子，人們認(rèn)為這是一種提煉高度純銅材料的有效途徑。

綜上所述，不難給“快離子導(dǎo)體”作出這樣一個(gè)定義：即在固體狀態(tài)下，具有某種選擇性的低離子活化能（E_ac<0.5eV）和高離子電導(dǎo)率（σ _i >10^?4 S/m）的材料，其離子電導(dǎo)率與其熔鹽或強(qiáng)電解液相當(dāng)；與此同時(shí)其電子電導(dǎo)率（σ_e <10^?11S/m ）。

“固體電能質(zhì)”又稱“快離子導(dǎo)體”或“超離子導(dǎo)體”（Super Ionic Conductor）。為免于和“固體電解質(zhì)”及“超導(dǎo)體”相混淆，我們建議使用“快離子導(dǎo)體”這一術(shù)語，但在其他書籍和資料中，“固體電解質(zhì)”這個(gè)名詞仍被沿用。

對(duì)于快離子導(dǎo)體的研究，引起了兩方面的不同興趣?；瘜W(xué)家們以材料的電化學(xué)研究為基礎(chǔ)，打開了它在電化學(xué)器件領(lǐng)域應(yīng)用的大門。其中著重研究離子導(dǎo)電過程所伴隨的物質(zhì)轉(zhuǎn)移特性，以及電極系統(tǒng)對(duì)于離子導(dǎo)電特性的控制效應(yīng)；物理學(xué)家們則以對(duì)導(dǎo)電離子傳輸機(jī)理的研究為基礎(chǔ)，開辟了一個(gè)嶄新的離子導(dǎo)電物理研究的新領(lǐng)域。人們十分有趣的發(fā)現(xiàn)：很多在固態(tài)電子學(xué)中已經(jīng)確立并成熟的效應(yīng)，在快離子導(dǎo)體中卻未見對(duì)應(yīng)的結(jié)果，或需進(jìn)行修正。如半導(dǎo)體中的電磁效應(yīng)（霍爾效應(yīng)）、測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系、能帶理論、泡利不相容原則、超導(dǎo)體中的布雷恩-約瑟夫遜效應(yīng)等，以及快離子導(dǎo)體中除電子自旋磁矩和核子自旋磁矩外，還存在很強(qiáng)的離子流磁矩等。

總之，一門新興的學(xué)科 ——《固態(tài)離子學(xué)》正在形成和迅速發(fā)展，它正如一塊尚未被開墾的肥沃的處女地，正等待著人們的耕耘與開拓，相信不久的將來定會(huì)開放出艷麗的奇葩、收獲豐碩的果實(shí)。