離子、磁性與光學陶瓷

超離子導體(superionic conductor)

在一般晶體裡,每顆離子都牢牢待在指定的晶格位置,要移動就得做一次罕見又費力的跳躍、跳進空位——所以一般固體是很差的離子導體。超離子導體(superionic conductor)則是一種固體,其中有一整族離子彷彿半熔化了:當晶體其餘部分仍是剛硬的普通固體時,這一族離子卻變得極為可動,幾乎像液體一樣流動。想像一個由某種原子構成的硬鷹架,另一種原子則在它們之間的開放通道中自由流竄,像水穿過海綿。

訣竅在於結構:超離子導體為它的可動離子提供了遠多於離子數目的可用位置,且這些位置由寬闊、低障壁的通道相連,使離子幾乎不必爬什麼能量山就能跳到下一個空位。教科書例子是 alpha 型碘化銀(alpha-AgI):在 147 度 C 以上,碘離子撐住剛硬骨架,而銀離子則在大量幾近等價的位置間亂序分布、以約 1 S/cm 的導電率移動——這已可與液態電解質相比,是一般離子固體的百萬倍。其他例子則搬運鈉(β-氧化鋁)、氧(穩定化氧化鋯)或鋰(石榴石與硫化物電解質)。

超離子導體是每一種固態電解質元件的原料:導電率越高,燃料電池、感測器或固態電池的內電阻就越低。要誠實說:「超離子」是程度問題而非非黑即白的開關;研究者大致把離子導電率爬進約 10^-4 到 10^-1 S/cm 這個真實元件所需區間的固體,就寬鬆地稱為超離子。前沿的獎賞,是找到一種在室溫附近(而非只在燒到通紅時)就能達到這個區間的固體。

在 alpha-AgI 中,每個單位晶胞的 2 顆銀離子分布在多達 42 個可能位置上——空位多得驚人。周圍有這麼多鄰近空位、彼此間障壁又低,銀離子次晶格幾乎像被困住的液體,於是在固態晶體內部展現出近似液體的導電率。

粗略地說,超離子導體就是一個在固態骨架內部住著一團液體的晶體。

「超」並不代表像超導體那樣毫無損耗——只是指對固體而言快得異常。超離子導電仍會以熱的形式耗散能量,也仍會隨材料冷卻而變慢。

又称
fast-ion conductorsolid electrolyte (fast-ion)快離子導體