固体电解质与典型的金属、半导体和绝缘体，红宝石电容固态电解质

红宝石电容液体电解质被广泛使用，但固体电解质也已开始逐渐受到广泛关注，如果固体电解质完全取代液体电解质，就可得到全固态离子器件，这也将是电化学器件储能领域的一大变革。一般来说，具有实用价值的固体电解质其室温电导率应在1～10-5S·cm-1范围内。这个值介于金属与绝缘体之间，在数量级上与半导体和液态电解质的离子电导率相当，，固体电解质与典型的金属、半导体和绝缘体的室温电导率对比图注：固体电解质的电导率范围如图中虚线所示固态电解质又可称为“超离子导体”或“快离子导体”，它是一类在其固态时具有与熔融盐或液体电解质相当离子电导率的材料。理想的无机固态电解质材料需满足以下要求：①在工作温度下要有良好的离子电导率（10-1～10-4S·cm-1）；②具有极低的电子电导率（<10-6S·cm-1）；③化学稳定性要好，不能与电极材料发生化学反应；④具有较小的晶界电阻；⑤热膨胀系数同电极材料相匹配；⑥较高的电化学分解电压（>5.0V）；⑦对环境友好、原料廉价易得、易制备等。固体电解质的内部含有许多缺陷，如离子空位、间隙。它的结构和性质介于正常晶体（具有规则的三维结构和不可移动的原子和离子）和液体电解质（不具有规则的结构，但离子可以自由移动）之间，这种结构对于离子的迁移十分有利。其结构与它的离子导电机理、电化学性质等变化规律有关，在物理学界与电化学界受到普遍关注并吸引了大量工作者对其进行开发与研究。对于目前的固态电解质而言，我们大体可以将其分为三类：①无机固态电解质（ISEs）；②固态聚合物电解质（SPEs）；③复合固态电解质（CSEs）。而无机固态电解质构成多样，根据其配体上不同的杂环原子又可细分为氧化物、硫化物和氮化物固态电解质。图8-2为固态电解质的一些应用和可能的潜在应用，固态电解质中的离子传输与液体电解质中的阳离子和阴离子的耦合传输不同，但由于无机固态电解质（ISEs）固有的电导率较高，在特定条件下，其电导率会随着温度的上升而升高，当温度从室温上升至300℃时，典型固体电解质的电导率一般可提高2～3个数量级，研究了玻璃态和结晶态卤化银（AgBr、AgI）的导电情况，测量定了其热力学、动力学参数，并研究了其离子迁移状况。19世纪末期，固体电解质被首次应用于制备氧离子导体，氧离子导体作为白炽灯的光源，当电流经过电解质时，电阻减小并发光。1904年固体电解质被证实适用于法拉第定律。同时低温固体电解质材料碘化银的发现结束了人们一直以来对超离子导电固体材料的误解，是固体电解质研究过程的重要突破。到20世纪中后期，锂离子导体渐渐开始发展起来。在LiI和Al2O3（孔径3～15nm）的混合体系中发现，该体系中锂离子室温电导率高达10-4S·cm-1，与掺入粒径10μm的Al2O3颗粒的复合材料相比，增加了1～2个数量级，界面稳定性提高50%。对于这种现象研究者给出了这样的推测，红宝石电容性能的提升主要是由于Li+吸附在具有亲核性的Al2O3表面，形成空间电荷区域从而提高了离子的传导能力。能源、电力等与碱金属离子导体密切相关，已经有众多研究人员从事这种类型导体的研究与开发工作，这对固体电解质材料的发展起到了积极的推动作用。