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LiZrS快离子导体的研究
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固体电解质(有时又称快离子导体)是指离子电导率接近有时
甚至超过盐溶液和电解质溶液的一类固态材料。用作电致变色玻璃器
件的快离子导体,除要求室温下具有高的离子电导率外,还要求具有
非常低的电子电导率,在所要求的光谱区域内具有高的透过率和反射
率、易成膜、好的机械稳定性及可动离子在变色层中具有足够的迁移
率。
一、课题研究背景
(一)国内外的研究现状
随着对电致变色控光器件的进一步深入研究,人们越来越将
研究重点放在关键的离子导体层(IC)上。最初的电致变色器件中,离
子导体层采用的是液体电解质。液体电解质虽然具有较高的离子电导
率,从而使整个电致变色器件具有较快的响应速度,但其对电致变色
膜有腐蚀作用,会加速膜层的老化及脱落,器件也难以封装。因此要
使电致变色器件实用化,必定要使离子导体层固态化,可见离子导体
层已经成为实现电致变色器件全固态化的关键。目前,国外已成功研
制出全固态电致变色器件,但因成本太高还未投入商业化生产;而国
内至今还没能研制出性能优良的固态快离子导体薄膜,尚处于摸索阶
段。
电致变色器件中的快离子导体,除要求室温下具有高的离子电导
率外,还要求具有非常低的电子电导率,在所要求的光谱区域内(通
常为0.35~1.5μm)具有高的透射率、易成膜、好的化学和机械稳定性
及可动离子在变色层中具有足够的迁移率。为此,虽然有许多快离子
导体具有很高的离子电导率,但是由于各种条件的限制,可用作电致
变色器件中的快离子导体材料并不多。
(二)研究目的及其意义
目前,国内外正致力于寻找适于电致变色器件使用的快离子
导体。我国对快离子导体薄膜材料的研究还是近些年才开始的,
尚处于起步阶段,从现阶段研究的状况来看,国内在将快离子导
体应用到电致变色器件的研究上存在以下几个问题:
①在固体电解质材料中,对高分子聚合物材料、氧化物快离
子以及碱金属材料研究得较广泛,而对氮化物快离子导体极少研
究,目前报道的仅有LiN。还没有形成一个大范围的快离子导体材
3
料研究体系。
②现阶段研究的快离子导体薄膜材料与电致变色器件中的其
它膜层配合后,仍存在诸如变色效果下降、响应时间慢等问题。
③用于电致变色器件的快离子导体研究仍然停留在实验室阶
段,目前电致变色器件的循环寿命不够长,镀膜面积过小,尚未
能投入大规模的商业化生产。因此制备大面积、全固态、循环寿
5
命达到10次以上的电致变色器件仍是主要的研究目标。
因此,要实现电致变色器件的全固态化、薄膜化就需要解决
诸多问题,例如:要找到可以与EC层性能相兼容、响应速度快、
具有稳定自恢复特性的离子传导层;要求EC层和CE层所能注入的
电荷量相近;各层材料均有较好的耐久性和配合性。
有研究表明,对于固态无机电解质,硫化物的固态电解质通
常比氧化物固态电解质的锂离子电导率高。因为原子半径较大的
硫原子比氧原子具有较高的极化度,并且具有较强电负性的氧离
子拥有更强吸引锂离子的能力。因此较之于硫化物电解质,锂离
子在氧化物电解质中的平均自由迁移率将要减少。
目前,有文献报道[1]已成功地获得一种新的固态锂离子导体,
o2+4+
LiZrS,在30C时通过Zn部分的取代了Zr,它的最高离子电导率
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-42+4+
可以提高到1.2×10S/cm。因为Zn部分的取代了Zr将会产生空
隙,这些空隙可以锂离子的移动提供通道,从而减少了锂离子的
移动阻力并提高了锂离子传导率。但是此文献报道的锂离子导体
是应用于二次电池中,还没有见到将其应用于电致变色玻璃中的
报道出现。
本研究旨在用磁控溅射方法制备LiZrS:Zn薄膜,对其离子传
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