固体电解质
固体电解质
solid electrolyte
应用在冶金中的具有离子导电性的固态物质。这些物质或因其晶体中的点缺陷或因其特殊结构而为离子提供快速迁移的通道，在某些温度下具有高的电导率(1～10-6西门子／厘米）,故又称为快离子导体。已经发现几十种快离子导体材料,如卤化物中的RbAg4I5、α-AgI是银离子导体，氧化物中的ZrO2(掺杂CaO)、ThO2（掺杂Y2O3）是氧离子导体，β-Al2O3是钠离子导体等。
能斯脱（W.H.Nernst）最早(1899年)研究了 ZrO2-Y2O3固溶体的导电性。1937年出现了用ZrO2基的固溶体组装的高温燃料电池。自从1957年基乌科拉(K.Kiuk-kola)和瓦格纳(C.Wagner)用ZrO2+15mo1％CaO作为固体电解质成功地测定了一些金属氧化物的生成自由焓之后，固体电解质在高温物理化学研究和在气相氧分压和液相氧活度的测定和控制中得到广泛应用。1967年姚(Y.F.Y.Yao)和库默尔(J.K.Kummer)发现了非化学计量比的Na2O与Al2O3的层状复合氧化物Na2O·11Al2O3（又称β-Al2O3）在室温下具有高的电导率，进一步促进了快离子导电材料性质及其结构的研究。
在冶金生产和高温冶金物理化学研究中应用最广的固体电解质是以氧化锆为基体，掺杂以7～20mo1％的二价或三价氧化物(如CaO、MgO、Y2O3和其他稀土氧化物)烧结制成的代位固溶体高温陶瓷。纯ZrO2在常温下是单斜晶型，加热到1150℃会发生相变,转变为四方晶型,同时体积收缩约7％。加入CaO并经高温煅烧后,形成CaO与ZrO2的代位固溶体,ZrO2的晶型变为 CaF2型的立方晶体，且不随温度的变化而改变，从而改善其抗热震性。另一方面，一个Ca2+ 置换一个Zr4+，为保持电中性就要出现一个O2-的空位。掺杂后的固溶体中有大量的氧离子空位。在高温下，氧离子通过这些空位可以快速迁移，形成氧离子导电的固体电解质。1600℃时，掺杂15mo1％CaO的ZrO2的电导率约为1.0西门子／厘米,高于同温度下高炉渣的电导率(0.24～0.82西门子／厘米)也大大高于25℃下1NKCl水溶液的电导率（0.1117西门子/厘米,25℃）。这种ZrO2高温陶瓷具有高的熔点(2700℃)和极稳定的化学性质。在此固溶体中氧离子空位大量存在，因之氧离子的电导率比钙离子和锆离子的电导率约大1010倍,所以，由它作为电解质而组成的电化学电池的电极反应是氧的还原反应：
O2(气)+4e─→2O2- (1)
和氧离子的氧化反应：
2O2-─→O2(气)+4e (2)
近年来，聚合物基质的固体电解质发展迅速。其组成为聚合物中掺入碱金属盐。常见的聚合物基质包括聚氧化乙烯（PEO）、聚丙烯腈（PAN）等，常用的碱金属为锂盐，阴离子对导电性有影响。有些时候基质中所含有的溶剂分子（如碳酸酯）对材料性能有很大影响。此种固体电解质在室温电导率较高。