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電子電導(dǎo)率的測(cè)試原理及檢測(cè)方法

來(lái)源：時(shí)間：2022-12-29 09:12:23 瀏覽：6073次

1 引言

電導(dǎo)率是導(dǎo)體及半導(dǎo)體材料的重要的電學(xué)參數(shù)之一，電導(dǎo)率的大小與材料的電性能有十分密切的關(guān)系。在光伏、電化學(xué)、儲(chǔ)能、導(dǎo)電聚合物等領(lǐng)域，材料電導(dǎo)率的表征幾乎是不可或缺的。在此，本文重點(diǎn)總結(jié)了材料的電子電導(dǎo)率的測(cè)試原理及方法，希望對(duì)各位同學(xué)有所幫助。

2 導(dǎo)體與電導(dǎo)率

2.1 導(dǎo)體的分類

導(dǎo)體是指電阻率很小且易于傳導(dǎo)電流的物質(zhì)。導(dǎo)體中存在大量可自由移動(dòng)的帶電粒子稱為載流子。在外電場(chǎng)作用下，載流子作定向運(yùn)動(dòng)，形成明顯的電流。根據(jù)材料導(dǎo)電時(shí)載流子種類的不同，可以把材料分為兩類：第一類導(dǎo)體和第二類導(dǎo)體。

第一類導(dǎo)體是以電子為載流子的材料，如金屬、石墨、碳材料等。在這類材料中，原子的核外價(jià)電子能輕易掙脫原子核的束縛成為自由電子，并在外加電場(chǎng)的作用下定向運(yùn)動(dòng)，因此這類導(dǎo)體也稱為電子導(dǎo)體。這類材料在導(dǎo)電的過(guò)程中，本身不發(fā)生任何化學(xué)變化。

第二類導(dǎo)體是以離子為載流子的材料，常見的第二類導(dǎo)體主要是含電解質(zhì)的溶液或熔融態(tài)的電解質(zhì)（如NaCl水溶液），其載流子是正負(fù)離子。這類材料多為離子晶體，陰陽(yáng)離子之間的結(jié)合能較高，原子的價(jià)電子難以掙脫原子核的束縛單獨(dú)運(yùn)動(dòng)，只能與陰陽(yáng)離子一起運(yùn)動(dòng)，因此這類材料也稱為離子導(dǎo)體。離子導(dǎo)體雖然能導(dǎo)電，但其在通電過(guò)程中往往伴隨著化學(xué)變化，且有物質(zhì)的轉(zhuǎn)移，這也是其區(qū)別于電子導(dǎo)體的特征。

除了這兩類常見的導(dǎo)體外，還有一類特殊的導(dǎo)體——電離的氣體，一般稱為氣體導(dǎo)體。其原理是利用高能射線、高溫或超高電壓使氣體發(fā)生電離，形成氣態(tài)的導(dǎo)體。氣體導(dǎo)體同時(shí)含有正負(fù)離子和自由電子，常應(yīng)用于電光源制造工業(yè)。日光燈中的氬氣在高電壓的作用下發(fā)生電離產(chǎn)生弧光放電現(xiàn)象，電離后的氬氣就是一種氣體導(dǎo)體。

2.2 電導(dǎo)率

電導(dǎo)率用來(lái)描述物質(zhì)中電荷流動(dòng)難易程度的參數(shù)，其值與介質(zhì)中電場(chǎng)強(qiáng)度的乘積為電流密度。電導(dǎo)率的標(biāo)準(zhǔn)單位是西門子/米(S/m)，大小為1 A的電流通過(guò)物體的橫截面并存在1 V電壓時(shí)，物體的電導(dǎo)就是1S。物質(zhì)的電導(dǎo)率也等于電阻率p的倒數(shù)，即o=1/p，如公式(1)所示:

其中，R為電阻，!和A分別為測(cè)試樣的長(zhǎng)度和橫截面積。因此，電導(dǎo)率可以認(rèn)為是指長(zhǎng)度為l m、橫截面積為l m2的物質(zhì)的電導(dǎo)，或體積為1 m2的導(dǎo)體的電導(dǎo)。

已經(jīng)有電阻率了，為什么還要引入電導(dǎo)率的概念呢?我們知道，不同的物質(zhì)的導(dǎo)電能力有較大的差異。對(duì)于電子導(dǎo)體，金屬銀的導(dǎo)電性最佳，其次是銅。而對(duì)于離子導(dǎo)體，其導(dǎo)電能力往往與電解質(zhì)的濃度有較大的關(guān)系。大多數(shù)金屬的導(dǎo)電能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于電解質(zhì)溶液。因此，為了更直觀的對(duì)比不同類導(dǎo)體間的導(dǎo)電能力，引入電導(dǎo)率的概念就更加方便。

3 電子電導(dǎo)率測(cè)試原理

材料的電子電導(dǎo)率是通過(guò)測(cè)量其電阻率來(lái)確定的。根據(jù)安培公式R=U/I，通過(guò)測(cè)定通過(guò)導(dǎo)體的電流和通過(guò)導(dǎo)體的電壓降計(jì)算出導(dǎo)體的電阻，并測(cè)量出待測(cè)樣品的幾何尺寸，進(jìn)而通過(guò)公式（1）計(jì)算電導(dǎo)率。這種方法我們一般稱為直流法，直流法又包括二探針和四探針法，這類方法主要針對(duì)純電子導(dǎo)電的材料。當(dāng)測(cè)量混合導(dǎo)體時(shí)，即導(dǎo)體中含有電子和離子兩類載流子時(shí)，由于離子的導(dǎo)電性具有不可逆性，電荷轉(zhuǎn)移阻抗會(huì)影響測(cè)量，因此，直流法常常選擇離子阻塞電極，使電子導(dǎo)電率的測(cè)量更加準(zhǔn)確。

3.1 二探針直接測(cè)量法

圖1為探針科技RTS-7型二探針測(cè)試儀的儀器。大部分二探針法測(cè)量材料電導(dǎo)率的實(shí)驗(yàn)裝置原理基本類似，如圖2所示。由于測(cè)試時(shí)試樣處于兩探針之間，探針、集流體、試樣是串聯(lián)接入電路，故最終測(cè)試得到的電阻包括探針本身電阻、探針與涂層的接觸電阻、涂層電阻、涂層與集流體接觸電阻、集流體本身電阻。

該方法的缺點(diǎn)是很難得到材料本身電導(dǎo)率的絕對(duì)值，對(duì)測(cè)試本身電導(dǎo)率較高的材料具有較大的誤差。

除了儀器自身的誤差外，試驗(yàn)參數(shù)（施加的電流和施加的壓強(qiáng)）對(duì)最終測(cè)試的樣品電阻有較大影響。施加的電流主要對(duì)于高電阻材料（如磷酸鐵鋰）影響較小，加載電流較小時(shí)就能得到穩(wěn)定結(jié)果；而對(duì)于低電阻材料（石墨電極），加載電流相對(duì)較高才能得到穩(wěn)定結(jié)果，最終對(duì)所有測(cè)試電極選擇10 mA 的加載電流以實(shí)現(xiàn)比較穩(wěn)定的測(cè)量結(jié)果。而對(duì)于粉末活性材料，并不是對(duì)單個(gè)粉末顆粒進(jìn)行測(cè)試，而是對(duì)于整體聚集的粉末樣品，因此壓強(qiáng)對(duì)粉末樣的電導(dǎo)有較大的影響。如圖3所示，施加的壓強(qiáng)小，則樣品顆粒之間的接觸不好，導(dǎo)致電子傳導(dǎo)受阻；反之，壓強(qiáng)增大樣品顆粒之間的接觸變得良好，電子傳導(dǎo)會(huì)增強(qiáng)，電導(dǎo)也會(huì)變大。此外，濕度和溫度也會(huì)影響材料的電導(dǎo)率?；谝陨显?，粉末樣品電阻率的表述通常并非單一值，而是電阻率隨壓強(qiáng)的變化關(guān)系（表1）。

3.2 四探針測(cè)量法

四探針法是在兩探針法基礎(chǔ)上的改進(jìn)，通過(guò)在電流探針之間再加上兩根探針，在很大程度上消除了接觸電阻的影響。兩探針與四探針之間的電極構(gòu)建差異可以歸納如圖4所示。在兩探針法中，測(cè)量回路和電流回路是同一回路，回路本身的電阻會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果有較大影響；而在四探針法中，測(cè)量回路和電流回路則是并聯(lián)的，回路中的電阻則不會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生不可忽略的影響。因此，無(wú)論樣品的電阻大小，只要其測(cè)試樣品的尺寸足夠大，則測(cè)量結(jié)果就足夠精確。此外，為了進(jìn)一步消除電壓探針本身的接觸電阻和注入效應(yīng)，四探針法還采用補(bǔ)償法來(lái)測(cè)量電壓，使電流不必通過(guò)電壓探針，從而測(cè)試的電阻較為準(zhǔn)確。

第二，如果測(cè)試樣涂層相對(duì)較厚，四探針法僅能得到部分涂層的電阻貢獻(xiàn)，而忽略了極片的涂層梯度，因此也無(wú)法全面表征極片電阻值。

盡管四探針測(cè)試結(jié)果也存在一定誤差，但是該方法仍是最常用的材料電導(dǎo)率測(cè)試手段。合理地運(yùn)用這些手段來(lái)分析并解決實(shí)際生產(chǎn)和科學(xué)研究中的問題，才是我們掌握這些測(cè)試技術(shù)的初衷。

4 參考文獻(xiàn)

[1] 周東祥, 潘曉光. 電子材料與元器件測(cè)試技術(shù)[M]. 華中理工大學(xué)出版社, 1994.

[2] 許潔茹, 凌仕剛, 王少飛,等. 鋰電池研究中的電導(dǎo)率測(cè)試分析方法[J]. 儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù), 2018(5): 926-955.

[3] WESTPHAL B G, MAINUSCH N, MEYER C, et al. Influence of high intensive dry mixing and calendering on relative electrode resistivity determined via an advanced two point approach[J]. Journal of Energy Storage, 2017, 11: 76-85.

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