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    电子电导率的测试原理及检测方法
    来源: 时间:2022-12-29 09:12:23 浏览:3944次

    1 引言

    电导率是导体及半导体材料的重要的电学参数之一,电导率的大小与材料的电性能有十分密切的关系。在光伏、电化学、储能、导电聚合物等领域,材料电导率的表征几乎是不可或缺的。在此,本文重点总结了材料的电子电导率的测试原理及方法,希望对各位同学有所帮助。

    2 导体与电导率

    2.1 导体的分类

    导体是指电阻率很小且易于传导电流的物质。导体中存在大量可自由移动的带电粒子称为载流子。在外电场作用下,载流子作定向运动,形成明显的电流。根据材料导电时载流子种类的不同,可以把材料分为两类:第一类导体和第二类导体

    第一类导体是以电子为载流子的材料,如金属、石墨、碳材料等。在这类材料中,原子的核外价电子能轻易挣脱原子核的束缚成为自由电子,并在外加电场的作用下定向运动,因此这类导体也称为电子导体。这类材料在导电的过程中,本身不发生任何化学变化。

    第二类导体是以离子为载流子的材料,常见的第二类导体主要是含电解质的溶液或熔融态的电解质(如NaCl水溶液),其载流子是正负离子。这类材料多为离子晶体,阴阳离子之间的结合能较高,原子的价电子难以挣脱原子核的束缚单独运动,只能与阴阳离子一起运动,因此这类材料也称为离子导体。离子导体虽然能导电,但其在通电过程中往往伴随着化学变化,且有物质的转移,这也是其区别于电子导体的特征。

    除了这两类常见的导体外,还有一类特殊的导体——电离的气体,一般称为气体导体。其原理是利用高能射线、高温或超高电压使气体发生电离,形成气态的导体。气体导体同时含有正负离子和自由电子,常应用于电光源制造工业。日光灯中的氩气在高电压的作用下发生电离产生弧光放电现象,电离后的氩气就是一种气体导体。

    2.2 电导率

    电导率用来描述物质中电荷流动难易程度的参数,其值与介质中电场强度的乘积为电流密度。电导率的标准单位是西门子/米(S/m),大小为1 A的电流通过物体的横截面并存在1 V电压时,物体的电导就是1S。物质的电导率也等于电阻率p的倒数,即o=1/p,如公式(1)所示:

    其中,R为电阻,!和A分别为测试样的长度和横截面积。因此,电导率可以认为是指长度为l m、横截面积为l m2的物质的电导,或体积为1 m2的导体的电导。

    已经有电阻率了,为什么还要引入电导率的概念呢?我们知道,不同的物质的导电能力有较大的差异。对于电子导体,金属银的导电性最佳,其次是铜。而对于离子导体,其导电能力往往与电解质的浓度有较大的关系。大多数金属的导电能力远远优于电解质溶液。因此,为了更直观的对比不同类导体间的导电能力,引入电导率的概念就更加方便。

    3 电子电导率测试原理

    材料的电子电导率是通过测量其电阻率来确定的。根据安培公式R=U/I,通过测定通过导体的电流和通过导体的电压降计算出导体的电阻,并测量出待测样品的几何尺寸,进而通过公式(1)计算电导率。这种方法我们一般称为直流法,直流法又包括二探针和四探针法,这类方法主要针对纯电子导电的材料。当测量混合导体时,即导体中含有电子和离子两类载流子时,由于离子的导电性具有不可逆性,电荷转移阻抗会影响测量,因此,直流法常常选择离子阻塞电极,使电子导电率的测量更加准确。

    3.1 二探针直接测量法

    图1为探针科技RTS-7型二探针测试仪的仪器。大部分二探针法测量材料电导率的实验装置原理基本类似,如图2所示。由于测试时试样处于两探针之间,探针、集流体、试样是串联接入电路,故最终测试得到的电阻包括探针本身电阻、探针与涂层的接触电阻、涂层电阻、涂层与集流体接触电阻、集流体本身电阻。

    图1 RTS-7型二探针测试仪

    该方法的缺点是很难得到材料本身电导率的绝对值,对测试本身电导率较高的材料具有较大的误差。

    图2 两探针电阻仪装置示意图

    除了仪器自身的误差外,试验参数(施加的电流和施加的压强)对最终测试的样品电阻有较大影响。施加的电流主要对于高电阻材料(如磷酸铁锂)影响较小,加载电流较小时就能得到稳定结果;而对于低电阻材料(石墨电极),加载电流相对较高才能得到稳定结果,最终对所有测试电极选择10 mA 的加载电流以实现比较稳定的测量结果。而对于粉末活性材料,并不是对单个粉末颗粒进行测试,而是对于整体聚集的粉末样品,因此压强对粉末样的电导有较大的影响。如图3所示,施加的压强小,则样品颗粒之间的接触不好,导致电子传导受阻;反之,压强增大样品颗粒之间的接触变得良好,电子传导会增强,电导也会变大。此外,湿度和温度也会影响材料的电导率。基于以上原因,粉末样品电阻率的表述通常并非单一值,而是电阻率随压强的变化关系(表1)。

    图3 粉末样品在不同压力下的接触情况
    表1 粉末样品在不同压力下的电导率

    3.2 四探针测量法

    四探针法是在两探针法基础上的改进,通过在电流探针之间再加上两根探针,在很大程度上消除了接触电阻的影响。两探针与四探针之间的电极构建差异可以归纳如图4所示。在两探针法中,测量回路和电流回路是同一回路,回路本身的电阻会对测试结果有较大影响;而在四探针法中,测量回路和电流回路则是并联的,回路中的电阻则不会对测量结果产生不可忽略的影响。因此,无论样品的电阻大小,只要其测试样品的尺寸足够大,则测量结果就足够精确。此外,为了进一步消除电压探针本身的接触电阻和注入效应,四探针法还采用补偿法来测量电压,使电流不必通过电压探针,从而测试的电阻较为准确。

    图4 二探针(上)与四探针(下)之间的电极构建
    图5 任意位置的四探针(左)和直线型四探针仪(右)

    第二,如果测试样涂层相对较厚,四探针法仅能得到部分涂层的电阻贡献,而忽略了极片的涂层梯度,因此也无法全面表征极片电阻值。

    尽管四探针测试结果也存在一定误差,但是该方法仍是最常用的材料电导率测试手段。合理地运用这些手段来分析并解决实际生产和科学研究中的问题,才是我们掌握这些测试技术的初衷。

    4 参考文献

    [1] 周东祥, 潘晓光. 电子材料与元器件测试技术[M]. 华中理工大学出版社, 1994.

    [2] 许洁茹, 凌仕刚, 王少飞,等. 锂电池研究中的电导率测试分析方法[J]. 储能科学与技术, 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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    12条评论
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    全部 3小时前 四川
    文字是人类用符号记录表达信息以传之久远的方式和工具。现代文字大多是记录语言的工具。人类往往先有口头的语言后产生书面文字,很多小语种,有语言但没有文字。文字的不同体现了国家和民族的书面表达的方式和思维不同。文字使人类进入有历史记录的文明社会。
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