一、固体材料中的导电行为只能是电子过程吗
人们传统的观念认为，固体材料的导电行为一般只是由电子形成的，只有在液体电解质材料中，除了电子电导之外，还会存在较大值的离子电导。比如NaCl溶液在电场作用下，正离子Na+向着负极迁移，负离子Cl-向着正极迁移而构成电导。理论上说，没有缺陷的离子晶体是一种绝缘体，离子晶体极其低的导电率只来源于由杂质或热激活引起的少量点缺陷的迁移。科技工作者在20世纪80年代发现了一类电导率可与液体电解质相比拟的固态导电材料，被称为“固体电解质”（Solid Electrolyte）。电解质陶瓷如此高的电导率，绝非是借助于电子和少量点缺陷的迁移所能达到的。研究发现，这类电解质陶瓷的高电导是由离子的迁移造成，其离子电导率比经典离子导体，如碱金属卤化物等，高十几个数量级！所以又将这类材料称为“快离子导体”（Fast Ionic Conductor）。
和金属导体不同，快离子导体在传输电荷的同时还伴随着物质的迁移，这便使它们具有不同于电子导体的特殊用途。众所周知，在不导电的电介质材料中，由于正负电荷呈紧束缚状态而无法分离，长程序的宏观电流极小（或可被忽略）。电介质材料一般可分为两类：第一类称为“无极分子材料”，如水、氮、甲烷等，在无外电场作用时，其正负电荷中心重合，两者间距为零，偶极矩亦为零。在外电场作用下，正负电荷只能产生弹性的位移，形成等效偶极子，但仍无法摆脱相互间的约束，这种状态称为“离子式位移极化”。第二类称为“极性分子材料”，如二氧化碳、硫化氢、氨气等，在无电场存在时，虽然正负电荷不相重合而形成了电偶极子，但因取向杂乱无章，宏观上不呈现电性，只有当外电场存在时，偶极子才顺应电场方向做弹性的转向，互呈首尾相吸的状态，最终于电极板表面产生充电束缚电荷，这称为“偶极子式转向极化”，但是仍然产生不了离子电荷长程运动而形成的宏观电流。
固体电介质材料中不存在离子电流的原因，可以这样粗略地理解为：由于离子体积过大，在质点处于紧密堆积状态的坚实固体材料中，无法实现长程序的迁移，或无法获得足以使之迁移的能量，离子只能在电场作用下做很短程的迁移，即极化过程。
然而，人们对事物的认识始终处于不断探求，时有突破，逐渐深化的规律之中。
二、离子导体发现后近80年才形成研究热的奥秘
Nernst的白炽灯实验出现于1899年，并引起了整个世界对于固体中离子导电现象的极大兴趣与关注。然而研究活动始终迂回不前，一直未能见到突破性的成果。直到20世纪80年代初，伴随着石油资源短缺和石化污染危机对于高能密度固体电池的迫切需求，才出现了以日本名古屋大学高桥武彦（K.T.Takahashi）教授和法国P.Hagenmuller教授等为代表的世界研发热。其中的原因是显而易见的，这便是因为一种材料出现高离子电导率的条件非常苛刻，当人们一时还未能对其奇特的导电机理作出合理的解释之前，要发现一种新型的离子导体是相当困难的。
那么，要具备什么样的内、外部条件才能够实现快离子导电呢？
（1）导电离子具有选择性
电子导体的传导源具有同一性，即均为“电子”，而离子导体的传质却是各不相同，具有选择性的。特定的离子只能在特定的基体环境中才具有长程的传导行为。试验还发现，不能宏观地单单根据离子尺寸的大小来判定某个离子是否在某个材料中具有导电行为。
（2）导电特性只能出现在特定的温度范围
前面提到的ZrO2只有当温度上升至1000℃以上才能出现快离子传导特性。显然这就为其研究发现带来了困难，而另一方面这又会对它的推广和应用带来制约。
（3）导电行为必须要有能提供同种导电离子的材料为电极才能得以维持，比如铜离子导体必须备有铜质的正电极，由于只有这种电极材料才能不断向离子导体提供导电的铜离子，而使导电过程得以维系，否则电流通道便会被切断。
由上述可知，与电子导电体的另一个重大区别是离子导体除了由于离子的迁移引起的导电行为外，还伴随着物质的迁移，从而必然会赋予其不可估量的应用前景。比如对一个铜离子导体施加电场之后，因为铜离子向负极迁移，从而可于其上得到铜离子，最终生成金属铜原子，人们认为这是一种提炼高度纯铜材料的有效途径。
综上所述，不难给“快离子导体”作出这样一个定义：即在固体状态下，具有某种选择性的低离子活化能和高离子电导率（的材料，其离子电导率与其熔盐或强电解液相当；与此同时其电子电导率。
“固体电能质”又称“快离子导体”或“超离子导体”（Super Ionic Conductor）。为免于和“固体电解质”及“超导体”相混淆，我们建议使用“快离子导体”这一术语，但在其他书籍和资料中，“固体电解质”这个名词仍被沿用。
对于快离子导体的研究，引起了两方面的不同兴趣。化学家们以材料的电化学研究为基础，打开了它在电化学器件领域应用的大门。其中着重研究离子导电过程所伴随的物质转移特性，以及电极系统对于离子导电特性的控制效应；物理学家们则以对导电离子传输机理的研究为基础，开辟了一个崭新的离子导电物理研究的新领域。人们十分有趣的发现：很多在固态电子学中已经确立并成熟的效应，在快离子导体中却未见对应的结果，或需进行修正。如半导体中的电磁效应（霍尔效应）、测不准关系、能带理论、泡利不相容原则、超导体中的布雷恩-约瑟夫逊效应等，以及快离子导体中除电子自旋磁矩和核子自旋磁矩外，还存在很强的离子流磁矩等。
总之，一门新兴的学科——《固态离子学》正在形成和迅速发展，它正如一块尚未被开垦的肥沃的处女地，正等待着人们的耕耘与开拓，相信不久的将来定会开放出艳丽的奇葩、收获丰硕的果实。
三、大体积离子怎能在固体材料中长程定向传输——快离子导体的离子传导机理简述
虽然固体中的离子导电机理尚不成熟，但科学家们已经提出的各种模型和理论却为数不少，如离子扩散跃迁模型、亚晶格气体模型、连续随机模型、快离子导电相的相变理论、离子能带结构理论等。这些论点都很独到，但往往还有局限或不足之处。而新近人们所提出的论据，又常涉及比较高深的数学推演，在此就不进行详细介绍了。本节只作一个比较浅表、易为理解的表述，以期初识者建立一个比较直观的轮廓。
我们可以这样设想，离子导体是由两种亚晶格组成的，其中一种是不运动的基体离子亚晶格，它无异于通常的离子晶体结构，是一个具有缺陷的“敞开结构”（Open Structure）网络，并成为整个材料的骨架；另一种则是运动离子亚晶格，其中的离子几乎呈布朗运动状态，在晶格中进行着类似液态的大规模的长程运动。为了方便起见，仍然将这种运动离子亚晶格作为“高度不完整”晶格来处理。为使问题简化，假设运动离子主要与不运动的束缚离子之间存在相互作用，而与其他运动离子间的相互作用则被忽略不计。
离子在晶体中的运动特征，取决于晶体结构和化学键性质，离子的运动一般应具备下列条件：
（1）必须存在一定数量激活能很低（一般小于0.5eV）的可动离子，该值相当于密堆积晶体结构中形成一个点缺陷所需能量的1/10至1/5。离子（空位）迁移数大于99%；
（2）应包含能量近似相等，数目远比传导离子多，并可容纳传导离子的空隙位。这些空隙位彼此相连，构成一种可以提供导电离子运动的连续结晶学通道。该连续通道也可能是由离子在临近质点空位的接力跃迁构成的，离子运动所需克服的位垒应足够小，从而使得离子的激活能极低；
（3）材料的电子电导率甚低，电子迁移率通常小于1%；
（4）相变能量小，在使用温度下热力学性质稳定。
通常在离子晶体中的扩散，可以理解为离子的扩散或离子空位的反方向扩散。导电离子的运动过程常采用两个特征时间来描述：离子在两个势阱间所消耗的时间称为离子的“平均渡越时间”τtran；离子在势阱中滞留的时间称为“平均居留时间”。经典扩散理论通常认为，一般离子晶体的离子具有瞬间跳跃特征，这也可理解为离子在格点或间隙位出现的几率较出现在鞍峰的几率大得多；而对于快离子导体而言，则运动离子滞留在势阱的时间极短，即几乎快得与跃过势垒的时间相当。“快”离子导体的名称便由此而来。
四、快离子导体材料中的佼佼者
经过人们数十年的研究，目前已被揭示的快离子导体材料已有数百种之多，当然其中有些还处于被研究的阶段，尚未具有实际应用的价值。纵观这些材料，不难发现一个普遍的规律，那就是导电离子一般为尺寸小的一价阳离子（两价的氧离子是唯一的例外），显然这是由于一价的离子体积最小，而低荷电量则受周围电荷牵制弱，才使得其便于迁徙和运动。
1.作为快离子传导特性研究典型的α-AgI与银系离子导体
银离子导体是发现最早、研究最多、最成熟的快离子导体，常常被人们用来作为分析快离子导电特性的典型材料。Tubandt和Lorenz于1903年发现，低温相的氧化银（β-AgI）在温度上升至146℃～555℃，转变成高温相（α-AgI）时，电导率突然上升3倍以上。进一步研究后又发现，如果对它的阴离子进行置换，所生成的一系列银的卤族和硫族化合物，从而引起了人们的广泛注意。对于银离子导体α-AgI的研究，使人们对快离子导体的了解得到了发展，并对于促成快离子器件的应用也具有十分重要的意义。
2.最廉价的快离子导电材料——铜离子导体
银离子导体开发成功以后，银材料价格的高昂很明显地制约了它的广泛应用。由于Cu+离子与Ag+离子具有类似的性质，但后者则价廉得多，从而人们便很自然地着手用铜替代银的研究。首先被提出来的是CuI，这样，原来银离子导体的离子置换手段，便很自然地为铜离子导体的改性研究提供了思路。研究发现，它在高温下确实具有相当高的离子电导率，但在常温下该值低得没有实用价值。
3.具有层状结构的Na+离子导电陶瓷
4.不多见的阴离子导电材料——氧离子导体
在前面的分析中曾认为，荷电量小的离子受晶格电场的牵制小，而体积小的离子又便于在晶格中迁移，因此导电离子一般应该是一价的阳离子。但是Nernst、Wagner等人的研究则报道了氧化锆固溶体在高温度时亦可具有很大的电流值，而且研究确定，电导现象主要由氧离子造成。虽然在晶格中存在着大量的氧离子空位。所以严格地说，该材料不属于快离子导体范畴，但由于其确实存在很高的离子电导，所以通常也将其作为快离子导体来讨论。
