材料化学第三章固体扩散.pptVIP

3、扩散系数的实验测定 都是测定扩散物质在固体试样中的浓度分布及其对时间和温度的依赖关系。 间接测定 电导率 显微硬度 发光光谱 3.3 扩散系数 直 接 测 定 发射光谱 质谱 X射线荧光光谱 光电子能谱 示踪原子 化学分析法 第三章 固体扩散 扩 散 的 概 述 1 菲 克 定 律 2 扩 散 系 数 3 课堂讨论：锂电池中的扩散问题 ? 第三章 固体扩散 Contents 3.4 课堂讨论 第三章 固体扩散 3.4 课堂讨论 第三章 固体扩散 锂离子电池 —— 两种不同的能够可逆嵌入和脱出锂离子的化合物分别作为电池的正极和负极的二次电池体系。 充 电 过 程 放 电 过 程 3.4 课堂讨论 第三章 固体扩散 锂离子电池 正极反应 负极反应 石墨负极反应 3.4 课堂讨论 第三章 固体扩散 锂离子电池 LiCoO2 LiMn2O4 LiFePO4 正极材料 3.4 课堂讨论 第三章 固体扩散 电动汽车在启动、加速等过程中需要锂离子电池提供较大的电流，请提出提升锂离子电池大倍率放电性能的正极材料设计方案。 讨论： 需解决的问题 3.4 课堂讨论 第三章 固体扩散 提 示 分析锂离子电池工作过程的微观过程 对锂离子电池工作过程中的锂离子扩散过程进行分段处理 建立宏观性能与微观过程的联系 抓住本质 分别讨论不同扩散情况的影响因素 一个复杂过程拆解为多个简单过程 抓住主要矛盾 提出解决方案 由微观过程入手 目标明确 逐个分析 扩 散 的 概 述 1 菲 克 定 律 2 扩 散 系 数 3 课堂讨论：锂电池中的扩散问题 ? 第三章 固体扩散 Contents Thank you 第三章 固体扩散 根据广泛使用的热力学理论，扩散过程的发生应决定于包含了浓度梯度在内的热力学基本量——化学势。 3.4 扩散的热力学理论 设一个多组分系中，i组分的质点沿x方向扩散所受到的力应等于该组分化学在x方向的梯度，方向与化学势梯度方向相反： 相对的质点运动平均速率Vi正比于作用力Fi： 第三章 固体扩散 3.4 扩散的热力学理论 若所研究体系不受外场作用，对于等温、等压下的理想系统 热力学因子 对于理想系统 对于非理想体系 第三章 固体扩散 3.4 扩散的热力学理论 在多元系统中扩散的特点是各组元有自己的分扩散系数，并都服从Nernst-Einstein公式。 例如对于二元系统可有： Di0 正扩散 Di0 逆扩散 在多元系统中分扩散系数的差异只取决于自扩散系数的差异。 离子晶体的自扩散与离子电导有密切联系。这是因为两者都取决于同一正、负离子空位和间隙离子的迁移。 粒子跳越势垒示意图 在外电场作用下晶体中势垒的起伏 在MX类型的晶体中，离子的电导率和缺陷的自扩散系数之间存在一定的关系，这种关系可以用能斯特-爱因斯坦方程来描述： 第三章 固体扩散 3.5 自扩散系数与离子电导的关系 离子晶体中扩散和电导是由同一些载流子实现的。 离子晶体电导和自扩散系数间存在着单一关系，自扩散系数越大，电导率越大，反之亦然。 无论是电导率或自扩散系数都随着温度呈指数关系增加，而且指数因子中的指数值相等。 第三章 固体扩散 3.5 自扩散系数与离子电导的关系 扩 散 的 概 述 1 菲 克 定 律 2 扩 散 系 数 3 课堂讨论：锂电池中的扩散问题 ? 第三章 固体扩散 Contents 3.1 扩散的概述 一滴墨水处在一瓶静止的水中，经过一段时间墨水将移动（扩散）遍及整个水中。 长期堆放煤堆的墙壁，黑色会渗入墙内，这是碳向墙壁扩散的结果。 放在密闭房间内一瓶打开的香水，只需要经过很短的时间，在房间各处也都可以闻到香味。 第三章 固体扩散 扩散 —— 由热运动所引起的质点的迁移过程，在浓度梯度、应力梯度或其他梯度存在时，宏观上表现为物质的输运。 1、定义 2、扩散的特点 流体中的质点迁移过程往往总是各相同性和具有较大的速率。 固体中的质点迁移具有迁移速率低和受质点排列方式影响的特点。 3.1 扩散的概述 流 体 固 体 第三章 固体扩散 3、晶体中的扩散机制和推动力 晶体中粒子迁移的方式即扩散机制有： 易位扩散 环形扩散 间隙扩散 准间隙扩散 空位扩散 3.1 扩散的概述 第三章 固体扩散 3、晶体中的扩散机制和推动力 当不存在外场时，晶体中粒子的迁移完全是由热起伏引起的。 只有在外场