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電子電導率的測試原理及檢測方法

來源：時間：2022-12-29 09:12:23 瀏覽：5129次

1 引言

電導率是導體及半導體材料的重要的電學參數(shù)之一，電導率的大小與材料的電性能有十分密切的關系。在光伏、電化學、儲能、導電聚合物等領域，材料電導率的表征幾乎是不可或缺的。在此，本文重點總結了材料的電子電導率的測試原理及方法，希望對各位同學有所幫助。

2 導體與電導率

2.1 導體的分類

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

第一類導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，并在外加電場的作用下定向運動，因此這類導體也稱為電子導體。這類材料在導電的過程中，本身不發(fā)生任何化學變化。

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

除了這兩類常見的導體外，還有一類特殊的導體——電離的氣體，一般稱為氣體導體。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)的導體。氣體導體同時含有正負離子和自由電子，常應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體。

2.2 電導率

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

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

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

3 電子電導率測試原理

材料的電子電導率是通過測量其電阻率來確定的。根據(jù)安培公式R=U/I，通過測定通過導體的電流和通過導體的電壓降計算出導體的電阻，并測量出待測樣品的幾何尺寸，進而通過公式（1）計算電導率。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，這類方法主要針對純電子導電的材料。當測量混合導體時，即導體中含有電子和離子兩類載流子時，由于離子的導電性具有不可逆性，電荷轉移阻抗會影響測量，因此，直流法常常選擇離子阻塞電極，使電子導電率的測量更加準確。

3.1 二探針直接測量法

圖1為探針科技RTS-7型二探針測試儀的儀器。大部分二探針法測量材料電導率的實驗裝置原理基本類似，如圖2所示。由于測試時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。

該方法的缺點是很難得到材料本身電導率的絕對值，對測試本身電導率較高的材料具有較大的誤差。

除了儀器自身的誤差外，試驗參數(shù)（施加的電流和施加的壓強）對最終測試的樣品電阻有較大影響。施加的電流主要對于高電阻材料（如磷酸鐵鋰）影響較小，加載電流較小時就能得到穩(wěn)定結果；而對于低電阻材料（石墨電極），加載電流相對較高才能得到穩(wěn)定結果，最終對所有測試電極選擇10 mA 的加載電流以實現(xiàn)比較穩(wěn)定的測量結果。而對于粉末活性材料，并不是對單個粉末顆粒進行測試，而是對于整體聚集的粉末樣品，因此壓強對粉末樣的電導有較大的影響。如圖3所示，施加的壓強小，則樣品顆粒之間的接觸不好，導致電子傳導受阻；反之，壓強增大樣品顆粒之間的接觸變得良好，電子傳導會增強，電導也會變大。此外，濕度和溫度也會影響材料的電導率。基于以上原因，粉末樣品電阻率的表述通常并非單一值，而是電阻率隨壓強的變化關系（表1）。

3.2 四探針測量法

四探針法是在兩探針法基礎上的改進，通過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建差異可以歸納如圖4所示。在兩探針法中，測量回路和電流回路是同一回路，回路本身的電阻會對測試結果有較大影響；而在四探針法中，測量回路和電流回路則是并聯(lián)的，回路中的電阻則不會對測量結果產(chǎn)生不可忽略的影響。因此，無論樣品的電阻大小，只要其測試樣品的尺寸足夠大，則測量結果就足夠精確。此外，為了進一步消除電壓探針本身的接觸電阻和注入效應，四探針法還采用補償法來測量電壓，使電流不必通過電壓探針，從而測試的電阻較為準確。

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

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

4 參考文獻

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

[2] 許潔茹, 凌仕剛, 王少飛,等. 鋰電池研究中的電導率測試分析方法[J]. 儲能科學與技術, 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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