晶体中部分四价锆离子被二价钙离子所取代而形成氧离子空穴。由于氧离子空穴的存在，在600-1200℃高温下,这种氧化锆材料就成为对氧离子有良好的传导性的固体电介质。

在氧化锆两侧氧浓度不等时，浓度大的一侧的氧原子在该侧的表面电极上结合两个电子形成氧离子(O2+2e--0-),然后通过氧化锆材料晶格中的氧离子空穴向氧浓度低的一侧运动,当到达低浓度一侧时,便在该侧电极上释放两个电子并结合成氧分子放出(0-÷O2+2e-),于是在高氧侧和低氧侧电极上分别造成正负电荷积累,产生电势,此电势阻碍这种迁移的进一步进行,直至达到平衡为止,从而形成氧浓差电池。