编者按

20世纪70年代以来，固态离子学学科因锂电池、固态电池等高效储能器件的需求而发展。我国固态离子学研究由中国科学院物理研究所(以下简称“物理所”)团队率先开展，物理所陈立泉1976年去德国马克斯·普朗克固体研究所访问，发表了其在固态离子学方面的第一篇研究成果(参考文献[1])。1978年8月20日，陈立泉回国后开始组织团队开展固态离子学的研究。1980年4月，国际固态离子学期刊Solid State Ionics创刊，诺贝尔奖得主美国科学家Stanley Whittingham担任首任主编，陈立泉代表中国入选首任编委。1980年10月9日，陈立泉作为会议主席，中国科学技术大学俞文海和物理所薛荣坚作为会议副主席，在黄山举办了中国第1届快离子导体学术讨论会(后来这个系列会议改名为“全国固态离子学会议”，迄今已举办22届)，凝聚了我国第一批固态离子学方面的科研人员。1981年，陈立泉在物理所正式创建了固态离子学实验室(图A，目前实验室名称为固态离子学与二次电池实验室)。1982年，实验室被《人民日报》评价为“一个在科学上团结拼搏的集体”(图A)。在这之后，物理所团队研究了聚合物电解质、材料离子输运、界面反应、纳米尺寸效应等电池领域核心科学问题，相关成果获得国际高度评价。1998年荣获ISI经典引用论文奖(图B)，陈立泉被亚洲固态离子学会官方网站评价为“固态离子学奠基人”之一(图C)，并在多个国际学术组织中任职，使我国固态离子学研究较早跻身国际前列。物理所团队后期在推动中国早期锂离子电池技术的积累、固态离子学向纳米离子学的深化拓展，推动新一代关键电池材料、固态电池、钠离子电池的发展等方面，做出了重要贡献。

陈立泉团队最早期的工作主要发表于《物理学报》，其中，1980年发表的两个工作最具代表性(参考文献[2],[3])，一方面将固态离子学相关研究推向了定量化与深层化，另一方面，为关键材料的设计与研究开发提供了理论依据。2026年7月8日，陈立泉获得2025年度国家最高科学技术奖，《物理学报》特刊出陈立泉团队应邀撰写的综述，回顾研究实践，展望未来发展，希望我国的固态离子学研究再启新程，更上层楼。

图A 1981 年物理所创建固态离子学实验室及1982 年《人民日报》关于固体离子学

实验室的报道

图B 1998 年团队成果荣获ISI(1981—1998) 经典引用论文

图C 亚洲固态离子学会官方网站对陈立泉研究员的评价

特邀综述

中国固态离子学研究历程及展望——中国科学院物理研究所研究实践

陈立泉^†，黄学杰，王兆翔，胡勇胜，李泓

（中国科学院物理研究所，北京 100190）

摘要  固态离子学是研究固体中离子的输运、存储与反应规律的核心学科，为现代锂离子电池、固态电池及燃料电池等技术发展提供了核心支撑，更承载着材料、物理与化学交叉创新的重要使命。固态离子学主要研究固态电解质材料、离子/电子混合导体材料以及各类离子器件等。中国科学院物理研究所团队自1978年在我国率先开展锂电池相关基础研究与技术攻关，开创了我国固态离子学研究新领域，组织召开国内第1届快离子导体学术会议，推动成立中国硅酸盐学会固态离子学分会，凝聚起国内最早一批固态离子学研究群体。物理所团队在固态离子学基础理论、锂电池关键材料、固态电池、钠离子电池等下一代电池技术领域取得多项创新成果。本文重点介绍了物理所团队在固态离子学基础科学及推动电池技术发展方面的研究实践。

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01  引    言

20世纪80年代初中国科学院就率先将锂电池的基础研究作为重大课题给予了大力支持。中国科学院物理研究所(以下简称“物理所”)团队先后牵头承担中国科学院“六五”重点学科“固体离子学”，以及“七五”“八五”快离子导体和全固态金属锂电池研究等重大项目，从基础理论、关键材料到原型器件逐步发展。1987年启动的国家“863”计划又将锂电池作为一个专题，全国有11个单位作为子课题承担单位参加了研究工作，包括北京有色金属研究总院(现已更名为中国有研科技集团有限公司)、中国科学院长春应用化学研究所、北京科技大学、中国科学院成都有机化学研究所(现已更名为中国科学院成都有机化学有限公司)、复旦大学、天津18所、天津大学、成都科技大学等，后来这些团队成为我国锂离子电池早期研制的骨干力量，形成了一个新兴产业群体。相关研究为我国现在的锂离子电池的研究开发做了早期的知识和技术储备，起到了开拓性作用，更重要的是做了人才储备。特别是，1995年物理所电池团队开始由黄学杰负责，他带领团队继续开展固态离子学和锂离子电池研究，同时推动了北京星恒电源有限公司以及后续的苏州星恒电源有限公司的创办及发展。国家“863”计划对于锂离子电池在中国的研究开展功不可没，但是，国家在“八五”期间(1991—1995年)，对锂电池的资助总体相对较弱。恰恰在这一阶段，日本在1990年研制出基于液态电解质的锂离子电池，并在1991年在全球率先实现商业化并投放市场。国内各单位都到处寻找资金支持，进行跟踪研究。陈立泉1993年从日本访学回国后，将课题组研究方向的重心开始转到更容易规模量产的液态电解质锂离子电池。物理所于1995年完成了液态电解质体系锂离子电池的实验室研制并通过了技术鉴定。之后，“863”计划把锂离子电池列为“九五”(1996—2000年)课题，物理所是主要承担单位。1998年物理所建成了锂离子电池中试生产线，以解决规模化生产中的各种科学问题、技术问题和工程问题。1998年12月份完成了中试实验，依靠自己的技术，以国内设备和原材料为主建成了年产20万只锂离子电池中试生产线。为了实现产业化，成立了北京星恒电源有限公司。1999年该公司完成了增资扩股，标志着从基础研究到产业化的实质性转化。公司的广播级摄像机电池当时在国内电视台广泛使用，深受用户欢迎，还支持了中央电视台国庆阅兵式拍摄。

02  固态离子学学科及锂电池关键材料与技术

固态离子学是研究固体中离子传导与反应规律及其应用的学科，是锂电池、固态电池及燃料电池领域的重要基础学科之一。1978年，陈立泉在德国马克斯·普朗克固体研究所工作期间，首次发现一维银离子导电现象，离子沿晶体中一维线性通道高效输运，突破了以二维、三维通道为主的认知，为离子导体设计开辟了全新思路 (图1(a)) ^[1]。1980年，物理所通过锗酸锌锂单晶的各向异性离子电导率测定，证实载流子浓度是离子电导率的关键决定因素。这一工作将固态离子学相关研究推向了定量化与深层化^[2]。同年，该团队在国际上率先完成了经典离子导体锗酸锌锂(Li₁₄Zn(GeO₄)₄)的相图研究，阐明Zn₂GeO₄稳定了Li₄GeO₄的高温相至室温相的机制，建立了相平衡、相变、缺陷化学与离子电导率的内在关联(图1(b))，为关键材料的设计与开发提供了理论依据^[3]。

1987年，物理所将研究领域从无机晶体拓展至聚环氧乙烷/聚环氧氯丙烷基聚合物电解质(PEO/PECH)，揭示了极性基团浓度、离子尺寸对电导率的影响(图1(c))，推动了化学、物理、材料等多学科交叉融合^[4]。同期，中国科学院上海硅酸盐研究所开发了高离子电导率的β-Al₂O₃陶瓷，用于钠硫电池^[5]。中国科学技术大学团队系统研究了Ag⁺，Cu⁺等一价离子在非晶态快离子导体中的迁移行为^[6,7]。南京大学的冯端团队^[8]对离子晶体中的缺陷-导电关联性进行了深入分析，提出双极扩散机制导致了空间电荷场。天津大学首次系统研究聚苯胺在全固态聚合物锂电池中的性能，发现聚苯胺的容量受限于ClO₄^-抗衡离子在电极内部的固相扩散过程，并指出了提升性能的关键在于改善离子在固态电极中的扩散动力学，为后续的实用化研究奠定了基础^[9]。中国科学院上海硅酸盐研究所发现电导率与晶胞体积直接相关，通过离子取代成功开发出新型锂离子导体Li_1.4Ti_1.6In_0.4P₃O₁₂，在300 ℃时电导率达5.5×10^–2 S/cm，可与当时已知最好的锂离子导体Li₃N和LISICON相媲美^[10]。国内各单位在固态离子学方面的基础研究成果，为中国研究团队持续开展电池研究提供了关键的理论支撑与人才储备。

图1 固态电解质材料研究列举   (a) Ag₂Tl₆I₁₀单晶的离子电导率和电子电导率^[1]；(b) Li₄GeO₄-Zn₂GeO₄赝二元系相图^[3]；(c) PECH-LiClO₄和PECH-PEO-LiClO₄电导率与温度的关系^[4]

1988—1991年，在“863”计划的支持下，物理所研制出第一块全固态金属锂电池^[11]。1995年，基于对离子输运和电导率基础科学问题研究突破，物理所研制出室温全固态二次电池，将电池材料集成为可充放电的储能器件，并系统评估了电解质的离子电导率、正极材料的比容量、电池的充放电循环性能(图2)和自放电特性^[12]。该成果实现了从基础研究到器件的跨越，为我国锂电池产业的早期发展奠定了科学、技术和人才基础。在“863”计划支持下，物理所开展了方形锂离子电池和相关材料的性能研究。方形锂离子电池后来成了市场主流产品。20世纪90年代末期，小型方型电池是手机、笔记本电脑的主要型号。后来，北京星恒电源有限公司进一步增资发展成为苏州星恒电源有限公司，逐步开展针对电动自行车与电动汽车的动力电池研究。目前在两轮车动力电池市场，星恒电源的产品在国内市场占有率处于第一位。

图2 Li/PAN-EC-BL-SL-LiClO₄/Li_1+xV₃O₈室温全固态二次金属锂电池的电化学循环性能^[12]

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