随着锂离子电池在电动汽车和便携式电子设备中的广泛应用，对高能量密度电池的需求不断攀升，促使研究者将目光聚焦于高容量的负极材料。硅因其约3579毫安时每克的理论容量，远超传统石墨负极，成为提升锂电池容量的理想候选。然而，硅电极在充放电过程中体积膨胀超过300%，引发的机械应力和电化学副反应导致材料易碎、循环性能差和库伦效率低，阻碍了其商业化应用。近年，一种创新的筛孔设计为硅负极稳定快充问题提供了有效解决方案。筛孔结构利用了碳载体上的纳米孔和亚纳米孔入口，通过精确设计孔径，实现离子选择性进出并促进快速传输，从而兼顾机械稳定与快速动力学的双重需求。筛孔设计的核心优势在于其内孔体积保留充足的空隙空间，能够有效缓冲硅的体积变化，防止颗粒破碎和结构崩塌。
同时，亚纳米级孔径入口通过筛选机制限制大尺寸溶剂分子进入，从而促使锂离子脱溶剂化，有效形成富含无机组分的固态电解质界面膜（SEI）。这种无机SEI因结构致密且机械刚性高，不仅减少了副反应，提升初始库伦效率，也在一定程度上机械限制硅的过度膨胀，防止了高应力下形成易碎的晶态Li15Si4相，进一步增强了材料的循环稳定性。筛孔负极材料通过化学气相沉积工艺制备，将非晶硅沉积于孔隙碳基体内部，随后在孔入口处沉积碳层精确调节孔径，形成具有筛选功能的纳米结构。通过氮气及二氧化碳吸附测试，明确筛孔入口尺寸在0.35到0.5纳米范围内，保证低阻力地允许锂离子和部分带溶剂的阴离子快速通行，同时有效阻挡有机溶剂分子，抑制溶剂分子直接与硅表面接触，极大减少了不稳定有机SEI的形成。该设计巧妙结合了储能材料的机械设计与电化学界面工程，在保证高质量储锂的同时，优化充放电过程中的电荷传输速率。电化学测试结果表明，筛孔设计的硅负极不仅实现了高达1773毫安时每克的比容量，还在4毫安时每平方厘米的面积容量下将电极体积膨胀率控制在约58%。
该电极的初始库伦效率达93.6%，循环库伦效率稳定维持在99.9%以上，循环200次后容量保持率超过97%，展现出优异的耐久特性。同时，实用的Ah级软包电池循环超过1700次，容量保持率仍达80%，并支持10分钟快速充电，显示了强大的工业应用潜力。筛孔结构的离子预脱溶剂化机理通过拉曼光谱和核磁共振测试得到了充分验证，孔内电解液溶剂与锂盐形成强化接触键，调节了溶剂化结构，降低了锂离子通过界面时的活化能，促进了快速电荷转移。此外，界面内无机SEI的丰厚形成有效降低了锂离子穿越SEI层的能垒，减轻了界面阻抗，保障高倍率充放电性能。机械模拟显示，富含无机成分的SEI与碳基孔壁形成夹层样结构，在锂化过程中对硅产生机械约束，抑制因晶态Li15Si4相形成而产生的巨大应力，延缓界面破裂与活性材料粉化。与传统开放孔、埋藏孔及闭合孔结构相比，筛孔结构兼具良好机械稳定性与优异电化学动力学，解决了长期以来二者难以兼顾的矛盾。
筛孔设计方案相对于复杂的多层包覆或空腔设计工艺，具备制备工艺简单、可大规模生产的优势，极具产业化价值。制备流程简单且原料丰富，利于降低成本，促进硅负极在商业电池中的实际应用。形态学分析通过电镜和能谱技术验证了硅均匀沉积于纳米孔内，并被碳层牢固包覆，无颗粒裂纹及电极结构破碎现象。界面分析进一步确认了无机丰富SEI的形成，增强了锂离子输运路径的稳定性和连续性。该结构不仅缓解了硅膨胀引起的机械损伤，还减少了电极与电解液间副反应产生的无效锂及电极破碎，显著提升了首次库伦效率和循环寿命。从实际应用角度出发，筛孔硅负极的集流体与导电剂设计也得到优化，确保其在高负载密度应用中的电子及离子传输路径畅通无阻，进一步保障电池整体性能的提升。
在快充性能方面，筛孔结构通过降低界面传输阻力和促使锂离子高效进入活性硅位点，实现了充电速率大幅提升，满足快速能量补充的实际需求。同时，低膨胀率保证了电池在高倍率循环过程中的安全稳定，避免了传统硅负极因剧烈膨胀导致的结构破坏和性能衰退。该创新筛孔设计代表了硅基负极材料设计领域的重大进展，为实现高能量密度、高速充电及长寿命锂离子电池提供了切实可行的发展路径。展望未来，结合先进的电解液添加剂、界面调控以及智能制造工艺，筛孔硅负极有望在电动汽车动力电池和储能系统中发挥更加重要的作用。通过不断优化筛孔设计参数，与电池系统设计深度融合，将进一步推动硅负极技术走向工业规模与市场应用，助力新能源产业绿色转型和可持续发展。
