锂离子电池作为现代能源存储的核心技术，其性能的提升对于电动汽车、便携式电子设备等领域具有至关重要的意义。硅（Si）作为负极材料，凭借其理论比容量达到约3579毫安时每克，远超传统石墨负极，成为提升电池能量密度的理想选择。然而，硅在锂离子嵌入过程中伴随超过300%的显著体积膨胀，造成材料粒子粉化、电极结构受损及电解液界面不稳定，严重影响循环寿命和安全性。因此，在保持硅高容量的前提下，如何实现其机械稳定性与电化学性能的平衡，成为学界和产业界亟待解决的难题。基于此，筛选孔洞结构的设计理念应运而生，为硅负极材料带来了全新的解决方案。筛选孔洞指的是在碳基支撑材料中，构筑一种具备纳米级孔体及亚纳米级孔口尺寸的结构。
其中，孔体内腔保持一定的空间以容纳硅的膨胀变形，而孔口尺寸则被精确调控至0.35-0.5纳米范围，实现对电解液组分的“筛选”作用。此设计一方面预去溶剂化锂离子，提高电解液进入孔体内的离子传输速率，另一方面抑制了溶剂分子及杂质的进入，促进形成富含无机组分的稳固固态电解质界面（SEI）膜。浓密的无机SEI膜不仅提升了离子的迁移通量，还对硅体积膨胀产生机械限制，抑制了有害的晶态Li15Si4相生成，显著缓解了界面应力与相变引发的电极破碎问题。此筛选孔洞结构的制备通过两步化学气相沉积法实现。首先，利用硅烷气体在预制多孔碳载体上热分解，形成包覆于微孔壁内的非晶硅。随后，通过乙炔气体分解在原有结构的孔口处沉积一层碳层，将孔口缩小至亚纳米尺寸，形成筛选孔洞结构。
此方法不仅工艺相对简便，且有望实现规模化生产。材料表征显示筛选孔洞负极颗粒形貌均匀，无明显尺寸变化，硅含量高达近50%，且硅呈无定形态分布于孔体内部。孔径分布测试结果表明，经过碳层沉积后，孔口尺寸精准位于介于0.35纳米与0.5纳米之间，既能有效限制大分子溶剂的穿透，又保证锂离子及阴离子快速迁移。通过小角X射线散射及X光光电子能谱进一步证明，在使用筛选孔洞结构的硅负极中，形成了富含无机成分如LiF的SEI膜，明显优于传统开放孔或封闭孔结构中有机成分占优的SEI。高分辨透射电子显微镜及能量色散谱也确认了该无机SEI均匀包覆于硅颗粒的孔隙内部，实现了有效的界面稳定。针对电化学性能的测试显示，筛选孔洞硅负极展现出优异的初始库仑效率，达到约93.6%，明显高于传统开放孔硅负极的87.2%左右。
同时，该材料表现出循环中超过99.9%的高库仑效率，并在200次循环后仍保持97%以上的容量保持率，展现出极佳的稳定性。更重要的是，该结构电极在充放电过程中的体积膨胀被控制在58%左右，远低于传统硅负极超过300%的膨胀幅度，极大程度上降低了电极机械破坏风险。动力学方面，筛选孔洞结构通过诱导锂离子预去溶剂化，降低锂离子从SEI层穿越到硅表面的能量障碍，在不同温度范围内的阻抗测试显示，锂离子脱溶剂化活化能及界面传输活化能均明显降低。此外，这类结构保证了快速充放电能力，10分钟快充测试中，电池容量回收率依然高达近84%，满足了实际高倍率充电需求。内部机理上，机械有限元仿真结合电化学模型表明，无机SEI膜与碳框架形成的机械夹持效应，通过应力-电压耦合机制阻止了晶态Li15Si4的形成，减缓了相变应力引发的电极破坏。破解了传统硅负极易因晶态相变而导致寿命衰退的瓶颈。
此外，在实际组装的大容量石墨/筛选孔洞硅负极||NCM811正极软包电池中，该结构的优势更为突出。电池展现出超过1700次循环后仍保持80%容量的优异循环稳定性，以及高倍率快速充放性能，验证了其在工业应用中的可行性和竞争力。总结来看，筛选孔洞结构为硅负极材料提供了一种兼顾机械稳定性与电化学反应速率的创新路径。通过孔口的亚纳米级尺寸调控，实现电解液组分的精准筛选，促进富无机组分的稳定SEI形成，助力锂离子快速迁移，同时机械抑制有害相的形成与体积膨胀，有效提升了电极的寿命与快充性能。相较于传统的开放、封闭或埋藏孔结构，筛选孔洞设计突破了机械缓冲与动力学速率之间的折中限制，开启了高能量密度锂离子电池负极材料的新纪元。未来，结合多孔碳材料的优化、硅形貌控制及电解液体系创新，筛选孔洞结构还有望进一步提升性能表现。
同时，规模化制备与成本控制也将在推动该技术商业应用上发挥关键作用。通过持续技术进步，筛选孔洞技术有望加速高性能硅负极在新能源汽车及储能系统中的广泛应用，助力绿色能源转型和可持续发展目标的实现。
