锂离子电池作为现代便携电子设备和电动汽车的核心动力源，其性能的提升一直依赖于负极材料的突破。硅（Si）因其远超石墨的理论容量（约3579 mAh g-1）长期被视作负极材料的理想选择。然而，硅负极在实际应用中面临体积膨胀大、机械应力强、界面不稳定等多重难题，导致容量衰减快和循环寿命短，制约了其商业化发展。为了克服这些挑战，研究者们提出了一种创新的结构设计策略——筛孔结构（sieving pores），其通过纳米尺度的孔径精准控制电解液与硅的接触与反应，为实现硅负极的稳定且高速合金化化学反应提供了全新思路。筛孔结构利用碳材料的纳米孔体结合独特的孔径调控，形成具有筛选效应的孔口，能筛除大分子溶剂，仅允许部分溶剂的锂离子及阴离子进入孔内，使得电解液部分脱溶剂化，实现了界面环境的根本改善。此设计不仅显著降低了溶剂分子的直接参与度，减少了有机富集的固态电解质界面（SEI）形成，还催生了富含无机组分尤其是氟化锂（LiF）的坚固SEI层，极大增强了界面稳定性和机械支撑力。
传统硅负极结构大多属于开放孔结构、埋藏孔结构及封闭孔结构三类。开放孔结构虽然离子传输路径短、动力学优越，但暴露的硅表面造成大量副反应，导致初始库仑效率低和容量快速衰减。埋藏孔结构尽管对硅颗粒有一定缓冲作用，但孔体积不足以有效容纳体积膨胀，且离子传输路径较长，动力学性能不足。封闭孔结构如蛋黄壳设计则在机械稳定性上表现较好，能有效缓解体积膨胀，但锂离子穿透空腔及界面层的路径受阻，导致充放电速率大幅受限。筛孔结构创新地结合了开放和封闭孔的优势，通过在碳负极材料孔体内保留足够体积以容纳硅的变形，同时在孔口放置亚纳米级别的筛孔入口，实现体积缓冲与快速筛选的完美结合，从根本上打破了机械稳定性与电化学动力学之间长期存在的矛盾。筛孔结构使得锂离子能够快速通过孔口，并在进入孔体时实现预脱溶剂化，减小离子的包裹溶剂层，使其更易于在孔内快速扩散，大幅提升了电极的充放电速率和快速充电能力。
同时，强韧的无机SEI层通过机械约束实现应力-电压耦合效应，有效阻止硅在深度锂化过程中过渡到脆性强的晶态Li15Si4阶段，降低了相变应力及由其引发的破裂风险。实验结果表明，采用筛孔结构的硅/碳复合负极在高硅含量（约49 wt%）的条件下，实现了低达58%的电极厚度膨胀（远低于传统硅负极的300%以上），初始库仑效率高达93.6%，而循环过程中容量衰减率控制在极低的0.015%每周期。该材料的循环稳定性优异，在200个循环后保持容量超过97%，表现出极佳的实用潜力。更为重要的是，该筛孔硅电极的快速充电性能令人瞩目。在组装的Ah级袋式电池中，电池能够在10分钟内实现快速充电，且保持80%的容量保持率超过1700次循环，充分展现了筛孔设计在高能量密度与快速动力学方面的创新突破。制备方面，筛孔硅/碳复合材料采用两步化学气相沉积工艺完成，首先在定制的多孔碳载体内部热解硅烷形成富硅纳米结构，再通过分布于孔口的碳层沉积精确调节孔径至亚纳米范围（0.35-0.5nm）。
该方法不仅实现了结构的高可控性，且工艺简便，具备大规模生产的潜力。材料表征如高分辨透射电子显微镜（TEM）、小角X射线散射（SAXS）、X射线光电子能谱（XPS）等深入揭示了硅颗粒被碳孔体完整包覆，筛孔层有效保持了内孔体积的空隙空间，以及通过孔口形成的无机富集SEI的结构特征。同时，多种先进表征手段验证了筛孔材料的预脱溶剂化机制及孔内溶剂结构改变，进一步说明了筛孔在提升电极界面稳定性与电化学性能中的关键作用。电化学动力学测试如温度依赖的交流阻抗谱（EIS）显示筛孔结构有效降低了锂离子脱溶剂化的激活能，改善SEI的离子传导能力，确保快速锂离子传输和快速充放电。力学行为方面，有限元模拟证实筛孔结构下无机SEI层和碳支撑层形成有效机械约束，显著提升对硅体积膨胀带来的内部应力的承受能力，抑制了结构崩塌及裂纹形成，为电极提供长效稳定的机械支撑。与传统硅负极相比，筛孔结构硅负极综合了高比容量、极低膨胀率与优异循环稳定性，展现了前所未有的性能平衡。
该设计不仅有助于向工业化过渡提供实用型材料方案，也为硅基负极的深层次结构调控与界面工程开拓了新方向。未来，随着筛孔技术不断优化和新型碳基材料的开发，基于筛孔设计的硅负极有望进一步提升载硅量和倍率性能，推动锂离子电池的高性能化发展。筛孔结构的创新理念还可能扩展至钠离子电池、固态电池等多种储能体系，发挥其在界面化学和力学性能调控上的优势。综上所述，筛孔设计作为锂离子电池硅负极材料领域的重要创新，通过对内孔空间和孔口尺寸的精确控制，实现了机械稳定性和快速合金化动力学的高度集成，极大提升了硅负极的实用性能，深化了电极界面科学的理解，为未来高能速充锂电池实现商业应用奠定坚实基础。随着相关工艺的成熟和配套电池技术的发展，筛孔硅负极有望引领下一代高密度、长寿命、快充锂离子电池的发展潮流，带动可持续能源技术迈向新的高度。
