硅（Si）因其高理论容量（约3579mAh/g）成为提升锂离子电池（LIBs）能量密度的理想负极材料。然而，硅负极的广泛应用仍受到其在充放电过程中体积膨胀超过300%的严重挑战。这种巨大的体积变化不仅导致硅颗粒的机械破碎，还激发了剧烈的电化学副反应，加剧了固态电解质界面（SEI）的反复生成，最终引起容量迅速衰减和循环寿命缩短。为解决这一系列问题，科研界提出了多种缓解策略，但在机械稳定性和电化学动力学之间往往存在矛盾，如何高效兼顾成为硅负极材料设计中的核心难题。近年来，筛分孔结构的提出为硅负极的开发带来了全新突破。这种结构通过碳支持体的纳米孔设计，精确调控孔径至亚纳米级别，实现了对锂离子载体及其溶剂分子的有效筛选和预脱溶剂化，促进了硅负极内部的离子快速传输及稳定的界面生成。
筛分孔设计的核心在于孔道入口尺寸的精准控制，限制大分子溶剂进入，促使锂离子部分或完全脱去溶剂分子束缚，同时保留足够孔体空间以缓冲硅的体积膨胀。这一独特的结构既保证了机械支撑的完整性，又极大地提升了电化学反应的速率和效率。具体而言，筛分孔结构先通过碳气相沉积技术，在多孔碳载体上沉积无定形硅，从而填充碳孔隙。在此基础上，利用乙炔气体的热分解沉积碳层，严格缩小孔径入口，使纳米孔仅允许部分小尺寸离子及其溶剂团以脱溶剂化形态快速通过。试验数据显示，这种设计能够有效形成富含无机成分的坚韧SEI，主要含有如氟化锂（LiF）等无机物质，改善界面机械强度及离子传导性能。与传统开孔、多孔或封闭孔结构相比，筛分孔结构避免了电解液与硅表面的大量直接接触，降低了副反应发生率，提高了初始库仑效率，且大幅减缓了容量的快速衰减。
此外，机械约束作用与应力-电压耦合效应有效抑制了有害的晶态Li15Si4相的形成，从根本上缓解了硅微观结构中的应力集中和开裂问题。有限元仿真和SAXS测试等表征技术验证了这一机理，显示筛分孔结构在电极活性材料内部形成了均匀的机械约束环境，助力硅颗粒形变的缓冲，显著增强整体电极的结构稳定性。电化学性能方面，搭载筛分孔结构硅负极的半电池表现出超高的初次库仑效率（超过93%），低至58%的电极体积膨胀率以及极小的容量衰减（循环寿命达200次仍保持97%以上容量）。高倍率下，电极依旧维持良好的容量输出，适合快充需求。锂离子预脱溶剂化及快速的孔内传输路径是实现上述优异性能的关键。此外，筛分孔结构的制造工艺简单且具备工业化潜力，基于化学气相沉积法的大规模生产已获得成功，展示了实际应用前景。
实际组装的大型电池包测试结果也印证了材料设计的有效性，在1700次循环后仍保持80%的容量，且支持10分钟内快速充电，极大地满足了动力电池对长寿命和高效率的双重需求。筛分孔设计代表了硅负极材料设计新范式，突破了机械稳定性与电化学动力学之间的传统矛盾，为下一代高性能锂离子电池研发提供了强有力的技术支持。未来工作可进一步优化孔径分布及表面化学，提升离子穿梭效率及界面稳定性，并结合先进的电解液体系，进一步增强硅负极的循环性能和安全性。总之，筛分孔结构的创新应用为实现高容量、长寿命及快充能力的硅负极提供了切实可行的解决方案，推动锂离子电池技术向更高能量密度和更优性能迈进。随着电动汽车及储能市场快速扩展，具备实用价值的筛分孔硅负极材料必将在未来动力电池领域扮演关键角色，助力绿色能源的广泛应用与可持续发展。
