锂离子电池作为便携式电子设备、电动汽车和储能系统的核心动力源，不断面临着提升能量密度和充放电效率的挑战。硅（Si）作为负极材料，以其高达3579mAh/g的理论容量远超传统石墨负极，成为提升电池性能的理想候选。然而，硅负极在锂化和去锂化过程中超过300％的体积膨胀引发了机械应力剧增和电化学副反应，导致硅粒粉化、电极结构失效及固态电解质界面（SEI）层的不稳定，从而显著降低电池的循环寿命和安全性。针对这一核心难题，筛孔结构的设计理念应运而生，为硅负极的快速合金化和稳定循环提供了革新性的解决路径。筛孔结构是一种具有极小孔径入口（约0.35–0.5纳米）的纳米孔炭材料，内部保留较大孔体积以缓冲硅体积变化。这种构造不仅能有效限制溶剂分子进入，促进锂离子脱溶剂化，而且诱导形成富含无机成分的SEI层，实现机械性约束，从而缓解硅在充放电过程中的相变应力。
通过精准的化学气相沉积技术（CVD），硅被嵌入预先调节孔径分布的多孔碳骨架内部，随后于孔口处沉积一层碳层将孔径缩小至筛孔尺寸范围。这一结构的形成实现了对离子和溶剂分子的选择性筛分，使得锂离子得以快速通过孔口，而大多数溶剂分子则被阻隔，有效减少了有机物丰富的SEI生长，转而产生更稳定的无机丰富SEI，如氟化锂（LiF）。这种无机SEI层不仅提供优异的机械强度，还改善了界面锂离子传输动力学，降低界面反应活化能，从而提升了初始库仑效率和循环库仑效率。筛孔碳/硅复合材料（SSC）负极在体积膨胀控制方面表现卓越。实际上，在达到1773mAh/g的高比容量时，电极的膨胀仅为58%，显著优于传统硅负极普遍出现的过度胀大。这种低膨胀率得益于筛孔结构所提供的内部缓冲空间和无机SEI层的机械限制，有效遏制了晶态Li15Si4相的形成，因其相变往往伴随着破坏性应力，诱发硅裂纹和电极衰退。
通过有限元模拟进一步证实，筛孔负极内部的互锁结构在充锂过程中保持较高的残余应力，促使电极界面产生应力-电压耦合效应，提升合金化过程的动力学稳定性。电化学性能方面，SSC负极具备超长循环寿命和优异的速率性能。在0.75A/g的较高电流密度下循环200次后，容量保持率超过97%，且容量衰减率低至每循环0.015%，明显优于无筛孔结构的对照样品。更引人注目的是，实用的Ah级软包电池应用测试显示，SSC掺杂石墨负极能够支持1700次循环后保持80%以上的容量，这种表现为商用化提供了可信赖的技术保障。快速充电能力同样令人瞩目，电池可以在10分钟内充电完成，且高倍率下容量保持率高达84%，充分体现出筛孔设计对锂离子快速传输的促进作用。筛孔结构的特殊设计改变了电极内部的溶剂和锂离子环境。
通过拉曼光谱和核磁共振（NMR）测试发现，锂盐离子在孔内呈现聚集态，更利于锂离子的脱溶剂化和传递，降低了界面阻抗。此外，电化学阻抗谱（EIS）分析确认了筛孔负极在锂离子解溶和界面穿越过程中的激活能较低，促进了电荷转移过程的快速进行。制备工艺方面，筛孔碳/硅复合材料采用成熟的两步CVD法，通过先在多孔碳支撑体内沉积无定形硅，再利用乙炔气体在孔口处覆盖碳层收窄孔径。此工艺不仅保证了材料的均匀性和稳定性，也具有良好的可扩展性和成本优势，方便产业化推广。传统的开放孔、封闭孔和埋孔结构各有优缺点：开放孔提供快速离子通道但因高比表面积导致副反应严重及SEI易破裂；封闭孔结构虽能稳定硅核心容纳体积变化却限制离子传输；埋孔结构则在机械稳定性和动力学之间难以兼顾。筛孔结构巧妙兼顾机械稳定性和离子动力学优势，打破了过去两者难以兼容的瓶颈。
未来，筛孔设计理念还可以与高浓度电解液、界面修饰剂及先进粘结剂等多种策略结合，进一步提升硅负极性能和电池整体安全性。同时，筛孔结构也有望应用于钠离子、钾离子等其他含金属离子的电池体系，拓宽其技术应用边界。综上，筛孔设计为硅负极材料带来了稳定快速合金化的解决方案，显著提升了锂离子电池的能量密度、循环寿命及快充能力。该创新结构通过预脱溶剂化机制诱导无机SEI形成，以机械夹持有效抑制不利相变，提升电极整体性能。随着制备工艺的不断成熟和工业规模推广，筛孔硅负极有望在未来新能源电池市场发挥关键作用，加速推动电动汽车及智能储能设备的普及和进步。
