锂离子电池作为当今便携式电子设备和电动汽车的核心动力储存技术，亟需突破能量密度和充电速度的瓶颈。硅负极以其高达约3579毫安时/克的理论容量，显著优于传统石墨负极，成为提升电池性能的有力候选材料。然而，硅负极在实际应用中面临着巨大的挑战，其中最为突出的是循环过程中的巨大体积膨胀及其带来的机械应力。这些变化导致负极材料结构断裂、电极界面失稳以及容量迅速衰减，严重限制了硅负极的商业推广。为此，研究者们提出了多种结构设计和材料策略试图缓解硅的体积效应，但这些方法往往存在稳定性与快速充放电能力之间的矛盾。近期，筛孔结构的提出为解决这一难题提供了新思路，其核心在于通过碳材料上的精准筛孔设计，实现了机械稳定性与电化学动力学的有机结合，推动硅负极合金化反应既快又稳。
筛孔结构的设计原理基于对微观孔径尺寸的精细调控。具体而言，该结构拥有一个内部纳米孔体，既保留了有效的空隙空间以适应硅在锂化过程中的体积膨胀，又设计了一个外部的亚纳米级孔口。亚纳米孔口尺寸控制在0.35至0.5纳米范围内，能够实现对电解液溶剂分子的筛选效应，允许锂离子及部分脱溶剂的阴离子通过，同时阻止大分子溶剂进入。这一机制促使锂离子在进入孔体前发生预脱溶剂，显著改善了孔内的离子溶剂环境，促进了无机丰富的固态电解质界面层(SEI)的形成。传统硅负极因开放孔结构暴露大量硅表面于电解液，容易产生有机丰富的SEI层，导致过多的不可逆容量损失和加速容量衰减。而筛孔设计通过有效限制溶剂分子接触，生成以无机成分如氟化锂为主的SEI，具备更优的机械强度和稳定性，能够机械约束孔内硅材料的膨胀形变，减少晶体相Li15Si4的产生，从根源上缓解体积应力引发的负极衰退。
筛孔结构不仅提升了锂离子的传输效率，也优化了界面电荷转移动力学。通过亚纳米孔口筛选，锂离子在进入电极孔体时其脱溶剂过程降低了反应的激活能，使得离子在孔内迁移速度提升，充电速率得以大幅改善。此外，无机SEI层的形成有效提高了界面稳定性，减轻了电极在循环过程中的阻抗增长，保证了电化学反应的高效进行。基于这一结构创新，实验结果显示，筛孔设计的硅负极在较高的比容量（约1773mAh/g）下仍保持了极低的电极扩展率（仅58%），显著优于以往硅电极的300%以上体积膨胀。同时，其首次库仑效率高达93.6%，循环过程中库仑效率维持在99.9%以上，容量保持率优于97%超过200次循环，容量衰减率低至0.015%每周期，体现了卓越的循环稳定性。更为关键的是，组装的实际Ah级软包电池在2A大电流下实现了1700次循环后的80%容量保持，并具备10分钟内快充性能，展现出极强的应用潜力。
筛孔硅负极材料的制备兼具规模化优势。采用两步化学气相沉积技术，首先将无定形硅沉积于定制的多孔碳载体内微孔壁上，随后在孔口处沉积准单层碳筛层，缩小孔口尺寸至亚纳米级，形成精准的筛孔结构。此方法流程简洁，材料来源丰富，适合大规模生产。物理及化学表征显示筛孔碳层主要聚集于孔口部位，保留了内部空隙空间以缓冲硅的膨胀，确保了力学与电化学性能的独特结合。微观结构分析及X射线光电子能谱证实了无机富集的SEI均匀分布于孔内壁，电子束谱学进一步确认了LiF等无机成分的形成，证实了筛孔所诱导的界面性质改变。热力学与动力学模拟揭示了机械应力对电极电位的影响，机械约束与电压耦合效应有效抑制了不利的晶体相Li15Si4生成，减少了相变应力及材料破碎风险，从而实现了材料结构的长效稳定。
此外，有限元模拟也显示筛孔结构在不同锂化深度下表现出优异的机械强度，对硅颗粒提供了稳定的支持，避免了传统开放孔结构中因应力集中导致的裂纹扩展和电极失控。面向产业应用，筛孔硅负极实现了高品質与高性能的平衡。高比容量与低电极膨胀的结合，使其在电池组装及高压堆叠阶段易于控制电池稳定性和安全性。此外，优异的快充能力满足了电动汽车和电子产品领域对快速能量补充的需求，延长了电池生命周期，提升了整体经济效益。总之，筛孔设计代表了硅负极材料领域的一次技术飞跃。它通过物理结构的精准调控，实现了对锂离子脱溶剂及传输过程的有效筛选，同时形成无机丰富、高机械强度的SEI界面，机械约束硅粒子，抑制有害晶体相。
该设计不仅解决了硅负极长期以来的体积膨胀和稳定性矛盾，还极大提升了充电速率和循环寿命，推动了高能量密度锂离子电池向产业化迈进。未来，筛孔结构可进一步与电解液优化、界面工程及新型碳材料相结合，拓展更广泛应用可能，促进绿色能源存储技术跨越式发展。随着研究的不断深入与制造工艺的完善，筛孔硅负极有望成为引领下一代锂离子电池革新的中坚力量，推动电动交通、可再生能源储存以及智能设备的广泛应用，迈入更加高效、稳定和可持续的能源时代。
