有序微孔结构调控实现SiO/人造石墨复合电极高效锂离子传输

《Nano-Micro Letters》：Regularly Arranged Micropore Architecture Enables Efficient Lithium-Ion Transport in SiOx/Artificial Graphite Composite Electrode

本研究针对高硅含量锂离子电池负极存在的离子传输受限和体积膨胀问题，创新性地采用穿孔集流体构建了有序排列微孔（RAM）结构电极。通过微孔阵列诱导形成高低孔隙率交替分布的微观结构，显著降低了电极阻抗，使5C倍率放电容量提升20%。结合模拟仿真证实该结构有效缓解了锂离子浓度极化，同时表面富羟基的穿孔铜箔增强了电极界面附着力，循环寿命提升50%。这项工作为高性能硅基负极设计提供了新思路。

　　

随着电动汽车产业的快速发展，对锂离子电池功率特性提出了更高要求。硅基材料因其超高理论容量（3579 mAh g^-1）被视为理想负极，但巨大的体积膨胀（>300%）严重制约其应用。硅氧化物（SiO_x, x<2）通过形成缓冲相使膨胀率降至200%，仍面临机械降解和导电性差等挑战。与此同时，厚电极中锂离子扩散限制引发的浓度极化现象，成为高倍率性能提升的关键瓶颈。

为解决上述问题，延世大学Yong Min Lee团队在《Nano-Micro Letters》发表研究，通过穿孔铜集流体（pCu）构建有序排列微孔（RAM）结构电极。该设计在保持电极整体厚度不变的前提下，形成穿孔区（PR）28%孔隙率与非穿孔区（NPR）19%孔隙率的交替分布，等效孔径增大至0.68μm（对比bCuE的0.60μm），配位数提升至1.6（bCuE为1.2）。这种独特的微观结构像在电极内部构建了“离子高速公路”，使5C倍率放电容量提升20%，循环寿命延长50%。

研究团队采用多尺度表征与仿真相结合的技术路线：通过化学蚀刻法制备75μm孔径的三角排列pCu；采用磁場成像（MFI）技术验证电流分布均匀性；利用表面界面切割分析系统（SAICAS）定量测量界面附着力；结合X射线计算机断层扫描（XCT）和二维孔网络模型（PNM）解析微观结构；建立伪四维（P4D）电化学模型模拟离子传输行为。

3.1 电极设计与结构表征

SEM图像显示pCu成功构建了规整的微孔阵列（图1a-d），电极浆料能均匀填充穿孔区域形成互锁结构（图1e-g）。XPS分析表明pCu表面铜氢氧化物比例显著增加（图1h-i），接触角从64°降至33°，增强了与聚丙烯酸（PAA）粘结剂的氢键作用。这种界面改性使pCuE的界面电阻降低至bCuE的20%，附着力提升10-25%。

3.2 电化学性能分析

EIS和混合脉冲功率特性（HPPC）测试表明pCuE半电池的电荷转移电阻（R_ct）和直流内阻（DCIR）分别降低24%。全电池测试中，pCuE在5C倍率下容量保持率显著优于bCuE（图3d）。二维扩散模拟显示PR区域能维持更高的锂离子浓度（图3e-f），P4D仿真进一步证实RAM结构使过电位降低17mV，放电深度（DoD）在高压区提升12%（图4a-e）。

3.3 机械稳定性验证

循环300周后pCuE未出现电极分层（图5d），而bCuE出现明显裂纹。原位电化学膨胀仪测量显示bCuE不可逆厚度变化（1.34μm）是pCuE（0.63μm）的2.1倍（图5g-i）。双面电极（pCuE-DS）和不同SiO含量（10-100wt%）的拓展实验证实，该设计在不同体系下均能降低离子迂曲度（图6b-e）。

该研究通过巧妙的集流体设计实现了电极微观结构的主动调控，无需额外工序即可构建高低孔隙率交替的RAM结构。这种“几何结构赋能”的策略不仅显著提升了离子传输效率，还通过增强界面稳定性有效抑制了机械降解。特别值得关注的是，穿孔设计使集流体质量减少32%，整体能量密度提升7.5%，为高能量密度电池设计提供了新范式。未来通过优化穿孔图案与电极参数的匹配关系，有望进一步推动硅基负极在动力电池领域的实际应用。