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为解决硅基负极体积膨胀大、循环寿命短及快充性能差等问题，研究人员开展硅 / 碳（Si/C）复合负极筛分孔结构研究。通过设计内孔容纳膨胀、外孔筛分离子，形成无机富 SEI，抑制 Li??Si?生成，实现低膨胀（58%）、高库伦效率（93.6%/99.9%）及长循环，推动高能量密度 LIBs 发展。
在锂离子电池（LIBs）领域，高能量密度需求推动着电极材料的革新。硅（Si）以其超高理论容量（≈3579 mAh g?1，对应 Li??Si?相）成为极具潜力的负极材料，然而其在嵌脱锂过程中体积变化超 300%，引发颗粒粉碎、电解液副反应及固体电解质界面（SEI）不稳定等难题，导致容量快速衰减，严重制约实际应用。如何平衡硅基负极的机械稳定性与电化学动力学，成为学术界与产业界亟待突破的瓶颈。
为攻克这一挑战，天津大学、Zettawatt Energy（常州）技术有限公司等机构的研究人员开展了创新研究。他们提出一种筛分孔结构设计，通过构建碳纳米孔主体与亚纳米孔入口的复合结构，成功实现硅基负极稳定且快速的合金化反应。该研究成果发表在《Nature Communications》，为高性能锂离子电池的发展提供了新路径。
研究采用两步化学气相沉积（CVD）技术制备硅 / 碳（SSC）复合材料。首先在多孔碳（PC）上热分解硅烷（SiH?）嵌入非晶态硅，形成开放孔结构的 Si/C（SC）负极；随后热解乙炔（C?H?）在孔口沉积筛分碳层，调控孔口尺寸至 0.35-0.5 nm，形成筛分孔结构。通过氮气（N?）、二氧化碳（CO?）吸附表征孔结构，利用 X 射线衍射（XRD）、拉曼光谱、透射电子显微镜（TEM）等技术验证硅的非晶态分布及碳层包覆效果。
合成与表征：筛分孔结构的构建与验证
研究通过精确控制乙炔沉积时间，实现亚纳米孔口尺寸的调控。当沉积时间为 200 min 时，孔口尺寸小于 0.35 nm，形成筛分效应：允许锂离子（Li?）及部分去溶剂化阴离子通过，阻隔溶剂分子进入孔内。小角 X 射线散射（SAXS）显示，筛分孔结构保留内部空隙以缓冲硅的体积膨胀，同时孔口沉积的碳层未完全堵塞孔隙，确保离子传输通道畅通。氮气吸附比表面积（BET）从多孔碳的 1678 m2g?1 骤降至 SSC 的 4.25 m2g?1，而二氧化碳吸附显示内部微孔仍保持 279.5 m2g?1 的比表面积，印证了亚纳米孔口的筛分特性。
界面效应：无机富 SEI 的形成与动力学优化
筛分孔结构通过强制离子预去溶剂化，诱导形成无机富 SEI 层。原位 SAXS 显示，传统开放孔结构 SC 负极循环后孔内充斥有机富 SEI，而 SSC 负极仅形成少量无机富 SEI，主要成分为氟化锂（LiF，占比 65.7%）。X 射线光电子能谱（XPS）及电子能量损失谱（EELS）证实，无机富 SEI 层紧密包覆硅颗粒，降低界面阻抗（Rint≈5-8 Ω），提升锂离子传导效率。拉曼光谱与核磁共振（NMR）分析表明，筛分孔内的溶剂化结构以离子聚集态（AGG）为主，锂离子去溶剂化能垒（E?ct=61.55 kJ mol?1）低于传统结构，显著改善动力学性能。
机械稳定性：应力 - 电压耦合效应抑制晶相形成
无机富 SEI 与碳骨架的机械约束作用，通过应力 - 电压耦合效应抑制有害晶相 Li??Si?（c-Li??Si?）的形成。差分容量曲线显示，SC 负极在 0.45 V 处出现 c-Li??Si?脱锂特征峰，而 SSC 负极该峰几乎消失，XRD 与透射电镜（TEM）均未检测到晶相结构。有限元模拟表明，SSC 负极在完全嵌锂状态下的冯?米塞斯应力（Von Mises stress）更高，机械约束有效抑制硅颗粒开裂，使电极膨胀率低至 58%（面容量 4 mAh cm?2 时），显著优于传统 Si/C 负极（如 Si/C-650 膨胀率 36%，但容量 / 膨胀比低于 SSC）。
电化学性能：长循环与快充能力的突破
SSC 负极在 0.75 A g?1 电流密度下循环 200 次，容量保持率达 97%，容量衰减率仅 0.015%/ 循环，初始库伦效率（ICE）为 93.6%，循环库伦效率（CE）高达 99.9%。速率性能测试中，即使在 6 A g?1 高电流下，仍能保持 750 mAh g?1 容量，展现优异快充能力。组装的 Ah 级软包电池（SSC / 石墨 / NCM811）在 2 A 电流下循环 1700 次后容量保持率 80%，并实现 10 分钟快充，验证了该设计的实际应用潜力。
结论与意义
该研究通过筛分孔结构设计，巧妙整合机械稳定性与电化学动力学，突破了传统硅基负极 “容量 - 稳定 - 快充” 的三角矛盾。亚纳米孔口的筛分效应不仅调控界面 SEI 组成，还通过预去溶剂化优化离子传输路径；无机富 SEI 与碳骨架的协同约束，抑制晶相转变与颗粒破碎，实现了低膨胀、高库伦效率及长循环性能的平衡。这种设计理念为硅基负极乃至其他高体积变化电极材料（如锡、锗基）的开发提供了新范式，有望加速高能量密度锂离子电池在电动汽车、储能等领域的商业化进程。未来，进一步优化硅负载量与孔结构适配性，或可推动该技术向更高能量密度体系拓展。
