本文是一篇综述性文章，题为“Revisiting the kinetics enhancement strategies of Si anodes through deconstructing particle-interface-electrode integration”，由 Pingshan Jia、Junpo Guo 等人（分别来自 University of Macau、Henan Normal University 和 Fuzhou University）共同撰写，并发表在《Energy & Environmental Science》（Royal Society of Chemistry）期刊，预计将在 2025 年出版。本文章综述了硅基负极（Si anodes）的动力学提升策略，提出了粒子-界面-电极一体化的分解方法，并系统性地探讨了相关的改善手段及其实现快速充电的潜力。
作者与背景介绍
硅基负极因其较高的理论容量（约 3580 mAh g⁻¹）和低的电极电位（<0.3 V vs Li+/Li）在锂离子电池（LIBs）材料中备受关注。随着硅-石墨复合负极逐步投放市场，其商业潜力得到显著体现。但当前硅基负极在实际应用中面临较差的动力学表现，例如长时间的锂离子扩散路径、高界面迁移阻抗以及电极内锂离子扩散路径的不足或中断，这些问题严重阻碍了快速充电的实现。
本次综述的目的，是通过从微观的粒子水平到宏观的电极水平分解动力学限制因素，细致分析硅基负极中各关键瓶颈，并讨论创新型解决方案。
主要观点与内容解读
动力学限制的分解方法
文章首次从粒子（particle）、界面（interface）、与电极（electrode）三部分出发，对硅基负极在动力学表现中的关键障碍进行了系统拆解：
粒子水平：
- 硅材料固有低导电性和长锂离子扩散距离导致其锂化过程缓慢。
- 硅材料的各向异性锂化机制在不同晶体方向上表现出不同的动力学特性，例如晶面取向对相变速率的影响。
界面水平：
- 硅材料表面复杂的固态电解质界面（SEI）层，以及硅暴露表面的差导电性，均增加了界面阻抗。
- SEI 层的化学组分和结构分布是影响离子迁移效率的重要因素。
电极水平：
- 初始电极孔隙度、电极破裂及体积膨胀引起的非均匀接触，均对锂离子扩散路径产生显著负面影响。
- 当前收集体连接的不充分直接影响了硅负极的完整性和动力学表现。
硅基负极动力学提升的多层次策略
基于以上分析，作者提出针对不同水平问题的解决策略，并结合实验研究与理论分析详细展开。
粒子水平策略
缩短锂离子扩散距离：
- 制备纳米结构（如纳米粒子、纳米线、中空结构等）以缩短扩散路径。例如直径 150 nm 的硅纳米粒子可提高高倍率容量保持率。
- 引入多孔结构，通过优化孔径分布及比表面积平衡离子扩散距离和界面阻抗。
提升导电性：
- 元素掺杂（如 B、P、S、Mo）通过增强迁移载流子（电子和空穴）来提高电子导电性，同时可能改变硅材料的晶体结构，从而优化离子扩散速率。
- 颗粒复合，采用碳基材料（石墨、碳纳米管、石墨烯）与硅形成复合结构，构建高速电子传输网络。
界面水平策略
表面包覆：
- 使用导电碳涂层（如石墨烯包覆）和弹性有机涂层（如导电聚合物）优化表面导电性、减小界面阻抗。
- 调控碳涂层厚度以获得最佳动力学性能；太厚会抑制扩散，而过薄则易破裂。
- 引入自组装或具有自修复性质的多功能涂层，使其既能适应材料膨胀，又有减小界面阻抗的作用。
SEI 优化：
- 调节电解液组成或使用添加剂（如 FEC、TFPC 等）以构建均匀分布和高导电性的 SEI。
- 优化 SEI 组分，例如引入低迁移能垒的无机化合物（如 Li₃N 和 Li₂O），有助于增强离子迁移效率。
电极水平策略
电极孔隙控制：
- 通过颗粒尺寸分布调节和外部压力作用，构建适当孔隙率以确保良好的电解液渗透和均匀锂离子扩散路径。
- 适当的外部压力（如 1 MPa）可提高颗粒间接触度和导电性，但过大则不利于电解液扩散。
维持电极完整性：
- 使用高粘附性粘结剂（如 PF-COONa 和 PSEA），结合导电增强和自修复性质以减少或填补裂纹。
- 引入液态金属（如镓基材料）修复裂纹并实现导电网络重建。
改良集流体：
- 对铜集流体表面进行粗糙化或涂层处理（如碳涂层 Cu），提高电极附着力并减少电荷转移阻抗。
- 设计三维结构集流体（如多壳层 Cu@Si@Cu 微颗粒），在宏观上增加电流分布均匀性与连续性。
结论与意义
综述文献从不同维度细致解析了硅基负极快速充电受限的关键因素，并系统性地总结了基于粒子、界面与电极的一体化动力学提升策略。重点指出了优化结构、提升导电性和调控 SEI 为提升硅基负极潜力的核心方向。
本综述对硅基电池的快速充电性能改进提供了宝贵的理论指导，并为高能量密度锂离子电池的产业化发展提供了技术路线图。同时，其提出的分步骤设计与策略分类方法为研究其他新型电池材料提供参考。
本文章的亮点
- 系统性采用粒子-界面-电极三维拆解法分析动力学限制，对实际问题定位准确。
- 提出了多层次并适宜的改进策略，强化了理论与应用的结合。
- 涵盖当前硅基负极动力学研究的发展前沿，具有较高的学术价值和工业指导意义。