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硅基负极材料因其超高的理论比容量、丰富的自然资源以及适宜的工作电位，被普遍视为下一代高比能锂离子电池最具前景的负极材料之一。然而，硅在嵌锂过程中高达近300%的体积膨胀效应，不仅会导致颗粒粉化和电极结构坍塌，还会引发电解质在新鲜表面持续分解以及不稳定的固态电解质界面膜的反复生长。与此同时，锂离子在体相硅及界面层中的缓慢扩散严重制约了其倍率性能。上述多重问题相互关联，使得硅基负极在容量保持率、循环稳定性和高倍率性能等方面始终难以兼顾，严重阻碍了其商业化应用进程。

2026年7月18日，东南大学刘威教授在《Advanced Materials》上发表了题为“Cell-Membrane-Inspired Conjugated Microporous Thermoset Interface for High-Rate and Durable Silicon Anodes”的研究论文。该工作受生物细胞膜选择性物质输运与力学自适应结构的启发，通过在硅颗粒表面原位构建共轭微孔热固性涂层，实现了对锂离子选择性加速传输、体积膨胀力学缓冲以及界面化学调控的协同集成，为高比能硅基负极的稳定化提供了全新的仿生界面设计思路。

该仿生界面的构建基于一种简单的热固性策略。研究团队将3,6,12,15-四溴四苯并吩嗪分子前驱体与原始硅粉通过简单手混方式预混合，随后经一步升温热处理即可在硅表面形成均匀且共形的CMT涂层。前驱体在升温过程中依次经历升华、熔融、铺展及脱溴聚合反应，无需任何后处理步骤。透射电子显微镜图像显示，所得CMT涂层厚度约为10 nm，与硅基底结合紧密且连续均匀。X射线光电子能谱分析证实，热解过程中原位生成的溴自由基与硅表面发生反应，形成界面SiBrₓ物种，而有机配体则通过C-C偶联聚合成共轭网络，共同构成硅/涂层一体化复合结构。

CMT涂层最为突出的功能特性在于其约0.5 nm的均匀微孔与电负性骨架环境。N₂吸附测试表明，硅@CMT复合材料的比表面积由原始硅的13 m² g⁻¹显著提升至55 m² g⁻¹，其微孔尺寸集中于0.5–0.6 nm，小于溶剂化锂离子的动力学直径。该尺寸筛分效应结合骨架电负性，使得锂离子能够在孔道内实现部分去溶剂化并快速迁移。密度泛函理论计算进一步揭示，锂离子在CMT孔道内的迁移能垒仅为0.036 eV，而六氟磷酸根阴离子的迁移能垒则高达0.284 eV，两者相差近八倍。离子选择透过性测试表明，涂层对锂离子的迁移数显著提升，且对体积较大的TFSI⁻阴离子的排斥效应更为明显。此外，接触角测试结果显示，CMT涂层使电解液在硅表面的接触角由25.4°降低至近0°，表现出优异的电解液亲和性。

在力学性能方面，原子力显微镜模量成像显示，原始硅颗粒的表面杨氏模量主要分布于150–400 MPa，而硅@CMT则整体下移至50–250 MPa，表面显著软化。纳米压痕测试进一步表明，硅@CMT的压入模量从原始硅的0.33 GPa降至0.25 GPa，而硬度则由15.97 MPa提升至20.18 MPa。该涂层由刚性共价键交联网络构成，具备良好的韧性与弹性变形能力，能够在循环过程中有效耗散局部应力，缓解体积膨胀带来的机械损伤。此外，CMT涂层在循环过程中可原位转化为富含溴化锂的固态电解质界面膜。XPS分析证实，界面SiBrₓ物种在电化学循环过程中转变为LiBr，其高的锂离子电导率进一步促进了界面锂离子输运。

得益于上述离子选择性、力学缓冲与界面调控三重功能的协同作用，硅@CMT负极在电化学测试中展现出优异的倍率性能与循环稳定性。在0.1C电流密度下，其比容量高达3130.9 mAh g⁻¹，即使在3C高倍率下仍可保持1811.8 mAh g⁻¹的比容量，容量保持率达57.9%，而原始硅在相同条件下容量保持率仅为2.2%。在0.2C电流密度下循环250次后，硅@CMT仍可提供1838.8 mAh g⁻¹的可逆容量，容量保持率达64.9%，远优于原始硅的快速衰减行为。微分容量曲线表明，CMT涂层有效抑制了极化增长，循环200圈后氧化还原峰位与峰强度仍保持良好。电极截面形貌分析显示，硅@CMT电极在嵌锂后厚度膨胀仅为60.6%，远低于原始硅电极的94.2%，且去锂化后残余膨胀仅为5.7%，结构可逆性显著增强。

1、受生物细胞膜选择性物质输运与力学自适应结构的启发，设计了具有离子选择性、力学缓冲与界面调控三重功能的仿生CMT涂层。

2、利用约0.5 nm电负性微孔实现锂离子选择性加速传输，锂离子迁移能垒仅0.036 eV，同时有效排斥阴离子，抑制副反应。

3、原位形成的界面SiBrₓ物种在循环过程中转化为富含LiBr的固态电解质界面膜，进一步促进界面锂离子输运动力学。

图1 仿细胞膜共轭微孔热固性界面CMT的设计与合成示意图

图2 硅@CMT的核壳结构表征及界面化学组成分析

图3 CMT涂层的微孔结构、电解液亲和性及力学缓冲性能表征

图4 CMT涂层的离子选择性传输机制及界面化学调控作用

图5 硅@CMT负极的倍率性能和长循环稳定性

图6 CMT涂层对电极体积膨胀和结构演化的有效抑制

本研究受生物细胞膜功能启发，通过在硅负极表面原位构建共轭微孔热固性涂层，成功实现了锂离子选择性传输、体积膨胀力学缓冲与界面化学调控的协同集成。约0.5 nm的电负性微孔赋予涂层优异的锂离子选择透过性，界面SiBrₓ物种在循环过程中原位转化为LiBr，进一步优化了固态电解质界面膜的组成与结构。该仿生界面设计显著提升了硅基负极的倍率性能和循环稳定性，在3C高倍率下仍可保持1811.8 mAh g⁻¹的比容量，250次循环后容量保持率达64.9%。该工作提出的热固性界面构筑策略无需复杂后处理，具有良好可扩展性，为下一代高比能、长寿命锂离子电池负极材料的设计提供了全新思路。

文献链接：https://doi.org/10.1002/adma.74175

文章来源：新能源前沿