硅/石墨复合材料被认为是高能量密度和快充锂离子电池最具前景的负极材料之一。然而，在实际电池工业应用中，由于硅在锂化/脱锂过程中显著的体积变化，以及硅与石墨之间的锂离子串扰问题，该类材料仍主要局限于低硅含量体系，导致其容量提升受限。研究表明，活性材料的空间构型显著影响锂离子传输和应力演化。然而，现有研究多集中于低硅负载或氧化硅体系，高硅负载下的适用性尚未验证。同时，硅与石墨的空间分布机制尚不明确，梯度结构和混合分布的潜力也未被充分挖掘。针对这一问题，我院黄志高教授与林应斌教授团队结合电化学-力多物理场耦合模型与实验验证，系统评估了不同电极构型的性能。研究发现，将硅从集流体侧迁移至隔膜侧，可提高锂离子与电子传输效率，降低浓度梯度和电极极化。将硅置于隔膜附近的顶层构型，可实现硅与石墨的同步锂化，有效抑制串扰。相比之下，均匀混合构型中硅的锂化会显著降低相邻石墨区域的锂化程度，导致锂离子通量、电解质浓度梯度与应力-应变场之间复杂相互作用，锂化动力学较差。这些发现揭示了传统设计的局限性，为优化电极结构提供了理论支持，有望推动硅/石墨复合负极在产业中的应用。
研究成果以“Decoupling the impact of silicon-graphite spatial configuration on Li-storage performance via electrochemical-mechanical coupling model”为题发表于国际物理类权威期刊《Physical Review Applied》。福建师范大学为论文的唯一完成单位，我院硕士研究生林力欣为论文第一作者，陶剑铭副教授、林应斌教授和黄志高教授担任共同通讯作者。该研究工作得到国家自然科学基金和福建省自然科学基金等项目的资助。
