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CN114616694A - 硅碳复合粉末活性材料 - Google Patents

硅碳复合粉末活性材料 Download PDF

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CN114616694A
CN114616694A CN202080076803.9A CN202080076803A CN114616694A CN 114616694 A CN114616694 A CN 114616694A CN 202080076803 A CN202080076803 A CN 202080076803A CN 114616694 A CN114616694 A CN 114616694A
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carbon composite
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Abstract

用于产生硅碳复合粉末的系统和方法，所述硅碳复合粉末具有较厚的活性材料硅碳复合膜或碳复合电极的电特性，并且可以包括阴极、电解质和阳极，其中所述电极可以包含硅碳复合粉末。

Description

硅碳复合粉末活性材料
相关申请的交叉引用/援引并入
本申请要求于2019年11月8日提交的第16/679,140号美国专利申请的优先权，所述美国专利申请通过援引据此并入。
技术领域
本公开内容的方面涉及能量产生和存储。更具体地，本公开内容的某些实施方案涉及用于产生具有较厚的活性材料硅碳复合膜或碳复合电极的电特性的硅碳复合粉末的方法和系统。
背景技术
用于电池阳极的常规方法可能是昂贵的、笨重的和/或低效的，例如，它们可能实施起来复杂和/或耗时，并且可能限制电池使用寿命。
通过将这种系统与如本申请的其余部分中参考附图所阐述的本公开内容的一些方面进行比较，常规和传统方法的其它限制和缺点对于本领域技术人员而言将变得显而易见。
发明内容
用于提供微米级尺寸的硅碳复合粉末的系统和/或方法，包含硅碳复合粉末的电池和包含硅碳复合粉末的电极，大体上如至少一个图所示和/或如关于至少一个图所述，如权利要求中更完整地阐述。
根据以下描述和附图，将更全面地理解本公开内容的这些和其它优点、方面和新特征，以及其所示实施方案的细节。
附图说明
图1是根据本公开内容的示例性实施方案的经由硅颗粒尺寸配置阳极膨胀的电池的图。
图2例示出根据本公开内容的示例性实施方案的锂化期间的阳极膨胀。
图3A至图3C例示出根据本公开内容的示例性实施方案的电极活性材料。图3A描绘了典型的硅占主导的硅碳活性材料膜。图3B描绘了根据本公开内容的硅碳复合粉末的示例性实施方案。图3C描绘了根据本公开内容的示例性实施方案的将如本文所述的硅碳复合粉末结合到用于产生电极活性材料的在线方法中的示例性实施方案。图3D是用于制备硅碳复合粉末的方法的流程图的示例性实施方案
图4是根据本公开内容的示例性实施方案的进一步加工硅碳复合粉末用于直接涂覆电极的方法的流程图。
图5是根据本公开内容的示例性实施方案的进一步加工硅碳复合粉末用于电极层压的另一个替代方法的流程图。
具体实施方式
图1是根据本公开内容的示例性实施方案的包含硅碳复合粉末的电池的图。参考图1，示出了电池100，所述电池100包括夹置在阳极101与阴极105之间的隔板103，以及集流器107A和107B。还示出了联接至电池100的负载109，例示出当电池100处于放电模式时的情况。在本公开内容中，术语“电池”可以用于指示单个电化学电池，形成为模块的多个电化学电池和/或形成为组件的多个模块。
便携式电子装置的发展和运输的电气化驱动了对高性能电化学能量存储的需求。相对于其它可充电电池化学品，小规模(<100Wh)至大规模(>10KWh)装置由于锂离子(Li离子)电池的高性能而主要使用锂离子电池。
阳极101和阴极105，连同集流器107A和107B，可以包括电极，所述电极可以包括在电解质材料内或容纳电解质材料的板或膜，其中板可以提供用于容纳电解质的物理屏障以及与外部结构的导电接触。在其它实施方案中，阳极/阴极板浸没在电解质中，同时外壳提供电解质容纳。阳极101和阴极电联接至集流器107A和107B，集流器107A和107B包含金属或其它导电材料用于提供与电极的电接触以及在形成电极时对活性材料的物理支撑。
图1中所示的配置例示出处于放电模式的电池100，而在充电配置中，可以用充电器代替负载107以逆转该过程。在一类电池中，隔板103通常是由例如电绝缘聚合物制成的膜材料，这防止电子从阳极101流到阴极105，或者反之亦然，同时是足够多孔的以允许离子穿过隔板103。通常，隔板103、阴极105和阳极101材料分别形成为片、膜或活性材料涂覆的箔。将阴极、隔板和阳极的片依次堆叠或轧制，使隔板103将阴极105与阳极101分隔，以形成电池100。在一些实施方案中，隔板103是片并且通常在其制造中采用卷绕方法和堆叠。在这些方法中，阳极、阴极和集流器(例如，电极)可以包括膜。
在示例性情形中，电池100可以包含固体、液体或凝胶电解质。隔板103优选不溶于典型的电池电解质，例如可以包含以下的组合物：碳酸亚乙酯(EC)、氟代碳酸亚乙酯(FEC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸二乙酯(DEC)等以及溶解的LiBF4、LiAsF6、LiPF6和LiClO4等。隔板103可以用液体或凝胶电解质润湿或浸泡。此外，在示例性实施方案中，隔板103在低于约100℃至120℃不熔化，并且表现出足够的机械性质用于电池应用。在操作中，电池可以经历阳极和/或阴极的膨胀和收缩。在示例性实施方案中，隔板103可以膨胀和收缩至少约5％至10％而不失效，并且还可以是柔性的。
隔板103可以是足够多孔的，使得一旦用例如液体或凝胶电解质润湿，离子就可以穿过隔板。替代地(或额外地)，即便没有显著的孔隙度，隔板也可以通过胶凝或其它方法吸收电解质。隔板103的孔隙度通常也不会太多孔以致允许阳极101和阴极105通过隔板103传递电子。
阳极101和阴极105包括用于电池100的电极，提供与用于在充电和放电状态下传递电荷的装置的电连接。例如，阳极101可以包含硅、碳或这些材料的组合。典型的阳极电极包含碳材料，其包括诸如铜片的集流器。碳是常用的，因为碳具有优异的电化学性质并且还是导电的。目前在可充电锂离子电池中使用的阳极通常具有约200毫安小时/克的比容量。用于大多数锂离子电池阳极的活性材料石墨具有372毫安小时每克(mAh/g)的理论能量密度。相比之下，硅具有4200mAh/g的高的理论容量。为了增加锂离子电池的体积能量密度和重量能量密度，硅可以用作阴极或阳极的活性材料。硅阳极可以由例如具有超过50％的硅的硅复合物形成。
在示例性情况下，阳极101和阴极105存储用于分离电荷的离子，例如锂。在该实例中，电解质在放电模式下将带正电的锂离子从阳极101携带到阴极105，例如如图1中所示，并且反之亦然，在充电模式下穿过隔板105。锂离子的运动在阳极101中产生自由电子，这在正集流器107B处产生电荷。然后电流从所述集流器通过负载109流到负集流器107A。隔板103阻挡电池100内的电子流，允许锂离子流，并且防止电极之间的直接接触。
当电池100放电并且提供电流时，阳极101释放锂离子经由隔板103到达阴极105，从而产生从一侧经由联接的负载109到另一侧的电子流动。当对电池充电时，发生相反的情况，其中锂离子被阴极105释放并且由阳极101接收。
为阳极101和阴极105选择的材料对于电池100可能的可靠性和能量密度是重要的。当前锂离子电池的能量、功率、成本和安全性需要改善，以便例如与内燃机(ICE)技术竞争并且允许电动车辆(EV)的广泛采用。随着高容量且高电压阴极、高容量阳极以及具有高电压稳定性和与电极的界面兼容性的功能性不可燃电解质的开发，实现了高能量密度、高功率密度和改善的安全性的锂离子电池。此外，将具有低毒性的材料作为电池材料对降低工艺成本和促进消费者安全性是有利的。
电化学电极的性能虽然取决于许多因素，但很大程度上取决于电极颗粒之间以及集流器与电极颗粒之间的电接触的稳健性。硅阳极电极的导电性可以通过结合具有不同形态性质的导电添加剂来控制。炭黑(Super P)、气相生长碳纤维(VGCF)以及两者的混合物先前已经单独地结合到阳极电极中，导致阳极性能的改善。两种碳材料之间的协同相互作用可以促进在充电和放电期间硅阳极的大体积变化中的电接触。
现有技术的锂离子电池通常采用石墨占主导的阳极作为锂的插层材料。然而，与石墨占主导的锂离子电池相比，硅占主导的阳极提供了改善。硅表现出高重量容量(3579mAh/g相对于石墨的372mAh/g)和体积容量(2194mAh/L相对于石墨的890mAh/L)。此外，基于硅的阳极相对于Li/Li+具有在约0.3V至0.4V的锂化/去锂化电压平台，这使其保持开路电势，避免了不希望的Li析出和枝晶形成。虽然硅显示出优异的电化学活性，但由于硅在锂化和去锂化期间的大体积变化，实现基于硅的阳极的稳定循环寿命具有挑战性。硅区域可能失去与阳极的电接触，因为大的体积变化与其低电导率相结合将硅与阳极中的周围材料分开。
此外，大的硅体积变化加剧了固体电解质中间相(SEI)的形成，这可以进一步导致电绝缘，从而导致容量损失。在充电-放电循环时硅颗粒的膨胀和收缩引起硅颗粒的粉碎，这增加了其比表面积。随着循环间期硅表面积变化和增加，SEI反复地解体和重组。因此，SEI在循环期间不断地积聚在粉碎的硅区域周围，变成厚的电子和离子绝缘层。这种累积的SEI增加了电极的阻抗并且降低了电极电化学反应性，这对循环寿命是有害的。
本公开内容提供了针对本领域中出现的挑战的解决方案，所述挑战涉及由于现有活性材料膜和市售电极的尺寸、形状和规模的物理限制而引起的对当前可用活性材料的材料应用的限制。许多正在发展的电池技术正试图寻求在其电池中结合粉末类活性材料。在示例性实施方案中，本公开内容提供了包含硅和石墨颗粒的硅碳复合粉末，所述硅和石墨颗粒相对于用于制造活性材料膜和复合电极的颗粒具有显著更小的尺寸D50分布。因此，本公开内容提供了硅碳复合粉末形式的电极活性材料，其中活性材料复合粉末的颗粒尺寸D50分布为微米量级(例如，约5μm至小于25μm)，并且与现有的活性材料膜(约30μm厚，或更大)和商业复合电极(约100至250μm厚)相比，允许更大的应用灵活性。由硅碳复合粉末的尺寸提供的灵活性允许它们在现有的电池制造工艺中用作普适性替代材料。
图2例示出根据本公开内容的示例性实施方案的锂化期间的阳极膨胀。参考图2，示出了集流器201、任选的粘合剂203和活性材料205。应注意，粘合剂203可以存在或不存在，取决于使用的阳极制造工艺的类型，因为粘合剂不是必须存在于其中活性材料直接形成在集电器上的直接涂覆工艺中。在示例性情况下，活性材料205包括在粘结剂材料和溶剂中的硅颗粒，活性材料205被热解以将粘结剂转变成热解碳，所述玻璃碳提供在硅颗粒周围的结构框架并且还提供导电性。可以使用任选的粘合剂203将活性材料联接至集流器201。集流器201可以包括金属膜，例如铜、镍或钛，但根据所需的拉伸强度可以使用其它导电箔。
图2还例示出接枝到并且锂化活性材料205的锂离子。硅占主导的阳极的锂化引起材料的膨胀，其中水平膨胀由x和y轴表示，而厚度膨胀由z轴表示，如所示的。集流器201具有厚度t，其中较厚的箔提供更大的强度，并且如果粘合剂203足够强，则限制了x和y方向上的膨胀，产生更大的z方向的膨胀，从而产生各向异性膨胀。例如，对于铜，示例性较厚的箔的厚度可以大于6μm，例如10μm或20μm，而铜的较薄的箔的厚度可以小于6μm。
在另一示例性情况下，当集流器201较薄，例如对于铜箔为5至6μm的量级时，活性材料205可以更容易在x和y方向上膨胀，但在z方向上仍然更容易，因为在该方向上没有其它限制。在这种情况下，膨胀是各向异性的，但与较高x-y约束的情况相比不那么多。
此外，可以使用具有不同拉伸强度的不同材料来配置在x和y方向上允许的膨胀量。例如，对于集流器201，镍是刚性更大、机械方面强的金属，并且因此，当使用足够强的粘合剂时，镍集流器约束了x-y膨胀。在这种情况下，即使与较厚的铜箔相比，在x和y方向上的膨胀也可能受到更多的限制，并且导致更多的z方向膨胀，即更多的各向异性。在用5μm镍箔集流器形成的阳极中，产生非常低的膨胀且无裂纹。此外，例如，可以使用不同的金属合金来获得所需的热导率、电导率和拉伸强度。
在示例性情况下，当使用粘合剂时，粘合剂203包括诸如聚酰亚胺(PI)或聚酰胺-酰亚胺(PAI)的聚合物，其提供活性材料膜205与集流器201的粘合强度，同时还提供与集流器201的电接触。根据所需的强度，可以使用其它粘合剂，只要它们可以在加工后提供具有足够导电性的粘合强度即可。如果粘合剂203提供了更强的、刚性更大的结合，假定集流器也是强的，则在x和y方向上的膨胀可以更加受限。相反，更柔性和/或更厚的粘合剂可以允许更多的x-y膨胀，降低阳极膨胀的各向异性性质。
图3A至图3D例示出硅碳复合粉末的示例性实施方案，将这些复合粉末结合到电极活性材料中，以及用于制备硅碳复合粉末的流程图。图3A描绘了约25至40μm厚的典型的硅占主导的活性材料膜300，其中硅颗粒302和任选的石墨颗粒304通过热解碳而结合，所述热解碳可以在混合之后(例如，在浆料中)通过热解前驱体(例如，粘合剂)而产生。在图3A中例示的活性膜中，硅颗粒302和石墨颗粒304可以分别具有约7μm和约10至15μm的D50尺寸分布。在整个图3A、图3B和图3C中将热解碳描绘为黑色背景以及在硅302和石墨304颗粒上的黑色轮廓。图3B描绘了根据本公开内容的硅碳复合粉末310的示例性实施方案。在描绘的示例性实施方案中，硅302和石墨304颗粒的D50尺寸分布(例如，约0.1μm至约1.0μm)小于图3A中所示的颗粒。如本文所述，硅和石墨颗粒(图3B中的302和304)的减小的颗粒尺寸提供了硅碳复合颗粒310的制造和生产，所述硅碳复合颗粒310可以按任何市售石墨的规模(例如，小于约25μm，或者约2μm至约15μm或5μm至约12μm)来制定尺寸。图3C描绘了将硅碳复合颗粒310的示例性实施方案结合到可以包含石墨颗粒304和复合颗粒310的常规较厚(例如，100至250μm)石墨类电极320中的实例。如本文所述，可以改变硅碳复合粉末的D50分布颗粒尺寸，并且可以组合不同的颗粒尺寸以提供双峰或多峰D50颗粒尺寸分布。图3D描述了可以用于制备根据本描述的硅碳复合粉末的示例性工艺流程。
硅碳复合粉末的制备
如图3D中所示，本公开内容提供了可以用于制备如本文所述的硅碳复合粉末的工艺方法的示例性实施方案。参考图3D中所示的示例性方法，制备硅颗粒、聚合物前驱体和任选的导电碳(例如，石墨、炭黑、碳纤维、碳纳米纤维、碳纳米管等)的混合物301。混合物可以被制备成浆料，所述浆料可以被涂覆，或者被施用或铺展在基板上至所需的厚度303。浆料可以被干燥以去除可能存在的任何溶剂中的一些或全部305。在步骤307中，可以使用任选的压延过程，其中可以使用一系列硬压辊来使材料片平滑和/或提供更致密的材料片，或者有助于在热解之前形成膜。在步骤309中，混合物可以在热解前驱体以将前驱体转化为导电碳相(即，热解碳)的条件下反应。在示例性实施方案中，干燥膜可以通过加热至500至800℃或者替代地，加热至约900℃至约1350℃来热解，使得碳前驱体部分或完全转化为热解碳。热解步骤可以产生具有大于或等于50重量％的硅含量的电极(例如，阳极)活性材料，其已经在400℃或高于400℃下进行加热。热解反应可以在还原性气氛(例如，惰性气氛、真空和/或流动的氩气、氮气或氦气)下进行。
作为图3D中描述的方法的替代示例性实施方案，可以将混合浆料301直接用于热解309，热解309可以包括热解技术，例如喷雾热解。喷雾热解可以包括将浆料气雾化成液滴，其中所述浆料包含前驱体溶液中的固体颗粒，从液滴中蒸发溶剂，以及煅烧干燥的液滴以将前驱体化合物分解成形成热解碳的产物颗粒。形成后，可以从热解气体流中收集颗粒。
在热解之后，可以将所得的硅碳复合材料研磨、磨碎和/或加工以形成具有本文所述的物理性质和特性的硅碳复合粉末311。步骤311可以包括用于颗粒分选、分类和质量控制的任何常用技术，包括例如筛分分析、数字图像颗粒处理、光散射(动态光散射)、静态激光分析(激光衍射)、声光谱等。
在该阶段，此方法提供了电化学活性硅碳复合粉末，其可以容易地结合到常规电极制造方法313中。在示例性实施方案中，硅碳复合粉末可以以与用于制备常规电极结构(例如在工业中已知的石墨电极)的方法中使用的方式类似的方式沉积在收集器上。在其它示例性实施方案中，电池或电化学电池中的电极可以包含本文所述的硅碳复合粉末。例如，硅碳复合粉末可以用于阳极和/或阴极。在一些示例性实施方案中，电池是锂离子电池。以下描述电极和电池形成的附加示例性实施方案。
将硅碳复合粉末结合到电极中
在图4和图5中例示的每个示例性实施方案中，描绘了可以将根据本公开内容制备的硅碳复合粉末颗粒结合到用于形成电极的标准工艺中的工艺方法。
该方法包括将活性材料、导电添加剂和粘结剂物理地混合在一起，并且将其直接涂覆在集流器上。该示例性方法包括直接涂覆方法，其中使用诸如CMC、SBR、藻酸钠、PAI、PAA、PI及其混合物和组合的粘结剂将阳极浆料直接涂覆在铜箔上。另一个示例性方法包括在基板上形成活性材料，然后转移至集流器，如关于图5所述。
在示例性图4中，步骤401，可以使用粘结剂/树脂(例如PI、PAI)、溶剂和导电碳来混合硅碳复合粉末。例如，石墨烯/VGCF(按重量计1:1)可以在超声处理下分散在NMP中，持续例如45至75分钟，随后添加Super P(与VGCF和石墨烯为1:1:1)并且进行额外的超声处理，持续例如45至75分钟。然后可以在球磨机中在例如800至1200rpm下持续指定时间，将具有所需颗粒尺寸的硅碳复合粉末分散在聚酰胺酸树脂(在N-甲基吡咯烷酮(NMP)中的15％固体)中，然后可以添加共轭碳/NMP浆料并且在例如2000rpm下持续例如另一预定时间进行分散，以实现2000至4000cP的浆料粘度和约30％的总固体含量。可以改变颗粒尺寸和混合时间以配置活性材料的密度和/或粗糙度。
在步骤403中，浆料可以以例如3至4mg/cm2的负载量涂覆在基板或箔上，其可以在步骤405中进行干燥，产生小于15％的残留溶剂含量。在步骤407中，可以使用任选的压延过程，其中可以使用一系列硬压辊来将膜/基板修整成更平滑且更致密的材料片。
虽然可以包括任选的热解步骤409，但热解不是必需的，因为硅碳复合粉末作为热解材料提供。在使阳极在400℃或高于400℃下进行加热的情况下，所述方法可以产生具有大于或等于50重量％的硅含量的阳极活性材料。任何最终热处理步骤(例如，在400℃或高于400℃下加热)可以以辊的形式或在步骤411中的冲压之后进行。如果以辊的形式进行，则优选可以在最终热处理之后进行冲压。然后可以用隔板和阴极与电解质一起夹置经冲压的电极以形成电池。在步骤413中，电池可以进行包括初始充电和放电步骤的化成过程，以锂化阳极，其中剩余一些残留的锂。
图5是根据本公开内容的示例性实施方案的用于电极层压的替代方法的流程图。虽然先前制造复合阳极的方法采用了直接涂覆过程，但该方法将硅碳复合粉末、导电添加剂和粘结剂物理地混合在一起，并与剥离和层压过程相结合。
该方法在图5的流程图中示出，以步骤501开始，其中硅碳复合粉末可以与粘结剂/树脂(例如聚酰亚胺(PI)或聚酰胺-酰亚胺(PAI))、溶剂、硅氮烷(silosilazane)添加剂和任选的导电碳混合。正如图4中所述的方法，石墨烯/VGCF(按重量计1:1)可以在超声处理下分散在NMP中，持续例如45至75分钟，随后添加Super P(与VGCF和石墨烯为1:1:1)并且进行额外的超声处理，持续例如1小时。然后可以在球磨机中在例如800至1200rpm下持续指定时间，将具有所需颗粒尺寸的硅碳复合粉末分散在聚酰胺酸树脂(在N-甲基吡咯烷酮(NMP)中的10至20％固体)中，然后可以添加共轭碳/NMP浆料并且在例如1800至2200rpm下持续例如另一预定时间进行分散，以实现2000至4000cP的浆料粘度和约30％的总固体含量。可以改变颗粒尺寸和混合时间以配置活性材料的密度和/或粗糙度。
在步骤503中，浆料可以涂覆在聚合物基板上，例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚丙烯(PP)或Mylar。浆料可以以3至4mg/cm2的负载量(具有15％溶剂含量)涂覆在PET/PP/Mylar膜上，然后在步骤505中干燥以去除一部分溶剂。可以使用任选的压延过程，其中可以使用一系列硬压辊来将膜/基板修整成平滑且致密的材料片。
在步骤507中，然后可以将生膜从PET中去除，其中可以将活性材料从聚合物基板上剥离。剥离之后可以进行固化和任选的热解步骤509。热解不是必需的，因为硅碳复合粉末作为热解材料提供。在使阳极在400℃或高于400℃下进行加热的情况下，所述方法可以提供具有大于或等于50重量％的硅含量的阳极活性材料。
在步骤511中，可以将材料平压或辊压层压在集流器上，其中可以用标称负载量为0.35至0.75mg/cm2的聚酰胺-酰亚胺(作为在NMP中的5至7wt％清漆施用，在100至140℃下真空干燥10至20小时)涂覆铜箔。在平压层压中，可以使用加热的液压机(30至70秒，250至350℃，并且3000至5000psi)将硅-碳复合膜层压到涂覆的铜上，从而形成最终的硅复合电极。在另一个实施方案中，材料可以被辊压层压至集流器。
在步骤513中，然后可以用隔板和阴极与电解质一起夹置电极以形成电池。电池可以进行包括初始充电和放电步骤的化成过程，以锂化阳极，其中剩余一些残留的锂。
在本公开内容的示例性实施方案中，提供了用于包含硅和热解碳的硅碳复合粉末的方法和系统，其中所述复合粉末具有小于约25μm，或者约5μm至约15μm的D50颗粒尺寸分布范围。在一些示例性实施方案中，硅碳复合粉末还可以包含石墨或其它导电碳颗粒。在示例性实施方案中，复合粉末的D50颗粒尺寸分布范围可以与选自市售石墨的石墨颗粒的D50尺寸分布基本上相同。在其它示例性实施方案中，硅碳复合粉末可以包含相对于复合粉末中包含的其它颗粒具有不同D50颗粒尺寸分布的颗粒(例如，双峰或多峰颗粒尺寸分布)。在此类示例性实施方案中，颗粒尺寸的差异可以允许改变可以用于改变复合材料的性质(例如，用于高功率应用)的材料(例如，电极活性材料)的填充密度和/或孔隙度。
在其它示例性实施方案中，硅碳复合粉末包含约70至96重量％的硅颗粒和一定量的衍生自前驱体聚合物的热解碳。在一些其它示例性实施方案中，硅碳复合粉末可以包含约75至90重量％的硅颗粒。在其它示例性实施方案中，硅碳复合粉末还可以包含约5至15重量％的石墨或其它导电碳颗粒。在一些示例性实施方案中，硅碳复合粉末可以包含热解碳，其重量百分数足以补足(至100％)包含在复合粉末中的硅的重量百分数，或者硅和石墨颗粒的组合重量百分数的差额。在其它示例性实施方案中，硅碳复合粉末中的一定量的热解碳可以基本上位于颗粒的表面处或其附近，从而限制复合粉末中的硅颗粒的表面暴露。在此类示例性实施方案中，热解碳的存在提供的特别优点在于其在颗粒表面处的位置通过限制或防止硅与可能存在的并与复合粉末接触的任何电解质(例如，在阳极或电池组中)之间的化学反应来防止固体电解质中间相(SEI)层的形成。
在示例性实施方案中，可以使用本文所述的任何加工方法制备和产生硅碳复合粉末。例如，硅颗粒和石墨颗粒可以在本文公开的重量百分比范围内混合在一起，并且可以与标准粘结剂或前驱体聚合物组合。粘结剂或前驱体聚合物的一些示例性实施方案包括以下非限制性实例：CMC(羧甲基纤维素)、SBR(苯乙烯-丁二烯橡胶)、藻酸钠、PI(聚酰亚胺)、PAI(聚酰胺-酰亚胺)、PAA(聚丙烯酸)等，以及它们的混合物和组合。如本文所述，此类粘结剂和/或前驱体聚合物的热解(例如，在可以为约600至1500℃或约800至1200℃的工艺温度下)可以有效地将那些材料转化成热解碳，所述热解碳可以占本文所述的硅碳复合粉末的一部分。
在一些示例性实施方案中，硅碳复合粉末包含D50尺寸分布为约0.1μm至约1.0μm的石墨或其它导电碳(例如，炭黑、碳纤维、碳纳米纤维、碳纳米管等)颗粒。在一些其它示例性实施方案中，石墨颗粒的D50尺寸分布为约0.1μm至小于1.0μm，或约0.1μm至约0.9μm，约0.1μm至约0.8μm，约0.1μm至约0.7μm，或约0.1μm至约0.6μm。在其它示例性实施方案中，石墨颗粒具有约0.1μm至约0.7μm的D50尺寸分布。在示例性实施方案中，具有本文所述的D50尺寸分布的石墨或其它导电碳(例如，炭黑、碳纤维、碳纳米纤维、碳纳米管等)颗粒可以使用已知的加工技术(例如，研磨等)由较大的石墨颗粒制备。
在一些示例性实施方案中，硅碳复合粉末包含具有约0.1μm至约1.0μm的D50尺寸分布的石墨颗粒。在一些其它示例性实施方案中，硅颗粒的D50尺寸分布为约0.1μm至小于1.0μm，或约0.1μm至约0.9μm，约0.1μm至约0.8μm，约0.1μm至约0.7μm，或约0.1μm至约0.6μm。在其它示例性实施方案中，硅颗粒具有约0.1μm至约0.7μm的D50尺寸分布。在示例性实施方案中，且与以上描述的石墨颗粒非常类似，具有本文所述的D50尺寸分布的硅颗粒可以使用已知的加工技术(例如，研磨等)由较大的硅颗粒制备。
在其它示例性实施方案中，硅颗粒可以包括痕量的污染物或掺杂剂，使得痕量材料的存在可以使硅颗粒是导电(或半导电)的。此类硅颗粒的一些非限制性示例性实施方案包括高度掺杂的N型硅，以及包含痕量元素(例如铝、硼或磷或其组合)作为掺杂剂的硅。在一些示例性实施方案中，硅颗粒可以包括天然氧化物层(例如，SiO2)；然而，在典型实施方案中，硅基本上不含任何量的添加的氧化硅(例如，SiO2)，以便避免潜在早期电池反应，其可能在电池中产生不可逆的容量损失。
在一些示例性实施方案中，本公开内容提供了包含本文所述的硅碳复合粉末的电极，例如硅碳复合且硅占主导的阳极。
在其它示例性实施方案中，本公开内容提供了包含本文所述的硅碳复合粉末的电池。
如本文所用，术语“电路(circuits)”和“电路(circuitry)”是指物理电子组件(即，硬件)，以及可以配置硬件、由硬件执行和/或以其它方式与硬件相关联的任何软件和/或固件(“代码”)。如本文所用，例如，特定处理器和存储器可以包括在执行第一的一行或多行代码时的第一“电路”，并且可以包括在执行第二的一行或多行代码时的第二“电路”。如本文所用，“和/或”意指列表中由“和/或”连接的任何一个或多个项目。作为实例，“x和/或y”意指三个要素集合{(x),(y),(x,y)}中的任何要素。换而言之，“x和/或y”意指“x和y中的一个或两个”。作为另一个实例，“x、y和/或z”意指七个要素集合{(x),(y),(z),(x,y),(x,z),(y,z),(x,y,z)}中的任何要素。换而言之，“x、y和/或z”意指“x、y和z中的一个或多个”。如本文所用，术语“示例性”意指用作非限制性实例、例子或示例。如本文所用，术语“例如(e.g.)”和“例如(for example)”引出一个或多个非限制性实例、例子或示例的列表。如本文所用，每当电池、电路或装置包括执行功能所必需的硬件和代码(如果需要的话)时电池、电路或装置“可操作”地执行该功能，而不管该功能的执行是否被禁用或未启用(例如，通过用户可配置的设置、工厂修整、配置等)。
尽管已经参考某些实施方案描述了本发明，但本领域技术人员应理解，在不背离本发明的范围的情况下，可以进行各种改变并且可以替换等同物。此外，在不背离本发明的范围的情况下，可以进行许多修改以使特定的情况或材料适应本发明的教导。因此，本发明不旨在局限于公开的具体实施方案，而是本发明将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施方案。

Claims (23)

1.硅碳复合粉末，包括：
约70％至96％(重量比)的硅颗粒，其中所述硅颗粒具有约0.1μm至约1.0μm的D50尺寸分布；以及
衍生自前驱体聚合物的热解碳。
2.如权利要求1所述的硅碳复合粉末，其中所述硅碳复合粉末还包含约0％至15％(重量比)的石墨或其它导电碳颗粒，其中所述石墨或其它导电碳颗粒具有约0.1μm至约1.0μm的D50尺寸分布。
3.如权利要求1所述的硅碳复合粉末，其中所述热解碳构成所述硅碳复合粉末的重量百分比的余量。
4.如权利要求1所述的硅碳复合粉末，其中所述复合粉末颗粒的D50尺寸分布与选自市售石墨的石墨颗粒的D50尺寸分布基本上相同。
5.如权利要求1所述的硅碳复合粉末，其中所述复合粉末颗粒具有约5μm至约15μm的D50尺寸分布。
6.如权利要求1所述的硅碳复合粉末，其中所述复合粉末颗粒的表面基本上是限制所述硅颗粒的表面暴露的热解碳。
7.如权利要求1所述的硅碳复合粉末，其中所述硅颗粒包括足以为所述硅颗粒提供一定量导电性的量的污染物。
8.电池，所述电池包括：
硅碳复合粉末，包括：
约70％至96％(重量比)的硅颗粒，其中所述硅颗粒具有约0.1μm至约1.0μm的D50尺寸分布；以及
衍生自前驱体聚合物的热解碳。
9.如权利要求8所述的电池，其中所述硅碳复合粉末还包含约0％至15％(重量比)的石墨或其它导电碳颗粒，其中所述石墨或其它导电碳颗粒具有约0.1μm至约1.0μm的D50尺寸分布。
10.如权利要求8所述的电池，其中所述热解碳构成包含在所述电池中的所述硅碳复合粉末的重量百分比的余量。
11.如权利要求8所述的电池，其中所述硅碳复合粉末颗粒的D50尺寸分布与选自市售石墨的石墨颗粒的D50尺寸分布基本上相同。
12.如权利要求8所述的电池，其中所述硅碳复合粉末颗粒具有约3μm至约15μm的D50尺寸分布。
13.如权利要求8所述的电池，其中所述硅颗粒包括足以为所述硅颗粒提供一定量导电性的量的污染物。
14.如权利要求8所述的电池，其中所述硅碳复合粉末颗粒的表面基本上是限制所述硅颗粒的表面暴露的热解碳。
15.如权利要求14所述的电池，其中所述硅碳复合粉末颗粒的表面处的所述热解碳通过限制或防止所述硅与所述电解质之间的化学反应来防止固体电解质中间相(SEI)层的形成。
16.电极，所述电极包括：
硅碳复合粉末，包括：
约70％至96％(重量比)的硅颗粒，其中所述硅颗粒具有约0.1μm至约1.0μm的D50尺寸分布；以及
衍生自前驱体聚合物的热解碳。
17.如权利要求15所述的电极，其中所述硅碳复合粉末还包含约0％至15％(重量比)的石墨或其它导电碳颗粒，其中所述石墨或其它导电碳颗粒具有约0.1μm至约1.0μm的D50尺寸分布。
18.如权利要求16所述的电极，其中所述热解碳构成包含在所述电池中的所述硅碳复合粉末的重量百分比的余量。
19.如权利要求16所述的电极，其中所述硅碳复合粉末颗粒的D50尺寸分布与选自市售石墨的石墨颗粒的D50尺寸分布基本上相同。
20.如权利要求16所述的电极，其中所述硅碳复合粉末颗粒具有约5μm至约15μm的D50尺寸分布。
21.如权利要求16所述的电极，其中所述硅颗粒包括足以为所述硅颗粒提供一定量导电性的量的污染物。
22.如权利要求16所述的电极，其中所述硅碳复合粉末颗粒的表面基本上是限制所述硅颗粒的表面暴露的热解碳。
23.如权利要求16所述的电极，其中所述硅碳复合粉末颗粒的表面处的所述热解碳通过限制或防止所述硅与所述电解质之间的化学反应来防止固体电解质中间相(SEI)层的形成。
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