制备硅-碳复合电极材料的方法与流程

本公开涉及可用于例如锂离子电化学电池和装置的负极的硅-碳复合电极材料，以及制备硅-碳复合电极材料的方法。

背景技术：

本章节提供与本公开相关的背景信息，其不一定是现有技术。

本公开涉及可用于例如锂离子电化学电池和装置的负极的硅-碳复合电极材料，以及与之有关的形成方法。

作为背景，高能量密度电化学电池（如锂离子电池组）可用于多种消费产品和车辆，如混合电动车（hev）和电动车（ev）。典型的锂离子电池组和锂硫电池组包含第一电极（例如阴极）、第二电极（例如阳极）、电解质材料和隔膜。通常将电池组电池的堆栈电连接以增加整体输出。常规的锂离子电池组通过在负极与正极之间可逆地传递锂离子来运行。隔膜和电解质设置在负极与正极之间。电解质适于传导锂离子，并可以为固体或液体形式。在电池组充电过程中，锂离子从阴极（正极）向阳极（负极）移动，当电池组放电时以相反的方向移动。

使阳极材料和阴极材料与电解质接触可以在电极之间产生电势。当在电极之间的外部电路中生成电子电流时，电势通过电池组的电池内部的电化学反应来维持。堆栈中的负极和正极各自连接至集流体（通常为金属，例如对于阳极为铜，对于阴极为铝）。在电池组使用过程中，与两个电极关联的集流体通过外部电路连接，该外部电路允许由电子生成的电流在电极之间通过以补偿锂离子的传输。

用于形成阳极的典型的电化学活性材料包括锂-石墨插层化合物、锂-硅合金化化合物、锂-锡合金化化合物、和/或锂合金。虽然石墨化合物是最常见的，但近来，具有高比容量（与常规石墨相比）的阳极材料越来越受到关注。例如，硅对于锂具有最高的已知理论充电容量，使其成为用于可再充电锂离子电池组的最有前途的材料之一。但是，目前包含硅的阳极材料受制于明显的缺陷。

例如，对于硅电活性材料，观察到在连续的充电和放电循环过程中过度的体积膨胀和收缩。这样的体积变化可能导致电活性材料的疲劳开裂和爆裂。这可能导致含硅电活性材料与电池组电池的剩余部分之间失去电接触，造成电化学循环性能下降、库仑电荷容量保持率降低（容量衰减）和受限的循环寿命。这在含硅电极在高能量锂离子电池组（如运输应用中使用的那些）中的应用所需的电极负载水平下尤其如此。

因此，合意的是开发使用在锂离子循环过程中发生明显的体积变化的硅或其它电活性材料的材料和方法，其能够在长寿命的商用锂离子电池组（特别是用于运输应用的那些）中尽量减少容量衰减并尽量提高充电容量。

技术实现要素：

本章节提供了本公开的总体概述，而不是其全部范围或其全部特征的全面公开。

在各个方面，本公开提供了形成用于循环锂离子的电化学电池的电极材料的方法。所述方法包括使催化剂前体与一种或多种电活性材料接触以形成混合物。所述催化剂前体包含一种或多种金属盐。所述方法进一步包括活化所述混合物中的催化剂前体以形成包含活化催化剂的活化混合物；和使一种或多种碳质材料与所述活化混合物接触以形成电极材料。所述电极材料包含设置在碳质结构内的一个或多个电活性粒子。

在一方面，所述一种或多种金属盐包括一种或多种金属硝酸盐m(no3)x、金属氯酸盐mclx、金属乙酸盐m(ac)x和金属硫酸盐m2(so4)x，其中1≤x≤5，且m选自：镍（ni）、钴（co）、锰（mn）、铁（fe）、锌（zn）、钒（v）、铬（cr）、钼（mo）、铜（cu）、镁（mg）、锶（sr）、钡（ba）、镧（la）、铈（ce）及其组合。

在一方面，活化可以包括将所述混合物加热到大于或等于大约200℃至小于或等于大约600℃的温度持续大于或等于大约5分钟至小于或等于大约2小时的时间。

在一方面，所述混合物可以在包含大于大约0%至小于或等于大约20%的氢气（h2）的环境中加热。

在一方面，所述混合物可以在包含氧气（o2）、臭氧（o3）、水（h2o）和过氧化氢（h2o2）中的一种或多种和一种或多种惰性气体的环境中加热。

在一方面，所述一种或多种碳质材料与所述活化混合物的接触可以包括在一种或多种烃的存在下将所述一种或多种碳质材料和所述活化混合物加热到大于或等于大约400℃至小于或等于大约1400℃的温度持续大于或等于大约5分钟至小于或等于大约12小时的时间。

在一方面，所述一种或多种烃可以选自：甲烷（ch4）、乙烷（c2h6）、丙烷（c3h8）、丁烷（c4h10）、戊烷（c5h12）、己烷（c6h14）、庚烷（c7h16）、乙炔（c2h2）、辛烷（c8h18）、甲苯（c7h8）、天然气及其组合。

在一方面，所述一种或多种碳质材料与所述活化混合物的接触包括进一步在一种或多种气态添加剂的存在下加热所述一种或多种碳质材料和所述活化混合物，所述气态添加剂选自：氨（nh3）、氢气（h2）、一氧化碳（co）及其组合。

在一方面，所述一种或多种电活性材料可以选自：硅、含硅合金、含锡合金、含锗合金、含磷合金、含砷合金、含铋合金、含锑合金及其组合。所述碳质结构可以包含一种或多种碳质材料。所述一种或多种碳质材料可以选自：无定形碳、碳纳米管（cnt）、碳纳米纤维（cnf）、石墨烯、石墨及其组合。

在一方面，所述一种或多种碳质材料与所述活化混合物的接触可以包括在一种或多种烃的存在下将所述一种或多种碳质材料和所述活化混合物加热到大于或等于大约400℃至小于或等于大约1400℃的温度持续大于或等于大约5分钟至小于或等于大约12小时的时间。所述电极材料可以包含设置在碳质结构内的一个或多个碳包覆的电活性粒子。

在一方面，碳包覆的电活性粒子各自包含含有一种或多种电活性材料的电活性粒子和设置在所述电活性粒子的暴露表面上的碳覆层。所述一种或多种电活性材料可以选自：硅、含硅合金、含锡合金、含锗合金、含磷合金、含砷合金、含铋合金、含锑合金及其组合。所述碳覆层可以包含无定形碳和石墨碳中的一种。

在一方面，所述碳质结构可以包含一种或多种碳质材料。所述一种或多种碳质材料可以选自：无定形碳、碳纳米管（cnt）、碳纳米纤维（cnf）、石墨烯、石墨及其组合。

在一方面，所述碳覆层可以具有大于或等于大约1nm至小于或等于大约200nm的厚度。

在一方面，所述一种或多种烃可以选自：甲烷（ch4）、乙烷（c2h6）、丙烷（c3h8）、丁烷（c4h10）、戊烷（c5h12）、己烷（c6h14）、庚烷（c7h16）、乙炔（c2h2）、辛烷（c8h18）、甲苯（c7h8）、天然气及其组合。所述一种或多种碳质材料与所述活化混合物的接触在一种或多种气态添加剂的存在下进行，所述气态添加剂选自：氨（nh3）、氢气（h2）、一氧化碳（co）及其组合。

在一方面，所述方法可以进一步包括在使所述前体与所述一种或多种电活性材料接触以形成混合物之后除去所述活化催化剂。

在各种其它方面，本公开提供了形成用于循环锂离子的电化学电池的电极材料的方法。所述方法包括使催化剂前体与一个或多个电活性材料粒子接触以形成混合物。所述催化剂前体包含一种或多种金属盐。所述一种或多种金属盐包括一种或多种金属硝酸盐m(no3)x、金属氯酸盐mclx、金属乙酸盐m(ac)x和金属硫酸盐m2(so4)x，其中1≤x≤5，且m选自：镍（ni）、钴（co）、锰（mn）、铁（fe）、锌（zn）、钒（v）、铬（cr）、钼（mo）、铜（cu）、镁（mg）、锶（sr）、钡（ba）、镧（la）、铈（ce）及其组合。所述一种或多种电活性材料粒子可以选自：硅、含硅合金、含锡合金、含锗合金、含磷合金、含砷合金、含铋合金、含锑合金及其组合。所述方法可以进一步包括活化所述催化剂前体以形成活化催化剂。所述活化催化剂可以包含m。所述活化催化剂可以设置在所述一个或多个电活性材料粒子的一个或多个暴露表面上或与所述一个或多个电活性材料粒子的一个或多个暴露表面相邻设置。所述方法可以进一步包括使一种或多种碳质材料与所述混合物接触以形成多个碳包覆的电活性粒子和碳质结构；并通过蚀刻除去所述活化催化剂以形成电极材料。所述电极材料包含设置在碳质结构内的多个碳包覆的电活性粒子。

在一方面，活化可以包括将所述混合物加热到大于或等于大约200℃至小于或等于大约600℃的温度持续大于或等于大约5分钟至小于或等于大约2小时的时间。

在一方面，所述一种或多种碳质材料与所述混合物的接触可以包括在一种或多种烃的存在下将所述一种或多种碳质材料和所述混合物加热到大于或等于大约400℃至小于或等于大约1400℃的温度持续大于或等于大约5分钟至小于或等于大约12小时的时间。

在一方面，所述一种或多种烃可以选自：甲烷（ch4）、乙烷（c2h6）、丙烷（c3h8）、丁烷（c4h10）、戊烷（c5h12）、己烷（c6h14）、庚烷（c7h16）、乙炔（c2h2）、辛烷（c8h18）、甲苯（c7h8）、天然气及其组合。所述一种或多种碳质材料与所述活化混合物的接触在一种或多种气态添加剂的存在下进行，所述气态添加剂选自：氨（nh3）、氢气（h2）、一氧化碳（co）及其组合。

在一方面，所述多个碳包覆的电活性粒子各自可以包含一个或多个电活性材料粒子和设置在一个或多个电活性材料粒子各自的暴露表面上的碳覆层。所述碳覆层可以包含无定形碳和石墨碳中的一种，并可以具有大于或等于大约1nm至小于或等于大约200nm的厚度。所述碳质结构可以包含一种或多种碳质材料。所述一种或多种碳质材料可以选自：无定形碳、碳纳米管（cnt）、碳纳米纤维（cnf）、石墨烯、石墨及其组合。

本发明公开了以下实施方案：

方案1.形成用于循环锂离子的电化学电池的电极材料的方法，所述方法包括：

使包含一种或多种金属盐的催化剂前体与一种或多种电活性材料接触以形成混合物；

活化所述混合物中的催化剂前体以形成包含活化催化剂的活化混合物；和

使一种或多种碳质材料与所述活化混合物接触以形成电极材料，所述电极材料包含设置在碳质结构内的一个或多个电活性粒子。

方案2.根据权利要求1所述的方法，其中所述一种或多种金属盐包括一种或多种金属硝酸盐m(no3)x、金属氯酸盐mclx、金属乙酸盐m(ac)x和金属硫酸盐m2(so4)x，其中1≤x≤5，且m选自：镍（ni）、钴（co）、锰（mn）、铁（fe）、锌（zn）、钒（v）、铬（cr）、钼（mo）、铜（cu）、镁（mg）、锶（sr）、钡（ba）、镧（la）、铈（ce）及其组合。

方案3.根据权利要求1所述的方法，其中活化包括将所述混合物加热到大于或等于大约200℃至小于或等于大约600℃的温度持续大于或等于大约5分钟至小于或等于大约2小时的时间。

方案4.根据权利要求3所述的方法，其中所述混合物在进一步包含大于大约0%至小于或等于大约20%的氢气（h2）的环境中加热。

方案5.根据权利要求3所述的方法，其中所述混合物在进一步包含氧气（o2）、臭氧（o3）、水（h2o）和过氧化氢（h2o2）中的一种或多种和一种或多种惰性气体的环境中加热。

方案6.根据权利要求1所述的方法，其中所述一种或多种碳质材料与所述活化混合物的接触包括在一种或多种烃的存在下将所述一种或多种碳质材料和所述活化混合物加热到大于或等于大约400℃至小于或等于大约1400℃的温度持续大于或等于大约5分钟至小于或等于大约12小时的时间。

方案7.根据权利要求6所述的方法，其中所述一种或多种烃选自：甲烷（ch4）、乙烷（c2h6）、丙烷（c3h8）、丁烷（c4h10）、戊烷（c5h12）、己烷（c6h14）、庚烷（c7h16）、乙炔（c2h2）、辛烷（c8h18）、甲苯（c7h8）、天然气及其组合。

方案8.根据权利要求7所述的方法，其中所述一种或多种碳质材料与所述活化混合物的接触包括进一步在一种或多种气态添加剂的存在下加热所述一种或多种碳质材料和所述活化混合物，所述气态添加剂选自：氨（nh3）、氢气（h2）、一氧化碳（co）及其组合。

方案9.根据权利要求6所述的方法，其中所述一种或多种电活性材料选自：硅、含硅合金、含锡合金、含锗合金、含磷合金、含砷合金、含铋合金、含锑合金及其组合；并且

所述碳质结构包含一种或多种碳质材料，并且所述一种或多种碳质材料选自：无定形碳、碳纳米管（cnt）、碳纳米纤维（cnf）、石墨烯、石墨及其组合。

方案10.根据权利要求1所述的方法，其中所述一种或多种碳质材料与所述活化混合物的接触包括在一种或多种烃的存在下将所述一种或多种碳质材料和所述活化混合物加热到大于或等于大约400℃至小于或等于大约1400℃的温度持续大于或等于大约5分钟至小于或等于大约12小时的时间，并且所述电极材料包含设置在所述碳质结构内的一个或多个碳包覆的电活性粒子。

方案11.根据权利要求10所述的方法，其中一个或多个碳包覆的电活性粒子各自包括包含一种或多种电活性材料的电活性粒子和设置在所述电活性粒子的暴露表面上的碳覆层，其中所述一种或多种电活性材料选自：硅、含硅合金、含锡合金、含锗合金、含磷合金、含砷合金、含铋合金、含锑合金及其组合，并且所述碳覆层包含无定形碳和石墨碳中的一种。

方案12.根据权利要求11所述的方法，其中所述碳质结构包含一种或多种碳质材料，并且所述一种或多种碳质材料选自：无定形碳、碳纳米管（cnt）、碳纳米纤维（cnf）、石墨烯、石墨及其组合。

方案13.根据权利要求10所述的方法，其中所述碳覆层具有大于或等于大约1nm至小于或等于大约200nm的厚度。

方案14.根据权利要求10所述的方法，其中所述一种或多种烃选自：甲烷（ch4）、乙烷（c2h6）、丙烷（c3h8）、丁烷（c4h10）、戊烷（c5h12）、己烷（c6h14）、庚烷（c7h16）、乙炔（c2h2）、辛烷（c8h18）、甲苯（c7h8）、天然气及其组合，并且

其中所述一种或多种碳质材料与所述活化混合物的接触在一种或多种气态添加剂的存在下进行，所述气态添加剂选自：氨（nh3）、氢气（h2）、一氧化碳（co）及其组合。

方案15.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法进一步包括在接触后除去所述活化催化剂。

方案16.形成用于循环锂离子的电化学电池的电极材料的方法，所述方法包括：

使催化剂前体与一个或多个电活性材料粒子接触以形成混合物，所述催化剂前体包括一种或多种金属硝酸盐m(no3)x、金属氯酸盐mclx、金属乙酸盐m(ac)x和金属硫酸盐m2(so4)x，其中1≤x≤5，且m选自：镍（ni）、钴（co）、锰（mn）、铁（fe）、锌（zn）、钒（v）、铬（cr）、钼（mo）、铜（cu）、镁（mg）、锶（sr）、钡（ba）、镧（la）、铈（ce）及其组合，所述电活性材料粒子选自：硅、含硅合金、含锡合金、含锗合金、含磷合金、含砷合金、含铋合金、含锑合金及其组合；

活化所述催化剂前体以形成包含m的活化催化剂，其中所述活化催化剂设置在所述一个或多个电活性材料粒子的一个或多个暴露表面上或与所述一个或多个电活性材料粒子的一个或多个暴露表面相邻设置；

使一种或多种碳质材料与所述混合物接触以形成多个碳包覆的电活性粒子和碳质结构；和

通过蚀刻除去所述活化催化剂以形成电极材料，所述电极材料包含设置在所述碳质结构内的多个碳包覆的电活性粒子。

方案17.根据权利要求16所述的方法，其中活化包括将所述混合物加热到大于或等于大约200℃至小于或等于大约600℃的温度持续大于或等于大约5分钟至小于或等于大约2小时的时间。

方案18.根据权利要求16所述的方法，其中所述一种或多种碳质材料与所述混合物的接触包括在一种或多种烃的存在下将所述一种或多种碳质材料和所述混合物加热到大于或等于大约400℃至小于或等于大约1400℃的温度持续大于或等于大约5分钟至小于或等于大约12小时的时间。

方案19.根据权利要求18所述的方法，其中所述一种或多种烃选自：甲烷（ch4）、乙烷（c2h6）、丙烷（c3h8）、丁烷（c4h10）、戊烷（c5h12）、己烷（c6h14）、庚烷（c7h16）、乙炔（c2h2）、辛烷（c8h18）、甲苯（c7h8）、天然气及其组合，并且

所述一种或多种碳质材料与所述活化混合物的接触在一种或多种气态添加剂的存在下进行，所述气态添加剂选自：氨（nh3）、氢气（h2）、一氧化碳（co）及其组合。

方案20.根据权利要求16所述的方法，其中所述多个碳包覆的电活性粒子各自包含一个或多个电活性材料粒子和设置在一个或多个电活性材料粒子各自的暴露表面上的碳覆层，其中所述碳覆层包含无定形碳和石墨碳中的一种，并具有大于或等于大约1nm至小于或等于大约200nm的厚度；并且

其中所述碳质结构包含一种或多种碳质材料，并且所述一种或多种碳质材料选自：无定形碳、碳纳米管（cnt）、碳纳米纤维（cnf）、石墨烯、石墨及其组合。

由本文中提供的描述，其它应用领域将变得显而易见。本概述中的描述和具体实例仅意在用于说明目的，而非意在限制本公开的范围。

附图说明

本文中描述的附图仅为说明所选实施方案而非所有可能的实施方式的目的，并且并非意在限制本公开的范围。

图1是示例性电化学电池组电池的示意图；

图2a是示例性负极材料的示意图；

图2b是图2a的示例性负极材料的扫描电子显微镜（sem）图像；和

图3是另一示例性负极材料的示意图。

在附图的若干视图通篇中，相应的附图标记表示相应的部件。

具体实施方式

提供了示例性实施方案，使得本公开将是透彻的，并将范围充分传达给本领域技术人员。阐述了许多特定细节，如特定组成、组件、设备和方法的实例以提供对本公开的实施方案的透彻理解。对于本领域技术人员显而易见的是，不需要采用特定细节，可以以许多不同的形式来体现示例性实施方案，并且均不应当解释为限制本公开的范围。在一些示例性实施方案中，没有详细描述公知的工艺、公知的设备结构和公知的技术。

本文中所用的术语仅为了描述特定的示例性实施方案的目的，而非意在是限制性的。除非上下文另行明确说明，否则本文中所用的单数形式“一个”、“一种”和“该”也可以意在包括复数形式。术语“包含”、“包括”、“含有”和“具有”是包含性的，因此指定存在所述特征、要素、组合物、步骤、整数、操作和/或组件，而不排除存在或增加一种或多种其它特征、整数、步骤、操作、要素、组件和/或其组。尽管开放式术语“包含”要理解为用于描述和要求保护本文中阐述的各种实施方案的非限制性术语，在某些方面，该术语可以替代地理解为更具限制性和约束性的术语，如“由……组成”或“基本由……组成”。因此，对于描述组合物、材料、组件、要素、特征、整数、操作和/或工艺步骤的任何给定实施方案，本公开还具体包括由或基本由这样描述的组合物、材料、组分、要素、特征、整数、操作和/或工艺步骤组成的实施方案。在“由……组成”的情况下，替代实施方案排除任何附加的组合物、材料、组件、要素、特征、整数、操作和/或工艺步骤，而在“基本由……组成”的情况下，从这样的实施方案中排除实质上影响基础和新颖特性的任何附加的组合物、材料、组件、要素、特征、整数、操作和/或工艺步骤，但是在该实施方案中可以包括不会实质上影响基础和新颖特性的任何组合物、材料、组件、要素、特征、整数、操作和/或工艺步骤。

除非明确标识为实施顺序，否则本文中描述的任何方法步骤、工艺和操作不应解释为必须要求以讨论或显示的特定顺序来实施它们。还要理解的是，除非另行说明，否则可以采用附加或替代步骤。

当组件、要素或层被称为“位于”、“接合到”、“连接到”或“耦合到”另一要素或层上时，其可以直接位于、接合到、连接到或耦合到其它组件、要素或层上，或者可以存在中间要素或层。相比之下，当要素被称为“直接位于”、“直接接合到”、“直接连接到”或“直接耦合到”另一要素或层上时，可以不存在中间要素或层。用于描述要素之间的关系的其它词语应以类似方式解释（例如，“在……之间”对“直接在……之间”，“相邻”对“直接相邻”等等）。本文中所用的术语“和/或”包括相关列举项中的一个或多个的任意和所有组合。

尽管在本文中可以使用术语第一、第二、第三等等来描述各种步骤、要素、组件、区域、层和/或部分，除非另行说明，否则这些步骤、要素、组件、区域、层和/或部分不应受这些术语的限制。这些术语可以仅用于区分一个步骤、要素、组件、区域、层或部分与另一步骤、要素、组件、区域、层或部分。除非上下文明确指出，否则诸如“第一”、“第二”的术语和其它数字术语在本文中使用时并不暗示顺序或次序。因此，下文讨论的第一步骤、要素、组件、区域、层或部分可以被称为第二步骤、要素、组件、区域、层或部分，而不背离该示例性实施方案的教导。

空间或时间上相对的术语，如“之前”、“之后”、“内部”、“外部”、“下方”、“以下”、“下部”、“上方”、“上部”等等在本文中为便于描述而用于描述如图中所示的一个要素或特征与另外一个或多个要素或特征的关系。除了图中描绘的方位之外，空间或时间上相对的术语可以意在涵盖使用或操作中装置或系统的不同方位。

在本公开通篇中，数字值表示范围的近似量度或限值，以涵盖与给定值的微小偏差和具有大致所述值的实施方案以及具有确切所述值的实施方案。除了在具体实施方式末尾处提供的工作实施例中之外，本说明书（包括所附权利要求书）中的所有参数（例如量或条件）的数字值要理解为在所有情况下均被术语“大约”修饰，无论“大约”是否在所述数字值前实际出现。“大约”表示所述数字值允许一定程度上轻微的不精确性（一定程度上靠近该值的确切值；近似或合理地接近该值；近乎）。如果在本领域中以该普通含义不能另行理解“大约”所提供的不精确性，那么本文中所用的“大约”至少表示可能由测量和使用此类参数的普通方法引起的变化。例如，“大约”可以包含小于或等于5%、任选小于或等于4%、任选小于或等于3%、任选小于或等于2%、任选小于或等于1%、任选小于或等于0.5%、以及在某些方面任选小于或等于0.1%的变化。

此外，范围的公开包括整个范围内所有值和进一步细分的范围的公开，包括对于该范围给出的端点和子范围。

现在将参考附图更全面地描述示例性实施方案。

本公开涉及用于例如锂离子电化学电池和装置的负极的硅-碳复合电极材料，以及与之有关的形成方法。例如，硅-碳复合材料可以包含在某些方面设置在碳质骨架内的碳包覆的硅粒子。形成硅-碳复合电极材料的方法在各个方面可以包括将催化剂前体与硅粒子混合，预处理该混合物以便进行催化反应，将碳覆层和/或骨架设置在硅粒子上或周围，并除去金属催化粒子。这样的复合电极材料以及电化学电池和装置可用于例如汽车或其它交通工具（例如摩托车、船）。硅-碳复合电极材料以及电化学电池和装置还可用于多种其它行业和应用（作为非限制性实例，例如消费电子设备）中的电化学电池。

循环锂离子的电化学电池20（在本文中也称为“电池组”）的示例性和示意性图示显示在图1中。电池组20包括负极22、正极24和设置在电极22、24之间的隔膜26。隔膜26在电极22、24之间提供电气分隔——防止物理接触。隔膜26还在锂离子循环过程中提供锂离子和在某些情况下的相关阴离子内部通过的最小电阻路径。在各个方面，隔膜26包含电解质30，其在某些方面也可以存在于负极22和正极24中。在某些变体中，隔膜26可以由固态电解质形成。例如，隔膜26可以由多个固态电解质粒子（未显示）来限定。

负极集流体32可以位于负极22处或附近，正极集流体34可以位于正极24处或附近。负极集流体32和正极集流体34分别将自由电子收集和移动至外部电路40并且从外部电路40收集和移动自由电子。例如，可中断外部电路40和负载装置42连接负极22（通过负极集流体32）和正极24（通过正极集流体34）。正极集流体34可以是金属箔、金属格栅或丝网、或者包含铝或本领域技术人员已知的任何其它适当的导电材料的多孔金属（expandedmetal）。负极集流体32可以是金属箔、金属格栅或丝网、或者包含铜或本领域技术人员已知的任何其它适当的导电材料的多孔金属。

电池组20可以通过在外部电路40闭合（以连接负极22和正极24）时发生的可逆电化学反应在放电过程中生成电流，并且负极22含有与正极相比相对更大量的锂。正极24与负极22之间的化学势差将在负极22处通过反应（例如插层锂的氧化）产生的电子经外部电路40朝向正极24驱动。同样在负极22处产生的锂离子同时经隔膜26中所含的电解质30朝向正极24转移。电子流经外部电路40且锂离子穿过含有电解质溶液30的隔膜26迁移以便在正极24处形成插层锂。可以将通过外部电路40的电流控制和引导经过负载装置42，直到负极22中的锂耗尽且电池组20的容量降低。

可以随时通过将外部电源连接到锂离子电池组20上以逆转电池组放电过程中发生的电化学反应来给电池组20充电或重新供能。将外部电能源连接到电池组20上促进了负极22处的反应（例如插层锂的非自发氧化），由此产生电子和锂离子。电子（其通过外部电路40流回到正极24）和锂离子（其由电解质溶液30携带穿过隔膜26回到正极24）在正极24处重新结合，并用锂（例如插层锂）再填充正极24以便在下一电池组放电事件过程中使用。由此，一个完整的放电事件和随后的一个完整的充电事件被认为是一次循环，其中锂离子在正极24和负极22之间循环。可用于将电池组20充电的外部电源可以根据电池组20的尺寸、构造和特定的最终用途而不同。一些值得注意和示例性的外部电源包括但不限于通过壁装电源插座连接到ac电网的ac-dc转换器和机动车交流发电机。

在许多锂离子电池组配置中，将负极集流体32、负极22、隔膜26、正极24和正极集流体34各自制备为相对薄的层（例如，厚度从几微米至几分之一毫米或更小）并以电气并联布置连接的层形式组装以提供合适的电能和功率包。在各个方面，电池组20还可以包括尽管未在本文中描绘但本领域技术人员已知的多种其它组件。例如，电池组20可以包括外壳、垫圈、端子盖、接片、电池组端子以及可以位于电池组20内（包括在负极22、正极24和/或隔膜26之间或周围）的任何其它常规组件或材料。上述电池组20包括液体电解质并显示了电池组运行的代表性构思。但是，电池组20还可以是包括固态电解质的固态电池组，其可以具有不同的设计，如本领域技术人员已知的那样。

如上所述，电池组20的尺寸和形状可以根据设计它以用于其中的特定应用而有所不同。例如，电池组供能的车辆和手持式消费电子设备是其中电池组20最有可能被设计成不同尺寸、容量和功率输出规格的两个实例。电池组20还可以与其它类似的锂离子电池或电池组串联或并联连接以产生更大的电压输出、能量和功率（如果负载装置42需要的话）。因此，电池组20可以产生电流至作为外部电路40的一部分的负载装置42。当电池组20放电时，负载装置42可以由通过外部电路40的电流来供能。虽然电负载装置42可以是任意数量的已知电动装置，一些具体实例包括用于全电动车辆的电动机、膝上型计算机、平板计算机、移动电话和无绳电动工具或电器。负载装置42还可以是发电设备，其将电池组20充电以用于储存电能的目的。

重新参照图1，正极24、负极22和隔膜26可以各自例如在其孔隙内部包含能够在负极22与正极24之间传导锂离子的电解质溶液或体系30。能够在电极22、24之间传导锂离子的任何适当的电解质30，无论是固体、液体还是凝胶形式，均可用于电池组20。例如，电解质30可以是非水性液体电解质溶液，其包含溶解在有机溶剂或有机溶剂混合物中的锂盐。许多常规非水性液体电解质溶液可用于电池组20。

适当的锂盐通常具有惰性阴离子。可以溶解在有机溶剂或有机溶剂混合物中以形成非水性液体电解质溶液的锂盐的非限制性名单包括六氟磷酸锂（lipf6）；高氯酸锂（liclo4）、四氯铝酸锂（lialcl4）、碘化锂（lii）、溴化锂（libr）、硫氰酸锂（liscn）、四氟硼酸锂（libf4）、二氟草酸硼酸锂（libf2(c2o4)）（liodfb）、四苯基硼酸锂（lib(c6h5)4）、双(草酸)硼酸锂（lib(c2o4)2）（libob）、四氟草酸磷酸锂（lipf4(c2o4)）（lifop）、硝酸锂（lino3）、六氟砷酸锂（liasf6）、三氟甲磺酸锂（licf3so3）、双(三氟甲烷磺酰亚胺)锂（litfsi）（lin(cf3so2)2）、氟磺酰亚胺锂（lin(fso2)2）（lifsi）及其组合。在某些变体中，锂盐选自六氟磷酸锂（lipf6）、双(三氟甲烷磺酰亚胺)锂（litfsi）（lin(cf3so2)2）、氟磺酰亚胺锂（lin(fso2)2）（lifsi）、氟烷基磷酸锂（lifap）（li3o4p）及其组合。

这些和其它类似的锂盐可溶解在各种有机溶剂中，包括但不限于各种碳酸烷基酯，如环状碳酸酯（例如碳酸亚乙酯(ec)、碳酸亚丙酯(pc)、碳酸亚丁酯(bc)、氟代碳酸亚乙酯(fec)）、直链碳酸酯（例如碳酸二甲酯(dmc)、碳酸二乙酯(dec)、碳酸乙基甲基酯(emc)）、脂族羧酸酯（例如甲酸甲酯、乙酸甲酯、丙酸甲酯）、γ-内酯（例如γ-丁内酯、γ-戊内酯）、链结构醚（例如1,2-二甲氧基乙烷(dme)、1,2-二乙氧基乙烷、乙氧基甲氧基乙烷）、环醚（例如四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、1,3-二氧杂环戊烷(dol)）、硫化合物（例如环丁砜）及其组合。在各个方面，电解质30可以包含大于或等于1m至小于或等于大约2m浓度的一种或多种锂盐。在某些变体中，例如当电解质具有大于大约2m的锂浓度或离子液体时，电解质30可以包含一种或多种稀释剂，如氟代碳酸亚乙酯（fec）和/或氢氟醚（hfe）。

在某些情况下，隔膜26可以包含微孔聚合物隔膜，其包含例如聚烯烃。聚烯烃可以是均聚物（衍生自单一单体成分）或杂聚物（衍生自超过一种单体成分），其可以是直链或支链的。如果杂聚物衍生自两种单体成分，则聚烯烃可以采用任何共聚物链排列，包括嵌段共聚物或无规共聚物的那些。类似地，如果聚烯烃是衍生自超过两种单体成分的杂聚物，则其同样可以是嵌段共聚物或无规共聚物。在某些方面，聚烯烃可以是聚乙烯（pe）、聚丙烯（pp）或pe与pp的共混物，或pe和/或pp的多层结构多孔膜。市售的聚烯烃多孔膜包括可获自celgardllc.的celgard^®2500（单层聚丙烯隔膜）和celgard^®2320（三层聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯隔膜）。预期用于形成隔膜26的各种其它常规可用的聚合物和商业产品，以及可用于生产这样的微孔聚合物隔膜26的许多制造方法。

当隔膜26是微孔聚合物隔膜时，其可以是单层或多层层叠体，其可以由干法或湿法制造。例如，在某些情况下，单层聚烯烃可以形成整个隔膜26。在其它方面，例如，隔膜26可以是具有大量在相对的表面之间延伸的孔隙的纤维膜，并可以具有小于一毫米的平均厚度。但是，作为另一实例，相似或不相似的聚烯烃的多个离散层可以组装以形成微孔聚合物隔膜26。

隔膜26还可以包含除聚烯烃以外的其它聚合物，例如但不限于聚对苯二甲酸乙二醇酯（pet）、聚偏二氟乙烯（pvdf）、聚酰胺（尼龙）、聚氨酯类、聚碳酸酯类、聚酯类、聚醚醚酮类（peek）、聚醚砜类（pes）、聚酰亚胺类（pi）、聚酰胺-酰亚胺类、聚醚类、聚甲醛（例如缩醛）、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯（polyethylenenaphthenate）、聚丁烯、聚甲基戊烯、聚烯烃共聚物、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（abs）、聚苯乙烯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯（pmma）、聚硅氧烷聚合物（例如聚二甲基硅氧烷(pdms)）、聚苯并咪唑（pbi）、聚苯并噁唑（pbo）、聚亚苯基类（polyphenylenes）、聚亚芳基醚酮类、聚全氟环丁烷类、聚偏二氟乙烯共聚物（例如pvdf-六氟丙烯或(pvdf-hfp)）和聚偏二氟乙烯三元共聚物、聚氟乙烯、液晶聚合物（例如vectran^tm(hoechstag,germany)和zenite®(dupont,wilmington,de)）、聚芳酰胺类、聚亚苯基醚、纤维素材料、介孔二氧化硅或适于生成所需多孔结构的任何其它材料。聚烯烃层和任何其它任选聚合物层可以进一步包含在隔膜26中作为纤维层，以帮助为隔膜26提供适当的结构特性和孔隙率特性。

在某些方面，隔膜26可以进一步包含陶瓷涂层和耐热材料涂层中的一种或多种。陶瓷涂层和/或耐热材料涂层可以设置在隔膜26的一个或多个侧面上。形成陶瓷层的材料可以选自：氧化铝（al2o3）、二氧化硅（sio2）、二氧化钛（tio2）及其组合。耐热材料可以选自：nomex、aramid及其组合。

正极24包含锂基正极电活性材料，其能够进行锂插层和脱插、合金化和脱合金化、或镀覆和剥离，同时充当电容器电池组20的正极端子。在各个方面，正极24可以由多个电活性材料粒子（未显示）来限定。这样的正极电活性材料粒子可以以一个或多个层设置以限定正极24的三维结构。在某些变体中，如上所述，正极24可以进一步包含电解质30，例如多个电解质粒子（未显示）。

在各个方面，正极24可以是层状氧化物阴极、尖晶石阴极和聚阴离子阴极中的一种。例如，层状氧化物阴极（例如岩盐层状氧化物）包含一种或多种选自以下的锂基正极电活性材料：linixmnyco1-x-yo2（其中0≤x≤1且0≤y≤1）、linixmn1-xo2（其中0≤x≤1）、li1+xmo2（其中m是mn、ni、co和al之一且0≤x≤1）（例如licoo2(lco)、linio2、limno2、lini0.5mn0.5o2、nmc111、nmc523、nmc622、nmc721、nmc811、nca）。尖晶石阴极包含一种或多种选自以下的锂基正极电活性材料：limn2o4（lmo）和lini0.5mn1.5o4。橄榄石型阴极包含一种或多种锂基正极电活性材料如liv2(po4)3、lifepo4、licopo4和limnpo4。羟磷锂铁石型阴极包含例如livpo4f。硼酸盐型阴极包含例如lifebo3、licobo3和limnbo3中的一种或多种。硅酸盐型阴极包含例如li2fesio4、li2mnsio4和limnsio4f。在再进一步的变体中，正极24可以包含一种或多种其它正极电活性材料，如(2,5-二锂氧基)对苯二甲酸二锂和聚酰亚胺中的一种或多种。在各个方面，正极电活性材料可以任选被包覆（例如被linbo3和/或al2o3）和/或可以被掺杂（例如被镁(mg)、铝(al)和锰(mn)中的一种或多种）。

正极24中的正极电活性材料可以任选与一种或多种提供电子传导路径的导电材料和/或至少一种改善正极24的结构完整性的聚合物粘合剂材料混杂。例如，正极24中的正极电活性材料可以任选与粘合剂混杂，所述粘合剂例如聚(四氟乙烯)（ptfe）、羧甲基纤维素钠（cmc）、苯乙烯-丁二烯橡胶（sbr）、聚(偏二氟乙烯)（pvdf）、丁腈橡胶（nbr）、苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯共聚物（sebs）、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物（sbs）、聚丙烯酸锂（lipaa）、聚丙烯酸钠（napaa）、藻酸钠、藻酸锂及其组合。导电材料可以包括碳基材料、粉末镍或其它金属粒子，或导电聚合物。碳基材料可以包括例如炭黑、石墨、乙炔黑（如ketchen^tm黑或denka^tm黑）的粒子、碳纤维和碳纳米管、石墨烯等等。导电聚合物的实例包括聚苯胺、聚噻吩、聚乙炔、聚吡咯等等。

正极24可以包含大于或等于大约50重量%至小于或等于大约99重量%、和在某些方面任选大于或等于大约50重量%至小于或等于大约95重量%的正极电活性材料；大于或等于大约0重量%至小于或等于大约30重量%、和在某些方面任选大于或等于大约2重量%至小于或等于大约5重量%的一种或多种导电材料；和大于或等于大约0重量%至小于或等于大约20重量%、和在某些方面任选大于或等于大约2重量%至小于或等于大约5重量%的一种或多种粘合剂。

负极22由锂宿主材料形成，其能够充当锂离子电池组的负极端子。例如，负极22可以包含能够充当电池组20的负极端子的锂宿主材料（例如负极电活性材料）。在各个方面，负极22可以由多个负极电活性材料粒子（未显示）来限定。这样的负极电活性材料粒子可以以一个或多个层设置以限定负极22的三维结构。在某些变体中，如上所述，负极22可以进一步包含电解质30，例如多个电解质粒子（未显示）。

在各个方面，负极22中的负极电活性材料可以任选与一种或多种提供电子传导路径的导电材料和/或至少一种改善负极22的结构完整性的聚合物粘合剂材料混杂。例如，负极22中的负极电活性材料可以任选与粘合剂混杂，所述粘合剂例如聚(四氟乙烯)（ptfe）、羧甲基纤维素钠（cmc）、苯乙烯-丁二烯橡胶（sbr）、聚(偏二氟乙烯)（pvdf）、丁腈橡胶（nbr）、苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯共聚物（sebs）、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物（sbs）、聚丙烯酸锂（lipaa）、聚丙烯酸钠（napaa）、藻酸钠、藻酸锂及其组合。导电材料可以包括碳基材料、粉末镍或其它金属粒子，或导电聚合物。碳基材料可以包括例如炭黑、石墨、乙炔黑（如ketchen^tm黑或denka^tm黑）的粒子、碳纤维和碳纳米管、石墨烯等等。导电聚合物的实例包括聚苯胺、聚噻吩、聚乙炔、聚吡咯等等。

负极22可以包含大于或等于大约50重量%至小于或等于大约99重量%、和在某些方面任选大于或等于大约50重量%至小于或等于大约95重量%的负极电活性材料（例如锂粒子或锂箔）；大于或等于大约0重量%至小于或等于大约30重量%、和在某些方面任选大于或等于大约5重量%至小于或等于大约20重量%的一种或多种导电材料；和大于或等于大约0重量%至小于或等于大约20重量%、和在某些方面任选大于或等于大约5重量%至小于或等于大约15重量%的一种或多种粘合剂。

在各个方面，本公开提供了并入改进的电化学活性负极材料的负极22，所述负极材料包含例如一种或多种具有高理论充电容量的电活性材料，如硅、含硅合金、含锡合金、含锗合金、含磷合金、含砷合金、含铋合金、含锑合金及其组合。作为实例，该负极材料可以包括包含硅、含硅的二元和三元合金和/或含锡合金，如si-sn、sisnfe、sisnal、sifeco、sno2等等的粒子。如上所述，在某些方面，这样的负极电活性材料在锂循环过程中可能受制于·显著的体积膨胀（例如能够在电化学电池充电过程中经由锂化或“插层”接受锂离子的嵌入，并在电化学电池放电过程中经由脱锂或“脱插”或锂合金化/脱合金化释放锂离子）。发生的体积膨胀可能导致硅粒子和/或锡粒子机械降解并破裂成许多更小的片段或碎片。当粒子破裂成更小的碎片时，这些片段或更小的碎片不再能保持电化学电池的性能。

根据本公开的各个方面，负极材料可以进一步包含具有碳质覆层的粒子和在某些方面设置在碳质骨架内的粒子。例如，如图2a中所示，负极材料200可以包含设置或包埋在碳质结构250内的多个电活性粒子210。电活性粒子210可以具有大于或等于大约50nm至小于或等于大约10µm的平均粒径，并可以包含一种或多种电活性材料，所述电活性材料选自：硅、含硅合金、含锡合金、含锗合金、含磷合金、含砷合金、含铋合金、含锑合金及其组合。碳质结构250可以包含一种或多种碳材料，所述碳材料选自：无定形碳、碳纳米管（cnt）、碳纳米纤维（cnf）、石墨烯、石墨及其组合。如图2b中最佳所示，碳质结构250可以将电活性粒子210相互连接。

如图3中所示，在各个其它方面，负极材料300可以包含多个碳包覆的电活性粒子310。碳包覆的电活性粒子310可以各自包含含有例如硅、含硅合金、含锡合金及其组合的电活性材料粒子320和设置在电活性材料粒子320的暴露表面上的碳覆层330。电活性材料粒子320可以具有大于或等于大约50nm至小于或等于大约10µm的平均粒径。碳覆层330可以包含一种或多种碳质材料如例如无定形碳或石墨碳。碳覆层330可以具有大于或等于大约1nm至小于或等于大约400nm、任选大于或等于大约1nm至小于或等于大约200nm、和在某些方面任选大于或等于大约20nm至小于或等于大约100nm的厚度。本领域技术人员将认识到，尽管并未显示，但在某些情况下，碳覆层330可以包含设置在电活性材料粒子320的暴露表面上或附近的多个堆叠层。在各个方面，碳覆层330可以防止电活性材料粒子320开裂，特别是在体积变化过程中。

如所示那样，在某些方面，碳包覆的电活性粒子310可以设置或包埋在碳质结构350内。如同图2a和2b中所示的碳质结构250，图3中所示的碳质结构350也可以包含一种或多种碳材料，所述碳材料选自：无定形碳、碳纳米管（cnt）、碳纳米纤维（cnf）、石墨烯、石墨及其组合。在某些方面，碳覆层330可以有助于使碳包覆的电活性粒子310分散在碳质结构350内或分散在碳质结构350中。

在各个方面，本公开提供了制备包含设置在碳质结构内的一个或多个电活性粒子的电极材料（例如图2a和2b中所示的负极材料200和/或图3中所示的负极材料300）的方法。该方法包括使包含一种或多种金属盐的催化剂前体与一种或多种电活性材料（例如电活性材料粒子）接触以形成混合物；预处理该混合物以活化催化剂前体；和使一种或多种碳质材料与活化混合物接触以形成电极材料。

在各个方面，使一种或多种金属盐与一种或多种电活性材料接触采用选自以下的工艺来进行：浸渍、球磨、物理气相沉积（pvd）、化学气相沉积（cvd）、等离子体增强化学气相沉积（pecvd）、原子层沉积（ald）、分子层沉积（mld）、旋涂和喷雾干燥。以这样的方式，一种或多种金属盐设置在一个或多个电活性材料粒子的一个或多个表面上或与一个或多个电活性材料粒子的一个或多个表面相邻设置。例如，一种或多种金属盐可以分散在一个或多个电活性材料粒子的一个或多个暴露表面上，使得金属盐覆盖各电活性材料粒子的总表面积的大于或等于大约10%至小于或等于100%。例如，在各个方面，该混合物包含大于或等于大约0.1重量%至小于或等于大约20重量%、和在某些方面任选大于或等于大约1重量%至小于或等于大约15重量%的一种或多种金属盐；以及大于或等于大约80重量%至小于或等于大约99.9重量%、和在某些方面任选大于或等于大约85重量%至小于或等于大约99重量%的一种或多种电活性材料。

在某些变体中，一种或多种金属盐，例如金属氢氧化物，可以包含一种或多种金属硝酸盐m(no3)x、金属氯酸盐mclx、金属乙酸盐m(ac)x或金属硫酸盐m2(so4)x，其中1≤x≤5，且m为以下的一种：过渡金属，如镍（ni）、钴（co）、锰（mn）、铁（fe）、锌（zn）、钒（v）、铬（cr）、钼（mo）和/或铜（cu）；碱土金属，如镁（mg）、锶（sr）和/或钡（ba）；稀土金属，如镧（la）和/或铈（ce）；及其组合。一种或多种电活性材料可以选自：硅、含硅合金、含锡合金、含锗合金、含磷合金、含砷合金、含铋合金、含锑合金及其组合。

在各个方面，预处理该混合物以活化催化剂前体包括惰性煅烧。例如，可以将该混合物加热到大于或等于大约200℃至小于或等于大约600℃、和在某些方面任选大于或等于大约300℃至小于或等于大约500℃的温度。可以将该混合物加热大于或等于大约5分钟至小于或等于大约2小时、和在某些方面任选大于或等于大约15分钟至小于或等于大约1小时的时间。在某些变体中，煅烧发生在包含一种或多种还原剂，如氢气（h2）的环境中。例如，煅烧环境可以包含大于或等于大约0重量%至小于或等于大约20重量%的氢气（h2）。在其它变体中，煅烧发生在包含一种或多种氧化剂，如氧气（o2）、臭氧（o3）、水（h2o）、过氧化氢（h2o2）中的一种或多种，和一种或多种其它惰性气体的环境中。例如，煅烧环境可以包含大于或等于大约0重量%至小于或等于大约100重量%、和在某些方面大于或等于大约5重量%至小于或等于大约20重量%的一种或多种氧化剂。在各情况下，一种或多种金属盐被活化，使得一种或多种金属粒子单独设置在一个或多个电活性材料粒子的一个或多个表面上或与一个或多个电活性材料粒子的一个或多个表面相邻设置。催化金属粒子的粒度可以为大于或等于1nm至小于或等于500nm、和在某些方面大于或等于大约5nm至小于或等于大约50nm。金属粒子分散在各电活性材料粒子的总表面积的大于或等于大约10%至小于或等于大约100%上。

在各个方面，使一种或多种碳质材料与活化混合物接触以形成碳包覆的电活性粒子包括将一个或多个电活性材料粒子（包含一个或多个金属粒子）设置或包埋在碳质结构中。例如，使一种或多种碳质材料与活化混合物接触可以包括气相热解，例如在一种或多种气态烃的存在下将一种或多种碳质材料和活化混合物加热到大于或等于大约400℃至小于或等于大约1400℃、和在某些方面大于或等于大约600℃至小于或等于大约1000℃的温度。在某些变体中，该环境可以包含大于或等于大约10重量%、和在某些方面任选大于或等于大约20重量%的一种或多种气态烃。一种或多种烃可以选自：甲烷（ch4）、乙烷（c2h6）、丙烷（c3h8）、丁烷（c4h10）、戊烷（c5h12）、己烷（c6h14）、庚烷（c7h16）、乙炔（c2h2）、辛烷（c8h18）、甲苯（c7h8）、天然气及其组合。在进一步的变体中，该环境可以进一步包含一种或多种附加的添加剂，如例如氨（nh3）、氢气（h2）和/或一氧化碳（co）。在某些变体中，该环境可以包含大于或等于大约1重量%至小于或等于大约30重量%、和在某些方面任选大于或等于大约10重量%至小于或等于大约20重量%的一种或多种气态烃。在某些方面，可以将一种或多种碳质材料和活化混合物加热大于或等于大约5分钟至小于或等于大约12小时、和在某些方面任选大于或等于大约1小时至小于或等于大约6小时的时间。

气相热解过程中的加热温度和持续时间、以及加热环境中的烃浓度和流量可能会影响电极材料的形貌。例如，在较高温度和长持续时间的情况下，例如大于或等于大约800℃至小于或等于大约1400℃、和在某些方面任选大于或等于大约900℃至小于或等于大约1100℃的温度以及大于或等于大约2小时至小于或等于大约12小时、和在某些方面任选大于或等于大约4小时至小于或等于大约6小时的加热时间，所形成的电极材料可包含设置在碳质结构内的一个或多个碳包覆的电活性粒子，所述碳质结构如在电活性粒子的表面上的无定形碳和石墨碳覆层，以及在电活性粒子之间相互连接的碳纳米管（cnt）骨架，例如图3中所示的负极材料300。在较低温度和较短持续时间的情况下，例如大于或等于大约400℃至小于或等于大约900℃、和在某些方面任选大于或等于大约500℃至小于或等于大约800℃的温度以及大于或等于大约1小时至小于或等于大约6小时、和在某些方面任选大于或等于大约2小时至小于或等于大约4小时的加热时间，所形成的电极材料可包含设置在碳质结构内的一个或多个电活性粒子，所述碳质结构如在电活性粒子之间相互连接的碳纳米管（cnt）骨架，例如如图2a和2b中所示。

在各情况下，一旦将一个或多个电活性材料粒子（包含一个或多个金属粒子）设置或包埋在碳质结构内，则可以除去一个或多个金属粒子以防止在电池组环境中可能的有害副反应。可以使用酸蚀刻和碱蚀刻中的一种来除去一个或多个金属粒子。例如，可以使设置或包埋在碳质结构内的一个或多个电活性材料粒子（包含一个或多个金属粒子）与具有预定浓度的酸或碱溶液接触一段预定的时间，并且在某些情况下用例如蒸馏水洗涤，并干燥。在各个方面，可以使用硝酸（hno3）、氯化氢（hcl）、硫酸（h2so4）、氢氧化钠（naoh）和氢氧化钾（koh）中的一种或多种。在某些方面，酸或碱的浓度可以为大于或等于大约0.01mol/l至小于或等于大约10mol/l。可以使设置或包埋在碳质结构内的一个或多个电活性材料粒子（包含一个或多个金属粒子）与酸或碱溶液接触大于或等于大约10分钟至小于或等于大约48小时的时间。

出于说明和描述的目的，已经提供了前面的实施方案的描述。其并非意在为详尽的或限制本公开。特定实施方案的各个要素或特征通常不限于该特定实施方案，而是在适当的情况下可以互换，并且即使未具体示出或描述也可以在所选实施方案中使用。同样也可以以许多方式变化。这样的变化不应被认为是背离本公开，并且所有这样的修改意在被包括在本公开的范围内。