硅占主导的阳极的各向异性膨胀的制作方法

硅占主导的阳极的各向异性膨胀
1.相关申请的交叉引用/援引并入
2.本技术要求于2019年11月5日提交的第16/674,224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
3.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硅占主导的阳极的各向异性膨胀的方法和系统。


背景技术：

4.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。
5.通过将这种系统与如本技术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。


技术实现要素：

6.用于硅占主导的阳极的各向异性膨胀的系统和/或方法，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。
7.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
8.图1是根据本公开内容的示例性实施方案的具有配置的阳极膨胀的电池的图。
9.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。
10.图3a例示出在本公开内容的示例性实施方案中阳极活性材料的辊压和平压。
11.图3b例示出根据本公开内容的示例性实施方案的辊压和平压层压阳极的横向膨胀。
12.图4例示出根据本公开内容的示例性实施方案的用于阳极集流器的不同箔表面。
13.图5a和图5b例示出根据本公开内容的示例性实施方案的具有不同集流器和热解温度的电池的循环寿命。
14.图6例示出根据本公开内容的示例性实施方案的通过蚀刻形成的粗糙化的箔。
15.图7是根据本公开内容的示例性实施方案的用于硅阳极的更多各向异性膨胀的方法的流程图。
16.图8是根据本公开内容的示例性实施方案的用于硅阳极的更少各向异性膨胀的方法的流程图。
具体实施方式
17.图1是根据本公开内容的示例性实施方案的具有配置的阳极膨胀的电池的图。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。
18.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。
19.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。
20.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109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。
21.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。
22.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。
23.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。
24.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阻挡蓄电池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。
25.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。
26.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。
27.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掺入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掺入到阳极电极中，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。
28.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电镀和枝晶形成。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。
29.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。
30.阳极膨胀的解决方案是将随着锂化发生的膨胀配置为各向异性的，使得膨胀发生在期望的方向上。例如，如果电池能够承受在z方向(阳极的厚度)上的一些膨胀，则膨胀可以被配置为在x和y方向上最小化。相反地，如果电池能够承受横向x和y方向的膨胀而不是z方向的膨胀，则阳极膨胀可以被配置成最小化z方向(厚度)的膨胀。阳极膨胀可以通过集流器箔厚度、箔强度、活性材料层压工艺的类型和箔的粗糙度来控制。这将参考图2至图7进一步描述。
31.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、粘合剂203和活性材料205。应注意，粘合剂203可以取决于使用的阳极制造工艺的类型存在或不存在，因为粘合剂不是必须存在于直接涂覆工艺中。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玻璃碳，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。可以使用粘合剂203将活性材料205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。
32.图2还例示出接枝到并且锂化活性材料205的锂颗粒。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。铜的示例性较厚的箔的厚度可以大于10μm，例如20μm，而铜的较薄的箔的厚度可以小于10μm，例如5至6μm或更小。
33.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或更小的量级时，活性材料205可以更容易在x和y方向上膨胀，但在z方向上仍然甚至更容易，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。
34.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、机械坚固的金属，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。
35.在示例性情况下，在使用粘合剂的情况下，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。
36.表1例示出具有不同集流器箔厚度和铜类型的阳极的x方向和y方向的膨胀
37.材料厚度(μm)x-膨胀(％)y-膨胀(％)碳涂覆的铜100.440.47cu a101.641.57cu b101.971.90cu c101.551.48cu d101.861.78cu e63.303.01cu f64.503.94cu g62.001.70
38.如表中所示，随着铜箔厚度减小，x和y方向上的膨胀增加，并且在铜箔上添加碳涂
层可以减小膨胀。这可能是由于表面粗糙化，如进一步关于图4至图6所示。
39.图3a例示出在本公开内容的示例性实施方案中阳极活性材料的辊压和平压。参考图3a，示出了包括集流器301、活性材料305以及辊307a和307b的辊压层压体310。集流器301和活性材料305可以类似于关于图2描述的集流器201和活性材料205。辊307a和307b可以包括刚性圆柱形结构，用于在层压过程中对它们之间通过的材料施加可配置的压力。应注意，虽然图3a在一面示出活性材料，但本公开内容不限于此，因为辊压方法也适用于双面箔片。
40.可以使用辊307a和307b中的加热元件或者外部热源将热量施加到被层压的材料上。与图3a的插图中所示的平压层压体320相比，辊压层压体可以产生显著降低的x和y方向的膨胀。在平压层压体中，平坦表面被压在一起以向电极层施加压力。将通过辊压层压体310形成的阳极的膨胀与图3b中的平压层压体320进行比较。
41.因此，辊压层压过程具有压力和温度的变量，这会影响以这种方式形成的硅占主导的阳极的各向异性膨胀。例如，辊压层压的阳极由于在辊压层压过程期间的较低的温度和较高的压力而具有较高的各向异性膨胀(降低的x和y方向的膨胀，更高的z方向的膨胀)。此外，层压之前、期间和之后的溶剂的量影响层的膨胀，这可能与层压期间采用的温度有关。在辊压层压之前和期间可以保持较高量的残留溶剂。在层压之后，辊压与平压过程之间的溶剂残留没有可测量的差异。
42.图3b例示出根据本公开内容的示例性实施方案的辊压和平压层压阳极的横向膨胀。参考图3b，示出了各种厚度和源的硅占主导的阳极的x方向和y方向的膨胀，其中x和y方向在绘图上方的插图中示出。可以看出，与平压层压的阳极相比，辊压层压的阳极表现出显著更低的横向(x和y方向)膨胀。每个图中加框的数据点针对具有10μm箔集流器、但经辊压层压和平压层压的其它方面相同的阳极，由此证明层压方法对阳极膨胀具有强烈的影响。辊压层压的阳极表现出显著降低的膨胀，并且直到8μm仍无裂纹。
43.图4例示出根据本公开内容的示例性实施方案的用于阳极集流器的不同箔表面。参考图4，示出了具有光滑表面403和粗糙表面405的箔401。还示出了来自阳极活性材料的硅颗粒407。箔401上的结构的尺寸和形状仅用于说明的目的，因为表面粗糙度或硅颗粒可以包括任何形状或尺寸。在示例性实施方案中，粗糙表面405可以包括粗糙化的箔材料，例如具有铜峰和铜谷的铜箔。在另一个实例中，粗糙表面405可以包括涂覆在箔401的表面上的诸如碳颗粒、碳纤维、纳米纤维或棒的涂层。
44.图4中的箔401下方的插图是粗糙表面405的扫描电子显微镜(sem)图像，其中颗粒尺寸为几微米的量级。由于活性材料层与具有粗糙化表面的箔之间的强粘合性，非常强的粘合性可以产生层压的阳极。这种结合允许箔有助于约束活性材料层的膨胀。对于直接涂覆到箔表面上然后进行热处理(热解)的阳极，接触较弱，因此粗糙化的铜通过增加界面的表面积而有助于粘合，这有助于使膨胀的活性材料层被箔约束。
45.在z方向上的膨胀比x-y方向上的膨胀更不理想的电池中，例如，可以使用粗糙度特征小于几微米的光滑表面，从而允许更多的x-y膨胀和更少的z方向膨胀，这例示出可以如何配置阳极活性材料的各向异性膨胀。
46.图5a和图5b例示出根据本公开内容的示例性实施方案的具有不同集流器和热解温度的电池的循环寿命。参考图5a，示出了在“无花纹”表面铜箔(未粗糙化)上形成的阳极的循环寿命。硅占主导的阳极使用pai作为粘结剂并且直接涂覆在铜箔上，其中一些被压
延，其中一系列硬压辊可用于将膜/基板修整成更平滑且更致密的材料片，而其它则不是。如标记所示，一些阳极在550℃下热解，而其它在600℃下热解。在500次循环后，具有无花纹表面集流器的电池全部损失其容量的40％至60％。
47.参考图5b，示出了在无花纹和粗糙化的铜箔上形成的阳极的循环寿命。经550℃热解的无花纹表面箔阳极对应于与图5a类似的电池，但粗糙化的铜箔电池显示出显著改善的循环寿命，在500次循环后保持其容量的85％至95％。
48.以下的表2示出了具有粗糙化铜箔的阳极在六次化成循环之后的x和y方向的膨胀。对于未粗糙化的箔，平均膨胀为2％至3％，并且从表中可以看出，对于粗糙化化的箔阳极，膨胀平均值为1.3％至1.5％。
49.表2.粗糙化的箔表面阳极的x和y膨胀
50.阳极x1x2x3y1y211.481.411.281.281.2721.541.391.311.241.3431.501.411.341.311.3441.581.561.481.281.3351.651.551.421.371.4961.441.471.371.361.3771.561.471.331.331.4181.551.451.321.351.4191.541.471.331.261.44101.451.451.291.201.29111.391.381.261.271.33121.441.371.231.071.22
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平均值1.511.451.331.271.35
51.图6例示出根据本公开内容的示例性实施方案的通过蚀刻形成的粗糙化的箔。参考图6，示出了箔601a和601b，其中材料已被去除以形成蚀刻特征603a和603b。在铜箔的实例中，蚀刻特征603a和603b通过周期性地去除铜来产生表面的人工粗糙化，从而在表面中留下可以嵌入硅颗粒的蚀刻坑。如箔601a所示，与其中蚀刻特征603b可以仅足够单个颗粒大的箔601b相比，蚀刻特征603a可以足够大，使得多个硅颗粒可以嵌入其中。
52.在示例性情况下，蚀刻特征603a可以跨箔601a的表面为1μm至50μm，例如，其中硅颗粒的d50尺寸为5至10μm的量级。例如，蚀刻特征603b可以为5至15μm。
53.图7是根据本公开内容的示例性实施方案的用于硅阳极的更多各向异性膨胀的方法的流程图。尽管一种制造复合电极的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，并将其直接涂覆在集流器上，但该方法采用与辊压(压延)方法相结合的高温热解方法。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。在此描述的方法用于增加阳极膨胀的各向异性，其中z方向的膨胀增加而x-y膨胀减小。
54.在步骤701中，可以通过蚀刻表面来获得或制造粗糙化的箔。此外，较厚的箔可以用于减少锂化期间阳极的x-y膨胀。此外，较强的材料，例如镍，可以用于进一步限制横向膨胀。在步骤703中，可以使用粘结剂/树脂(例如pi、pai)、溶剂和导电碳来混合原始电极活性材料。例如，石墨烯/vgcf(按重量计1:1)可以在声处理下分散在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)并且进行额外的声处理，持续例如1小时。然后可以在例如800至1200rpm下持续例如5至20分钟，将具有10至20μm颗粒尺寸的硅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1800至2200rpm下持续例如5至20分钟进行分散，以实现2000至4000cp的浆料粘度和约30％的总固体含量。
55.在步骤705中，浆料可以以例如3至4mg/cm2的负载量涂覆在箔上，其可以进行干燥从而产生小于15％的残留溶剂含量。在步骤707中，箔和涂层通过辊压进行压延。辊压期间使用的压力和温度可以增加阳极膨胀的各向异性。
56.在步骤709中，活性材料可以通过加热到500至800c来热解，使得碳前驱体部分或完全转化为玻璃碳。在使阳极在400摄氏度或高于400摄氏度进行加热的情况下，热解步骤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。热解可以以辊的形式进行，或者在步骤711中的冲压之后进行。如果以辊的形式进行，则在热解过程之后进行冲压。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713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。可以测量阳极的膨胀以确认膨胀的高度各向异性性质，即，很小的x-y膨胀和主要的z方向膨胀。
57.图8是根据本公开内容的示例性实施方案的用于硅阳极的更少各向异性膨胀的方法的流程图。尽管先前制造复合阳极的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直接涂覆在集流器上，但该方法采用与平压层压方法相结合的高温热解方法。在混合了原始电极材料之后，可以将它们涂覆在基板上。然后可以将活性层剥离成片，切割成所需的尺寸，固化，并且在高温下进行热解以形成具有高si含量的阳极试样(coupon)。然后将阳极试样平压层压在涂有粘合剂的集流器上。
58.该方法在图8的流程图中示出，从使用薄金属箔的步骤801开始，所述薄金属箔例如小于10μm并且包含铜。此外，箔可以是光滑的，而没有任何添加的粗糙度，以允许x-y膨胀。活性材料可以与粘结剂/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。在示例性情况下，硅粉末(例如，5至20μm颗粒尺寸)可以分散在nmp和硅氮烷溶液中，其中硅氮烷的量相对于硅为1.2％。聚酰胺酸树脂(在nmp中的15％固体)可以在500rpm下添加到混合物中，持续10分钟，并且在700至1000rpm下进一步分散数小时，以实现在1500至3000cp的浆料粘度(约30％的总固体含量)。
59.在步骤803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805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。
60.在步骤807中，然后可以从pet中去除生膜，其中可以将活性材料从聚合物基板上剥离，剥离过程对于聚丙烯(pp)基板是任选的，因为pp在热解时可以留下约2％的炭残留物。剥离之后可以进行固化和热解步骤809，其中可以将膜切割成片，并且使用两阶段过程
(100至140℃持续15小时，200至240℃持续5小时)进行真空干燥。干膜可以在1000至1300℃进行热处理以将聚合物基质转化成碳。在使阳极在400摄氏度或高于400摄氏度进行加热的情况下，热解步骤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。
61.在步骤811中，可以将热解的材料平压层压在集流器上，其中可以用标称负载量为0.3至0.6mg/cm2的聚酰胺-酰亚胺(作为在nmp中的6wt％清漆施用，在100至120℃下真空干燥10至20小时)涂覆薄铜箔，例如6μm或更少。可以使用加热的液压机(30至90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。
62.在步骤813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。可以测量阳极的膨胀以确认与图7的方法相比，膨胀的较小的各向异性(较大的各向同性)性质，即，允许的x-y膨胀。薄且光滑的箔和平压层压导致比由厚且粗糙的箔用辊压层压制成的阳极更多的x-y膨胀。
63.在本公开内容的示例性实施方案中，描述了用于硅占主导的阳极的各向异性膨胀的方法和系统。电池可以包括阴极、电解质和阳极，其中阳极可以包括集流器和集流器上的活性材料。操作期间的阳极膨胀可以通过集流器的粗糙度、集流器的厚度、用于集流器的金属和/或将活性材料粘附到集流器的层压过程来配置。
64.对于较厚的集流器，阳极膨胀的各向异性可以更大。较厚的集流器的厚度可以是10μm或更大。对于用于集流器的刚性较大的材料，阳极膨胀的各向异性可以更大。刚性较大的集流器可以包含镍，并且刚性较小的集流器可以包含铜。对于更粗糙表面的集流器，阳极膨胀的各向异性可以更大。阳极的粗糙度可以通过集流器中蚀刻特征来配置。蚀刻的特征可以为跨度(across)1至50μm。如果将活性材料辊压层压至集流器，阳极膨胀的各向异性可以更大。如果将活性材料平压层压至集流器，阳极膨胀的各向异性可以更小。
65.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)。
66.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。