的温和路线。
[0047]对于广泛的高容量负极和正极材料，特别是对于高熔点材料(如具有高于约600°C的熔点的材料)提供此类优势，尽管低熔点材料(如Sn和In)也可有利于所公开技术的各方面。另外，对于在离子(如，金属离子)嵌入和脱嵌时显示显著体积变化(如，大于约10% )的高容量负极和正极材料特别提供所述优势。对于可用于金属-离子(如L1-离子)电池的负极，实例包括但不限于:重掺杂、掺杂和未掺杂的S1、In、Sn、Sb、Ge、Mg、Pb，它们与其它金属和半金属的合金，它们与其它金属的混合物、金属氧化物、金属氟化物、金属氧-氟化物、金属氮化物、金属磷化物、金属硫化物和半导体氧化物。对于可用于金属-离子(如L1-离子)电池的正极，实例包括但不限于:金属硫化物、金属氟化物、金属氧-氟化物，及它们的混合物，仅举几例。
[0048]即使对于在电池运行期间不经历溶解的高容量(如，对于L1-离子电池正极为大于约250mAh/g，对于L1-离子电池负极为大于约400mAh/g)电极颗粒，稳定性以及功率特性可通过本文的设计大幅改进。这对于具有低导电性(如，小于约5S/m)的活性材料或对于采用的金属离子具有低扩散系数(如，小于约10_ncm2/S)的活性材料尤其如此。
[0049]应理解的是，各种金属离子可与本文所述的电极材料的设计结合使用。实例包括但不限于:Li+、Na+、Mg2+、Ca2+和Al 3+。本文的设计对于离子大小大于Li+的或离子电荷大于+1的金属离子可特别有吸引力。然而，本发明不限于金属-离子电池(因此不限于金属离子)，并且可用于活性颗粒在其运行期间经历显著的体积变化(如，可逆氧化还原反应)的其它电池化学，包括例如含有含水电解液的电池。
[0050]回到图1，注意，支持基质104内期望的孔径可基于期望的应用和所采用的相应材料而变化。一般而言，使支持基质104内所有孔的总体积足以提供离子嵌入期间活性材料102的体积膨胀的空间可以是有利的。对于具有典型地约3-100nm的量级的特征尺寸的活性纳米颗粒，已发现约0.4nm至约50nm范围内的孔适用。在某些情况下，支持基质104内微孔(如，小于约2nm)和中孔(mesopores)(如，约2_50nm的量级)的组合可进一步有利，而在其它设计中，仅采用中孔可以是有利的。作为实例，已发现多孔(如碳)基质内的中孔的体积超过约0.05cc/g(iS)适用。
[0051 ] 在某些设计中，对于以如下方式形成嵌入支持基质中的高容量活性颗粒可以是有利的:支持基质的一部分渗透入活性颗粒中(如，以使颗粒在一个或多个支持孔壁周围形成)或者单个高容量活性颗粒连接支持基质的几个孔壁。这帮助增强电池运行期间复合材料的结构稳定性和电稳定性以及离子嵌入和脱嵌期间活性颗粒的膨胀/收缩。
[0052]可用于各种设计的支持基质材料的一个实例为多孔碳材料。然而，还可采用各种其它多孔、导电性材料。例如，在其它设计中，可使用导电性多孔聚合物支持颗粒代替多孔碳支持颗粒。另外，在某些设计中，为了促使例如内部活性材料的纳米颗粒的异相成核(或附着)，将额外的官能团或其它材料引入支持基质的内表面可以是有利的。用增强复合材料电子导电性或离子导电性的元素(例如氮)掺杂多孔碳或者所产生的复合材料对于将这些复合材料用于金属-离子电池的电极中也可以是有利的。对于在L1-离子电池中的某些应用，将Li引入例如多孔碳-纳米颗粒复合材料也可以是有利的。类似地，在复合材料在基于其它金属的电池的应用中，将与所利用的离子相同的金属引入支持基质中可以是有利的。
[0053]下面描述制造注入支持基质的活性材料的几种示例方法。举例来说，该制造技术使得例如具有高熔点(如，大于约600°C )的或不具有熔点(当材料在高温下将仅分解时)的电化学活性电池材料的纳米颗粒有效且可控的引入多孔碳基质中。
[0054]在一个实例中，活性纳米颗粒可经化学气相沉积(CVD)引入预制造的多孔碳基质/支持颗粒中。多孔碳颗粒可通过聚合物前体颗粒的化学合成或沉淀驱动制造或化学和沉淀法的组合、它们的热解(热处理)和活化(部分氧化来引入或增加连通的孔的体积)来制造。期望的孔径和它们的分布例如可通过聚合物前体中的孔隙率与碳活化过程的组合来实现。生产多孔碳支持的另一方式包括大的聚合物单块(monolith)的合成，其碳化，以及将碳单块机械磨削成期望形状的颗粒。活化过程可涉及用含氧气体(如C02、H20、空气、O2等)的物理氧化、化学活化(如，用KOH)或这些方法的组合。活化可在热处理期间或之后进行。为了引入微孔和中孔(如上所述，其在某些情况中是有利的)，碳活化可在不同温度下(如，在约800和约1000°C下)或使用不同活化剂(如，0)2和H2O)进行。在某些情况下，通过利用聚合物前体颗粒内的两种聚合物的混合物(或具有有机液体的产碳聚合物混合物)来将中孔引入多孔碳中可以是有利的。在某些情况下，该有机液体对于聚合物可为非溶剂，或者该聚合物在该液体中可溶胀。该液体的非溶剂/溶剂性质将限定孔的孔径和分布。该聚合物之一可通过选择性提取而在聚合物颗粒合成之后除去，或者该聚合物之一可在碳化期间或在活化之后或二者中固有地显现低热稳定性或非常低的碳产率。在某些情况下，孔可引入致密碳颗粒(如合成或人工石墨、中间相碳微球(mesocarbon microbeads)等)的表面中。在一个实例中，金属或其它无机纳米颗粒可预沉积在碳表面上，从而充当碳内孔的蚀刻或氧化的催化剂。在另一实例中，可提取的、非碳化纳米颗粒可引入已进行碳化的聚合物颗粒中。在其它实例中，碳多孔支持可在由无机材料制成的高度多孔支持上通过碳沉积(CVD例如)来制备。二氧化硅气凝胶为碳沉积的此类无机支持的一个实例。
[0055]根据另一示例方法，活性颗粒可经蒸汽渗透和/或毛细管凝结引入预制造的多孔碳基质中。该方法可对于在适度高温(如，低于约10(TC)下具有高蒸汽压(如，大于约0.1Pa)的材料特别有吸引力。
[0056]根据另一示例方法，活性颗粒可通过下述引入:(i)将活性颗粒或活性颗粒前体溶于溶剂中；(ii)在常压下、在加压下或在真空下将溶液渗透入预制造的多孔碳基质的孔中；(iii)蒸发溶剂；和(iv)(如果需要)将前体转化成活性颗粒。在某些情况下，某些上述步骤可重复以增加活性材料的纳米颗粒引入多孔碳基质中的总量。
[0057]根据另一示例方法，活性颗粒可通过下述引入:(i)将活性颗粒或活性颗粒前体溶于溶剂中；(ii)在常压下、在加压下或在真空下将溶液渗入预制造的多孔碳基质的孔中；(iii)通过例如添加非溶剂、改变离子强度或溶液的pH，或改变体系的温度/压力来将纳米颗粒从溶液中异相沉淀在碳内表面上；和(iv)(如果需要)将前体转化成活性颗粒。在某些情况下，某些上述步骤可重复或组合以增加活性材料的纳米颗粒引入多孔碳基质中的总量。
[0058]根据另一示例方法，活性颗粒通过在常压下或在加压下或在真空下使用悬浮渗透法将活性材料的纳米颗粒渗透入预形成的多孔碳的孔中来引入。
[0059]根据另一示例方法:⑴(如，通过在活性纳米颗粒的表面和聚合物前体纳米颗粒的表面上引入相反电荷)使活性纳米颗粒可首先吸附至碳形成用聚合物前体的纳米颗粒的表面上；(ii)引起聚合物前体的碳化和包括活性纳米颗粒、碳和纳米孔的纳米复合材料的形成的热处理；和(iii)任选的活化，从而增加孔的体积。在另一实例中，在纳米颗粒沉积后，复合聚合物颗粒可通过具有与颗粒相反的表面电荷的聚合物的静电吸附覆盖有另一碳-形成的或非-碳形成的聚合物层。
[0060]根据另一示例方法:(i)活性纳米颗粒和聚合物前体纳米颗粒可从溶液/悬浮液异相地凝结，从而形成较大的复合材料-前体颗粒；(ii)热退火(碳化)，从而形成具有均匀分布于碳和孔内的纳米颗粒的纳米复合材料；和(iii)任选的活化，从而增加孔的体积。
[0061]根据另一示例方法，可进行下述:(i)活性纳米颗粒可首先分散于单体或聚合物溶液中；(ii)所产生的悬浮液可(例如，于水中)乳化，从而在水中产生球状纳米颗粒-聚合物胶体；(iii)胶体中的单体可聚合(或溶剂可从聚合物溶液中提取)，从而产生由活性纳米颗粒和聚合物组成的球状复合颗粒；(iv)在水蒸发时，复合颗粒可碳化；和(V)所产生的碳-活性纳米颗粒复合材料可(任选地)活化，从而增加孔的体积。在另一实例中，聚合可在单体的非水溶剂中进行，所述单体的非水溶剂为合成的聚合物的非溶剂。在聚合期间，聚合物颗粒可通过沉淀机理形成。在沉淀的过程中，活性纳米颗粒的聚合变为在聚合物颗粒内部捕获。在颗粒分离时，复合颗粒可碳化。
[0062]根据另一示例方法，可进行下述:(i)具有活性颗粒前体的水可在单体溶液中乳化；(ii)所产生的混合物可在水中再次乳化，从而产生单体溶液的胶体(其内部可存在活性颗粒前体的胶体)单体可聚合，产生含有活性颗粒前体分布的近球形聚合物颗粒；(iv)所产生的乳液可干燥、煅烧/碳化，从而产生具有引入的活性材料的纳米颗粒的多孔碳颗粒；和(V)所产生的碳-活性纳米颗粒复合材料可(任选地)活化，从而增加孔的体积。类似的方法可在如上所述的非水介质中实现。
[0063]根据另一示例方法，可进行下述:(i)活性颗粒前体可连同适当的碳形成聚合物溶解在有机溶剂中；(ii)均匀溶液可与颗粒前体和聚合物的过量的非溶剂混合，且复合颗粒可通过沉淀来形成；(iii)所产生的颗粒可干燥、煅烧/碳化，从而产生具有引入的活性材料的纳米颗粒的多孔碳颗粒。在另一实例中，沉淀可经改变离子强度或溶液PH，或改变体系的温度/压力来进行。
[0064]在本文提供的某些设计中，电极稳定性还可通过“壳”涂层，例如额外的离子(如，在金属-离子电池情况下的金属离子，例如L1-离子电池情况下的Li离子)可透过但电解液溶剂不可透过的薄层涂层(如，在约l_50nm的量级)来增强。
[0065]图2说明根据其它示例实施方式进一步引入功能性壳的示例电池电极组合物的设计。如图所示，图2的复合颗粒200包含活性材料102和其中配置有活性材料102的多孔、导电性支持基质104 (如同图1的设计)，并进一步包含至少部分地包裹活性材料102和支持基质104的壳208。一般而言，使壳208对被活性材料102储存和释放的离子实质上可透过，但可另外提供如不同应用所期望的不同的功能。
[0066]在图2中说明的具体实例中，壳208具体为，或换言之包括，由对电解质溶剂分子实质上不可透过的材料形成的保护层。在用于金属-离子电池的低压负极的情况下，例如L1-离子电池中在相对于Li/Li+低于约IV下发生氧化还原反应的负极，壳208的保护层还在初始离子嵌入期间形成的SEI层提供更稳定的外表面，防止随后循环期间的机械变化和破坏。在活性材料上具有如下的保护层(如碳)可以是有利的:与常规电解液(如，在L1-离子电池应用的情况下包括碳酸酯溶剂如碳酸亚乙酯(EC)或氟代碳酸亚乙酯(FEC)的电解液)更相容，与例如硅(其在金属离子嵌入的情况下显著改变尺寸超过200%，达到理论最大水平)相比，在充电-放电循环中不显