的单片（monolithic)结构。例如，在由复合材料组成 的电极中可包含集电器。在某些实施方案中，复合材料可以用于形成发明名称为"Carbon ElectrodeStructuresforBatteries(电池的碳电极结构）"的第 12/838, 368 号美国专 利申请中所讨论的碳结构，其整体内容以引用的方式由此并入本文中。此外，本文所描述的 复合材料可以为例如硅复合材料、碳复合材料和/或硅-碳复合材料。本文所描述的某些 实施方案能进一步包括包含微米尺寸的硅颗粒的复合材料。例如，在某些实施方案中，微米 尺寸的硅颗粒在表面具有纳米尺寸的特征。具有如此几何结构的硅颗粒可具有微米尺寸的 硅颗粒（例如，高能量密度）和纳米尺寸的硅颗粒（例如，良好的循环性能）两者的优势。 如本文所使用，术语"硅颗粒"通常包括具有或不具有纳米尺寸特征的微米尺寸的硅颗粒。
[0051] 图1示例了形成复合材料的方法100的一个实施方案。例如，形成复合材料的方 法可以包括形成包含前驱体的混合物，方框101。所述方法可以进一步包括热解所述前驱体 以将所述前驱体转变为碳相。所述前驱体混合物可包含碳添加剂，例如石墨活性材料、短切 的或磨碎的碳纤维、碳纳米纤维、碳纳米管和/或其它碳。在热解所述前驱体之后，所产生 的碳材料可以是自支撑的单片结构。在某些实施方案中，将一种或多种材料加入混合物中 以形成复合材料。例如，可将硅颗粒加入混合物中。碳化的前驱体产生使复合材料保持在 一起的电化学活性结构。例如，碳化的前驱体可以是基本上连续的相。硅颗粒，包括具有或 不具有纳米尺寸特征的微米尺寸的硅颗粒，可遍及复合材料分布。有利地，碳化的前驱体可 以是结构材料以及电化学活性和导电性材料。在某些实施方案中，加入混合物中的材料颗 粒均匀或基本上均匀地遍及复合材料分布，以形成均匀或基本上均匀的复合物。
[0052] 混合物可包含多种不同的组分。混合物可包含一种或多种前驱体。在某些实施方 案中，所述前驱体为碳氢化合物。例如，所述前驱体能包含聚酰胺酸、聚酰亚胺等。其它的 前驱体可包括酚醛树脂、环氧树脂和/或其它聚合物。混合物还可包含溶剂。例如，溶剂可 以是N-甲基-吡咯烷酮（NMP)。其它可能的溶剂包括丙酮、乙醚、γ- 丁内酯、异丙醇、碳酸 二甲酯、碳酸乙酯、二甲氧基乙烷、乙醇、甲醇等。前驱体和溶剂溶液的实例包括PI_2611(HD Microsystems)、PI-5878G(HDMicrosystems)和VTECPI-1388(RBI,Inc·)。ΡΙ-2611 是 由>60%的n-甲基-2-吡咯烷酮和10-30%的s-联苯二酐/对苯二胺组成。PI-5878G是 由>60%的η-甲基吡咯烷酮、10-30%的均苯四甲酸二酐/二氨基二苯醚的聚酰胺酸、包含 5-10%的1，2, 4-三甲苯的10-30%的芳香烃（石油馏分）组成。在某些实施方案中，溶剂 中前驱体的量为约l〇wt. %至约30wt. %。混合物中还能包含添加的材料。例如，如前面所 述，能将硅颗粒或包括石墨活性材料、短切的或磨碎的碳纤维、碳纳米纤维、碳纳米管和其 它导电碳的碳颗粒加入混合物中。此外，可以将混合物混合以使混合物均匀。
[0053] 在某些实施方案中，将混合物铸塑在基板上，图1中的方框102。在一些实施方案 中，铸塑包括使用间隙挤出或叶片铸塑技术。所述叶片铸塑技术可以包括通过使用被控制 在基板上方一定距离的平面（例如，叶片）将涂层应用于基板。可以将液体或浆液应用于 基板，并使叶片经过液体以将该液体在基板上面铺展开。通过叶片和基板之间的间隙控制 涂层的厚度，因为液体经过该间隙。当液体经过所述间隙时，还能刮除过量的液体。例如， 能在包含聚合物片、聚合物卷和/或由玻璃或金属制成的箱或卷的基板上铸塑混合物。然 后，将混合物干燥以去除溶剂，方框103。例如，约110°C下将聚酰胺酸和NMP溶液干燥约2 小时以去除NMP溶液。然后从基板上去除干燥的混合物。例如，可以使用HC1蚀刻掉铝基 板。或者，通过剥离从基板上去除干燥的混合物或从基板上机械地去除干燥的混合物。在 一些实施方案中，基板包含聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET)，包括例如Mylar^J。在某些实施 方案中，干燥的混合物为膜或片。在一些实施方案中，将干燥的混合物固化，方框104。可以 使用热压机以固化并使干燥的混合物保持平整。例如，可以约200°C下将源自聚酰胺酸和NMP溶液的干燥的混合物热压约8小时至16小时。或者，使用标准的膜处理设备以按照卷 对卷方法完成包括铸塑和干燥的整个过程。可以将干燥的混合物漂洗以去除任何溶剂或可 能残留的蚀刻剂。例如，能使用去离子（DI)水漂洗干燥的混合物。在某些实施方案中，能 将流延铸塑（tapecasting)技术用于铸塑。在其它实施方案中，没有用于铸塑的基板并且 不需要从任何基板上去除阳极膜。可将干燥的混合物切割或机械切片为较小的片。
[0054] 混合物进一步经历热解以将所述聚合物前驱体转变为碳，方框105。在某些实施方 案中，在还原性气氛中将混合物热解。例如，可以使用惰性气氛、真空和/或流动的氩气、氮 气或氦气。在一些实施方案中，将混合物加热至约900°C至约1350°C。例如，约1175°C下将 由聚酰胺酸形成的聚酰亚胺碳化约1小时。在某些实施方案中，混合物的加热速率和/或 冷却速率为约l〇°C/min。可使用支撑物以使混合物保持特定的几何形状。支撑物可以是 石墨、金属等。在某些实施方案中，将混合物保持平整。在将混合物热解后，可以将标签与 热解的材料连接以形成电接触。例如，镍、铜或其合金能用于所述标签。
[0055] 在某些实施方案中，一种或多种本文描述的方法可以在连续方法中实施。在某些 实施方案中，能在连续方法中进行铸塑、干燥、固化和热解。例如，能将混合物涂覆在玻璃或 金属圆柱体上。可以将混合物干燥同时在圆柱体上旋转以产生膜。可以卷的形式将膜转移 或将其剥离并送入另一机器进行进一步加工。在热解步骤之前还能使用工业上已知的挤出 和其它膜制造技术。
[0056] 前驱体的热解产生碳材料（例如，至少一种碳相）。在某些实施方案中，碳材料为 硬碳。在一些实施方案中，前驱体为可被热解以形成硬碳的任何材料。当混合物还包含除碳 化的前驱体以外的一种或多种另外的材料或相时，能产生复合材料。特别地，混合物可包含 娃颗粒，产生娃-碳（例如，至少一种包含娃的第一相和至少一种包含碳的第二相）复合材 料或娃-碳-碳（例如，至少一种包含娃的第一相、至少一种包含碳的第二相、和至少一种 包含碳的第三相）复合材料。硅颗粒可增加复合材料的嵌锂比容量。当硅吸收锂离子时，其 经历约300+体积百分比的大体积增加，这能导致电极结构完整性问题。除体积膨胀相关的 问题之外，硅还不是固有导电的，但当将其与锂形成合金时（例如，锂化）则变为导电。当 硅脱锂时，硅的表面失去导电性。此外，当硅脱锂时，体积减小，这导致硅颗粒可失去与基质 的接触。体积的显著变化还导致硅颗粒结构的机械破坏，进而，导致其粉碎。粉碎和失去电 接触使得在锂离子电池中使用硅作为活性材料成为挑战。降低硅颗粒的初始尺寸能阻止硅 粉末的进一步粉碎并且使表面导电性的损失最小化。此外，将材料可加入至随硅颗粒的体 积变化而弹性变形的复合物中，这可确保与硅表面的电接触不受损失。例如，复合材料可包 含诸如石墨的碳，所述石墨有助于复合材料吸收膨胀的能力并且还能够嵌入增加电极的储 存容量（例如，化学活性）的锂离子。因此，复合材料可包含一种或多种类型的碳相。
[0057] 在一些实施方案中，娃颗粒的最大尺寸可以是小于约40μm、小于约1μm、约10nm 至约40μm、约10nm至约1μm、小于约500nm、小于约100nm、以及约100nm。娃颗粒的全部、 基本上全部或至少一些可包含上述最大尺寸。例如，硅颗粒的最大尺寸的值平均或中值可 以是小于约40μm、小于约1μm、约10nm至约40μm、约10nm至约1μm、小于约500nm、小于 约100nm、以及约100nm。以混合物和复合材料的重量计算，复合材料中娃的量可大于零百 分比。在某些实施方案中，混合物包含硅的量，以混合物的重量计算，所述硅的量为约0重 量％至约90重量％，包括约30重量％至约80重量％。复合材料中硅的量可为约0重量％ 至约35重量％，包括约0重量％至约25重量％、约10重量％至约35重量％、以及约20重 量％。在另外的实施方案中，混合物中硅的量为至少约30重量％。在另外的实施方案中， 复合材料中娃的量包括大于约50重量％、约30重量％至约80重量％、约50重量％至约70 重量％、以及约60重量％至约80重量％。此外，硅颗粒可以是纯硅或可以不是纯硅。例如， 硅颗粒可基本上是硅或可以是硅合金。在一个实施方案中，硅合金包含作为主要组分的硅 以及一种或多种其它元素。
[0058] 如本文所述，微米尺寸的硅颗粒可以提供良好的体积和重量能量密度，以及良好 的循环寿命。在某些实施方案中，为了获得微米尺寸的硅颗粒（例如，高能量密度）和纳米 尺寸的硅颗粒（例如，良好的循环性能）两者的优势，硅颗粒可以具有在微米范围内的平均 粒径和包含纳米尺寸特征的表面。在一些实施方案中，硅颗粒具有的平均粒径（例如，平均 直径或平均最大尺寸）为约0. 1μπι至约30μπκ或约0. 1μπι至约高达约30μπι的所有值。 例如，娃颗粒具有的平均粒径为约0. 5μm至约25μm、约0. 5μm至约20μm、约0. 5μm至 约15μm、约0. 5μm至约10μm、约0. 5μm至约5μm、约0. 5μm至约2μm、约1μm至约 20μm、约1μm至约15μm、约1μm至约10μm、约5μm至约20μm等。因此，所述平均粒 径可以是约 〇· 1μm至约 30μm的任一值，例如 0· 1μm、0. 5μm、1μm、5μm、10μm、15μm、 20μm、25μm、以及 30μm〇