硅材料及制造方法与流程

硅材料及制造方法
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求2021年2月9日提交的美国临时申请第63/147,484号和2021年10月28日提交的美国临时申请第63/273,018号的权益，这两个申请中的每一个通过该引用以其整体并入。
技术领域
3.本发明总体上涉及硅混合物领域，并且更具体地涉及硅混合物领域中新的且有用的系统和方法。
4.附图简述
5.图1是系统的示意图。
6.图2a、图2b和图2c是包覆的硅材料的示例性表示。
7.图3是示例性的包覆的硅材料的示意图。
8.图4是制造硅材料的实例的流程图表示。
9.图5是在包覆工艺期间搅动硅材料的实例的示意图。
10.图6是将二氧化硅前体还原成硅材料的实例的示意图。
11.图7是具有多于一个包覆层的硅材料的实例的示意图。
12.图8是用于制备碳包覆的硅材料的方法的实例的示意图。
13.图9是用于制备聚合物包覆的硅材料的方法的实例的示意图。
14.图10是用于制备碳包覆的硅材料的方法的实例的示意图。
15.图11是用于制备具有多于一个包覆层的硅材料的方法的实例的示意图。
16.图12a-图12e是硅颗粒的实例的示意图。
17.优选实施方案的描述
18.对本发明的优选的实施方案的以下描述不意图将本发明限制于这些优选的实施方案，而是使得本领域的任何技术人员能够实现并且使用本发明。
19.1.综述.
20.如图1中所示，硅材料10可以包括硅颗粒100、一个或更多个包覆层200和任选地一种或更多种添加剂300。示例性的添加剂包括粘结剂(binder)350、导电材料(conductive material)、稳定剂、交联剂、催化剂和/或任何合适的材料。
21.如例如图4中所示，用于制造和/或加工硅材料的方法20可以包括：任选地还原二氧化硅前体s100，包覆硅材料s200，任选地活化包覆层s300，和/或任何合适的步骤和/或工艺。
22.硅材料优选地用于形成硅膜。硅膜可以具有在约100nm和500μm之间的任何厚度，但是可以薄于100nm或厚于500μm。
23.硅材料优选地被用作电池(例如，li离子电池)中的阳极材料(例如，被包括在该阳极材料中)。然而，硅材料可以另外地或可选择地用于光伏应用(例如，作为光吸收剂、作为电荷分离器、作为自由载流子提取器(free carrier extractor)等)、用作热绝缘体(例如，
在诸如高温、高压、电离环境、低温、低压等的极端条件下可操作的热绝缘体)、用于高灵敏度传感器(例如，高增益、低噪声等)、用作雷达吸收材料、用作绝缘体(例如，在建筑物、窗户、热损失系统和太阳能系统等中)、用于生物医学应用、用于制药应用(例如，药物递送)、用作气凝胶或气凝胶替代品(例如，硅气凝胶)和/或用于任何合适的应用。
24.2.益处.
25.该技术的变型可以赋予若干益处和/或优点。
26.首先，该技术的变型可以控制和/或改变一种或更多种硅材料性质。例如，对硅材料进行包覆可以改变硅材料的电子传导率(electrical conductivity)、表面积、离子传导率(ionic conductivity)、机械稳定性和/或任何合适的性质。在说明性实例中，包覆层(例如，碳包覆层)可以将表面积(例如，硅材料的外表面的表面积)减小至少约1.5x的因子(例如，减小2、3、4、5、10、20、50、其间的值或范围、》50的因子)，诸如将表面积从约10m2/g-20m2/g减小至在约5m2/g-10m2/g之间。在第二说明性实例中，包覆层(例如，碳包覆层、石墨包覆层等)可以改善硅颗粒之间的电连接(例如，通过在硅颗粒之间形成电接触来改善硅颗粒之间的电连接)。
27.第二，该技术的变型可以改善硅材料的包覆层的均质性(homogeneity)。例如，包覆层可以具有更均匀的厚度、更均匀的电性质、在硅颗粒之间更好的连接，和/或可以以其他方式改善包覆层的均质性。在具体实例中，可以通过在包覆工艺期间(连续地)搅动硅材料来实现均质的包覆。
28.然而，该技术的变型可以赋予任何其他合适的益处和/或优点。
29.如本文所使用的，“基本上”或近似的其他词语(例如，“约(about)”、“大约(approximately)”等)可以在度量、分量或其他参考值的预定的误差阈值或容差内(例如，在参考值的0.001％、0.01％、0.1％、1％、5％、10％、20％、30％等内)，或者可以以其他方式解释。
30.3.硅材料
31.如图1中所示，硅材料可以包括硅颗粒、一个或更多个包覆层200和任选地一种或更多种添加剂300。示例性的添加剂包括粘结剂350、导电材料、稳定剂、交联剂、催化剂和/或任何合适的材料。
32.硅混合物中的硅可以包括硅颗粒(例如，纳米颗粒、介观颗粒(mesoparticle)、宏观颗粒、微粒等)、硅簇(silicon cluster)、硅团聚体(silicon agglomer)、硅聚集体(silicon aggregate)和/或任何合适的硅材料。硅可以是多孔的、实心的和/或具有任何合适的形态。硅的特征尺寸优选地在约100nm和100μm之间(例如，100nm、200nm、300nm、500nm、1μm、2μm、5μm、10μm、20μm、50μm等)，但可以是任何尺寸。特征尺寸可以指的是硅材料的颗粒尺寸、团聚体尺寸、簇尺寸、聚集体尺寸和/或任何合适的尺寸。
33.颗粒的形状可以是球形的(例如，圆球状的、椭球状的，如例如图12a或图12c中所示，等等)；棒；薄片；星；柱；条；链；花；礁(reef)；须；纤维；盒；多面体(例如，立方体、矩形棱柱、三角形棱柱，如例如图12e中所示，等等)；具有蠕虫样形态(如例如图12b中所示，蛆型(verminform)等)；具有泡沫样形态；具有蛋壳形态；具有碎片样形态(例如，如例如图12d中所示)；和/或具有任何合适的形态。
34.颗粒可以是纳米颗粒、微粒、介观颗粒、宏观颗粒和/或任何合适的颗粒。颗粒可以
是离散的和/或连接的。在变型中，颗粒可以形成簇、聚集体、团聚体和/或任何合适的结构(例如，更高级的结构)。颗粒的特征尺寸优选地在约1nm至约10000nm之间，诸如2nm、5nm、10nm、20nm、25nm、30nm、50nm、75nm、100nm、125nm、150nm、175nm、200nm、250nm、300nm、400nm、500nm、1000nm、1500nm、2000nm、5000nm、其间的值或范围，和/或其他尺寸。然而，特征尺寸可以另外地或可选择地小于约1nm和/或大于约10000nm。在具体实例中，特征尺寸可以包括颗粒的半径、直径、周长、最长尺寸、最短尺寸、长度、宽度、高度、孔径、壳厚度和/或任何尺寸(size)或尺寸(dimension)。颗粒的特征尺寸优选地分布在尺寸分布上。尺寸分布可以是基本上均匀的分布(例如，盒式分布、平滑的均匀分布等，使得具有给定特征尺寸的颗粒的数量或颗粒的数量密度是大致恒定的)、威布尔分布、正态分布、对数正态分布、洛伦兹分布、voigt分布、对数双曲分布、三角形分布、对数拉普拉斯分布和/或任何合适的分布。
35.颗粒可以是独立的、成簇的、聚集的、团聚的、互连的，和/或具有任何合适的关联或连接。例如，颗粒(例如，一级结构)可以协同地形成二级结构(例如，簇)，该二级结构可以协同地形成三级结构(例如，团聚体)。一级结构的特征尺寸(例如，半径、直径、最小尺寸、最大尺寸、周长、纵向跨度(longitudinal extent)、横向跨度、高度等)可以在约2nm-150nm之间。二级结构的特征尺寸可以是100nm-10μm。三级结构的特征尺寸可以在约1μm和100μm之间。在说明性实例中，二级颗粒140(例如，具有在约1微米-10微米之间的尺寸)可以包括熔合在一起(例如，作为研磨一级颗粒的结果)的一级颗粒120(例如，具有在约10nm和1μm之间、在10nm至100nm之间等的尺寸)。在该说明性实例的变型中，二级颗粒可以团聚以形成团聚体(例如，三级颗粒160)。然而，一级结构、二级结构和/或三级结构可以具有任何合适的跨度。
36.颗粒可以是实心的、中空的、多孔的，和/或具有任何结构。在一些实施方案中，颗粒可以在簇内协同地形成孔(例如，开放的内部体积、空隙空间等)(和/或二级颗粒可以由一级颗粒形成)。例如，由于不完美的填充效率(例如，小于最佳填充效率的填充效率)、由于颗粒的特征尺寸分布(例如，分布形状、分布尺寸等)，孔可以由在颗粒填充之后保留的空隙空间产生；和/或孔可以以其他方式产生。在相关的实例中，硅材料可以包括多孔颗粒，并且多孔颗粒可以协同地形成孔。颗粒内的孔分布可以与在颗粒之间协同地界定的孔基本上相同和/或不同(例如，不同的尺寸、不同的尺寸分布、不同的形状等)。孔分布(例如，在多孔颗粒内，协同地界定在孔之间等)可以具有在约0.1nm和约5μm之间的孔径(例如，平均尺寸(average size)、平均尺寸(mean size)等)，诸如0.2nm、0.5nm、1nm、2nm、5nm、10nm、20nm、25nm、30nm、40nm、50nm、75nm、100nm、150nm、200nm、300nm、400nm、500nm、750nm、1μm、1.5μm、2μm、3μm、4μm和/或5μm。然而，孔径可以小于0.1nm和/或大于5μm。孔径分布可以是单峰的(monomodal)或单峰的(unimodal)、双峰的、多峰的，和/或具有任何合适数量的模式。在具体实例中，孔径分布可以由以下项表示(例如，近似为以下项)：高斯分布、洛伦兹分布、voigt分布、均匀分布(例如，所有孔都在常见孔径的
±
1％、
±
2％、
±
5％、
±
10％、
±
20％、
±
30％等内)、平滑的均匀分布、三角形分布、威布尔分布、幂律分布、对数正态分布、对数双曲分布、偏斜对数拉普拉斯分布、非对称分布、偏斜分布和/或任何合适的分布。然而，孔可以通过任何合适的分布来描述。
37.孔可以具有立方体形态、六边形形态、无规形态和/或任何合适的形态。在整个硅材料内的孔分布可以是：基本上均匀的、随机的、工程化的(例如，沿着一个或更多个轴线形
成梯度)，或者以其他方式被配置。
38.硅材料的孔隙率优选地在约5％和90％之间，但是可以小于5％或大于90％。孔隙率可以取决于硅形态(例如，颗粒尺寸、特征尺寸、形状等)、硅源、硅中的杂质、硅制造和/或任何合适的性质。硅材料的孔体积优选地在约0.02cm3g-1
和5cm3g-1
之间，但是可以小于0.02cm3g-1
或大于5cm3g-1
。硅材料的孔径优选地在约0.5nm和200nm之间，但是孔径可以小于0.5nm或大于200nm。
39.硅材料的外部膨胀(例如，外部体积膨胀，诸如膨胀到靠近硅材料的环境中)优选地是至多约40％(例如，至多0.1％、0.5％、1％、2％、5％、10％、15％、20％、25％、30％、-40％、-30％、-25％、-20％、-15％、-10％、-5％、-2％、-1％、-0.5％、-0.1％等，或者在其中限定的范围内)，其中任何其他膨胀都是内部膨胀(例如，内部体积膨胀、向内体积膨胀、填充材料内的空隙空间诸如以填充孔的膨胀)。然而，外部膨胀可以是仅发生的膨胀，和/或外部膨胀可以是任何合适的量。膨胀源的实例包括：热膨胀、溶胀(例如，由于溶剂或电解质的吸收引起的膨胀)、原子或离子置换、原子或离子插层(例如，金属化、锂化、钠化、钾化等)、静电效应(例如，静电排斥、静电吸引等)和/或任何合适的膨胀源。膨胀优选地小于阈值膨胀，因为当膨胀(例如，外部膨胀)超过阈值膨胀时，硅材料、其包覆层、sei层和/或其他系统或应用部件可能破裂或开裂。然而，膨胀可以大于或等于阈值膨胀。
40.硅材料的外表面优选地是基本上密封的(例如，阻碍或防止外部环境穿透外表面)。然而，外表面可以是部分地密封的(例如，允许外部环境以预定的速率穿透表面，允许来自外部环境的一种或更多种物质穿透表面，等)和/或可以是开放的(例如，多孔的，包括通孔等)。外表面可以由硅材料的厚度或深度来限定。厚度优选地在约1nm和10μm之间(诸如1nm、2nm、3nm、5nm、10nm、20nm、50nm、100nm、200nm、500nm、1μm、2μm、5μm、10μm、其间的值)，但是可以小于1nm或大于10μm。厚度可以是均质的(例如，在外表面周围大致相同)或非均质的(例如，在外表面周围不同)。在具体实例中，外表面可以被焊接、熔合、熔化(和再固化)和/或具有任何形态。
41.硅材料的外表面(例如，颗粒的外表面、颗粒的簇的外表面、颗粒和/或簇的团聚体的外表面等)的表面积优选地是小的(例如，小于约0.01m2/g、0.5m2/g、1m2/g、2m2/g、3m2/g、5m2/g、10m2/g、15m2/g、20m2/g、25m2/g、30m2/g、50m2/g、其值或在其范围之间)，但可以是大的(例如，大于10m2/g、15m2/g、20m2/g、25m2/g、30m2/g、50m2/g、75m2/g、100m2/g、110m2/g、125m2/g、150m2/g、175m2/g、200m2/g、300m2/g、400m2/g、500m2/g、750m2/g、1000m2/g、1250m2/g、1400m2/g、其间的范围或值、》1400m2/g)和/或任何合适的值。
42.硅材料的内部的表面积(例如，暴露于内部环境的表面，该内部环境通过外表面与外部环境隔开；暴露于内部环境的表面，该内部环境跨过外表面、内表面等与外部环境流体连通，诸如在颗粒内、协同地界定在颗粒之间、在颗粒的簇之间、在团聚体之间等)优选地是大的(例如，大于10m2/g、15m2/g、20m2/g、25m2/g、30m2/g、50m2/g、75m2/g、100m2/g、110m2/g、125m2/g、150m2/g、175m2/g、200m2/g、300m2/g、400m2/g、500m2/g、750m2/g、1000m2/g、1250m2/g、1400m2/g、其间的范围或值、》1400m2/g)，但可以是小的(例如，小于约0.01m2/g、0.5m2/g、1m2/g、2m2/g、3m2/g、5m2/g、10m2/g、15m2/g、20m2/g、25m2/g、30m2/g、50m2/g、其值或在其范围之间)。然而，内部的表面积可以高于或低于上述值，和/或可以是任何合适的值。
43.在一些变型中，表面积可以是指布鲁厄-埃米特-特勒(bet)表面积。然而，可以使
用表面积的任何定义、理论和/或测量结果。
44.硅材料可以包含一个或更多个掺杂剂原子(例如，掺杂剂180)。掺杂剂可以是间隙掺杂剂(interstitial dopant)(例如，占据间隙位点)、取代掺杂剂(例如，替代晶格或其他结构内的原子)、表面掺杂剂(例如，占据表面位置)、晶粒、颗粒(例如，其中颗粒尺寸小于硅材料的颗粒，适合颗粒之间的空隙空间，其中特征尺寸在约1nm至1μm之间，等等)；与硅形成合金和/或复合物；和/或任何合适的掺杂剂。掺杂剂可以另外地或可选择地与颗粒一起形成区域(例如，晶粒、岛等)，其中区域可以被相分离，可以与硅材料形成键(例如，化学键，诸如以形成合金)，占据颗粒内的空隙空间，和/或可以以其他方式存在于硅材料中。
45.硅材料优选地包含至多约45％的掺杂剂(例如，45％、40％、30％、25％、20％、15％、10％、5％、2％、1％、0.5％、0.1％、2％-10％、其间的值或范围等)。然而，硅材料可以另外地或可选择地包含多于45％的掺杂剂。掺杂剂浓度可以指的是总掺杂剂浓度(例如，当包含多于一种掺杂剂时，对于所有掺杂剂)、特定掺杂剂的掺杂剂浓度和/或任何合适的浓度。掺杂剂浓度可以取决于目标传导率(例如，目标电子传导率、目标离子传导率等)、特征颗粒尺寸、稳定剂浓度、硅材料的目标机械性质(例如，目标机械顺从性(mechanical compliance)、在膨胀和/或收缩期间对机械应力和/或机械应变的目标弹性等)、目标容量(其可以通过硅的容量和掺杂剂的容量之间的线性插值(linear interpolation)来估计)、掺杂剂的功能和/或任何合适的性质。浓度可以是质量浓度、纯度、原子浓度、化学计量浓度、体积浓度和/或任何合适的浓度。
46.掺杂剂优选地为晶族元素(crystallogen)(还被称为第14族元素、金刚烷属元素(adamantogen)、iv族元素等，诸如碳、锗、锡、铅等)。然而，掺杂剂可以另外地或可选择地包括硫属元素(例如，氧、硫、硒、碲等)、磷属元素(例如，氮、磷、砷、锑、铋等)、第13族元素(还被称为iii族元素，诸如硼、铝、镓、铟、铊等)、卤素(例如，氟、氯、溴、碘等)、碱金属(例如，锂、钠、钾、铷、铯等)、碱土金属、过渡金属、镧系元素、锕系元素和/或任何合适的材料。
47.在第一具体实例中，硅材料可以包含至少50％的硅和在1％-45％之间的碳，其中百分比可以指的是每种组分的质量百分比、体积百分比、化学计量百分比和/或其他合适的百分比。在该具体实例中，硅材料可以包含至多约5％的氧。
48.在第二具体实例中，硅材料可以包含约85％-93％的硅、约2％-10％的碳和约5％-10％的氧，其中百分比可以指的是每种组分的质量百分比。在第二具体实例的第一变型中，硅材料可以包含约85％的硅、约5％的氧和约10％的碳。在第二具体实例的第二变型中，硅材料可以包含85％的硅、10％的氧和5％的碳。在第二具体实例的第三变型中，硅材料可以包含93％的硅、2％的碳和5％的氧。然而，硅材料可以具有任何合适的组成。
49.在说明性实例中，硅材料可以具有与针对在2020年11月13日提交的标题为“porous silicon manufactured from fumed silica”的美国专利申请第17/097,814号、2021年11月12日提交的标题为“silicon material and method of manufacture”的美国专利申请第17/525,769号、和/或2021年5月25日提交的标题为“silicon material and method of manufacture”的美国临时申请63/192,688中公开的硅材料所描述的结构基本上相同的结构，这些申请中的每一个都通过该引用以其整体并入。然而，硅材料可以具有任何合适的结构。
50.在第二说明性实例中，硅材料可以是或者可以包括多孔碳注入的硅，多孔碳装饰
的硅结构，多孔硅碳杂化物，多孔硅碳合金，多孔硅碳复合材料，硅碳合金，硅碳复合材料，碳装饰的硅结构，碳注入的硅，金刚砂，碳化硅，和/或硅、碳和/或氧的任何合适的同素异形体或混合物。例如，硅材料的元素组成可以包括sioc、sic、si
xox
c、si
xoxcy
、sio
xcy
、si
xcy
、sio
x
、si
x
oy、sio2c、sio2c
x
、siocz、sicz、si
x
oycz、si
xoxcxzx
、si
xcx
zy、sio
xzx
、si
xox
zy、sio2cz、sio2c
x
zy，和/或具有任何合适的组成(例如，包括另外的元素)，其中z可以指的是周期表中的任何合适的元素，并且x和/或y可以是相同的或不同的，并且可以各自在约0.001和2之间(例如，0.001、0.005、0.01、0.05、0.1、0.5、1、2、0.001-0.05、0.01-0.5、0.01-0.1、0.001-0.01、0.005-0.1、0.5-1、1-2，其间的值或范围等)、小于0.001或大于2。
51.在被包覆的硅材料的变型中，包覆可以起到改变(例如，增强、增加、降低等)硅材料的电子传导率、改善硅材料的稳定性(例如，硅的稳定性、在靠近硅的表面形成的界面层诸如固体电解质界面(sei)层的稳定性，等等)的作用，和/或可以以其他方式起作用。
52.包覆层200(例如，包覆层材料、包覆层厚度等)可以基于以下中的一种或更多种来选择：包覆层在界面层(例如，sei层、活性材料、电池表面，等)和硅之间形成稳定的界面的能力、抑制界面层的形成的能力、包覆层稳定性(例如，在氧化环境中的稳定性、在还原环境中的稳定性、在反应环境中的稳定性、与特定反应剂反应的稳定性等)、电子传导率(例如，包覆层的电子传导率、包覆的硅的目标电子传导率、电绝缘性质等)、离子扩散速率(例如，li
+
穿过包覆层的扩散速率；离子传导率)、包覆层弹性、硅孔隙率、硅膨胀系数(例如，外部膨胀系数、外部体积膨胀等)、sei层形成(例如，促进和/或延迟)，和/或可以以其他方式来选择。
53.包覆层可以附接到硅的外表面，渗入孔，包覆硅的一部分(例如，具有预定品质的硅的一部分)，和/或以其他方式包覆硅。包覆的硅优选地在包覆层上没有另外的sei层，但是可以可选择地在包覆层上具有sei层。
54.包覆层材料优选地包括碳质材料(例如，有机分子、聚合物、无机碳、纳米碳、无定形碳等)，但是可以另外地或可选择地包括无机材料、增塑剂、生物聚合物膜、离子掺杂剂和/或任何合适的材料。聚合物包覆层的实例包括：聚丙烯腈(pan)、聚吡咯(ppy)、不饱和橡胶(例如，聚丁二烯、氯丁橡胶、丁基橡胶诸如异丁烯和异戊二烯的共聚物(iir)、苯乙烯-丁二烯橡胶诸如苯乙烯和丁二烯的共聚物(sbr)、丁腈橡胶诸如丁二烯和丙烯腈的共聚物(nbr)等)、饱和橡胶(例如，乙烯丙烯橡胶(epm)、乙烯和丙烯的共聚物；乙烯丙烯二烯橡胶(epdm)；表氯醇橡胶(eco)；聚丙烯橡胶诸如烷基丙烯酸酯共聚物(acm)、丙烯腈丁二烯橡胶(abr)等；有机硅橡胶诸如有机硅(si)、聚甲基硅酮(polymethyl silicone)(q)、乙烯基甲基硅酮(vinyl methyl silicone)(vmq)等；氟硅橡胶(fvmq)；等)，和/或任何合适的聚合物。碳质包覆层的实例包括：碳超级p(carbon super p)、乙炔黑、炭黑(例如，c45、c65等)、中间相碳微球(mesocarbon microbead)(mcmb)、石墨烯、碳纳米管(cnt)(例如，单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、半导电的碳纳米管、金属碳纳米管等)、还原的氧化石墨烯、石墨、富勒烯和/或任何合适的包覆层材料。包覆层可以包括包覆层材料的混合物，其中成分的比率和/或相对量可以基于任何合适的包覆层性质来选择。
55.在包含碳(例如，碳的同素异形体诸如石墨、石墨烯、碳纳米管、金刚石、富勒烯等)的包覆层的变型中，包覆层的组成优选地是至少90％的碳。例如，当包覆层包含石墨时，优选地至少约90％(对于给定包覆层，所有包覆层的总量等)的包覆层材料是石墨(例如，至多
约10％的包覆层材料是非石墨碳)，这可能是有益的，因为当硅材料被并入到电池或其他应用中时，非石墨碳通常不会对容量做出显著贡献。然而，在这些(或其他)变型中，包覆层的组成可以包含少于90％的碳(例如，80％、70％、60％、50％等)，例如以平衡包覆层性质诸如机械弹性、稳定性、传导率(例如，电子传导率、离子传导率等)、目标容量和/或其他包覆层性质。
56.包覆层可以是电绝缘的、半导体的、电子导电的和/或具有任何合适的电性质。包覆层优选地是离子导电的(例如，使离子能够扩散或传输穿过)，但可以是离子绝缘的。在一些变型中，当包覆层溶胀时(例如，响应于硅材料的膨胀而溶胀时)，包覆层的离子传导率可以增加。
57.包覆层厚度是其值或范围，优选地在约1nm和20μm之间，诸如1nm、2nm、3nm、5nm、10nm、20nm、30nm、50nm、100nm、200nm、500nm、1μm、2μm、5μm、10μm，或其间的值或范围。然而，包覆层厚度可以小于1nm或大于20μm。包覆层厚度在硅材料的跨度内可以是基本上均匀的(例如，厚度变化至多1％、2％、5％、10％、20％等；均质的等)或不均匀的(例如，非均质的)。例如，包覆层厚度可以形成厚度梯度，诸如更靠近硅材料的外部暴露表面则更厚。在另一个实例中，包覆层可以在硅材料的内表面上具有第一厚度，并且在硅材料的外表面上具有第二厚度(通常但不总是大于第一厚度)。在另一个实例中，包覆层厚度可以在约1nm和约1μm之间(例如，在硅的外表面上，在硅的内表面上，在暴露的表面诸如硅的内表面和/或外表面上等为1nm-10nm、1nm-100nm、10nm-100nm、20nm-50nm、25nm-100nm、1nm-25nm、1nm-20nm、2nm-10nm、5nm-10nm、50nm-100nm、50nm-500nm、0.9nm-1100nm、0.8nm-1200nm等)。包覆层厚度优选地被选择成允许离子(例如，li
+
离子)和/或其他材料(例如，电解质)穿透包覆层。然而，包覆层可以是离子不可穿透的；可以包括一个或更多个孔和/或穿孔，以使材料(例如，离子)能够穿过(例如，在预定的位置处)和/或以其他方式可渗透一种或更多种物质。包覆层厚度可以取决于包覆层材料、一种或更多种其他包覆层的材料、硅材料，和/或以其他方式取决于硅材料。
58.在如图2c所示的第一说明性实例中，包覆层厚度可以是在硅材料的外表面上的第一厚度和在孔的内表面上的第二厚度。在如图2b所示的第二说明性实例中，包覆层可以包覆硅材料的外表面而不进入孔。在如图2a所示的第三说明性实例中，包覆层可以基本上均匀地包覆硅材料的暴露的表面区域(例如，孔内的区域和硅材料的外表面)。
59.包覆层优选地是延展性的(例如，具有高屈服点，抵抗断裂，具有大的韧性模量，柔性的、弹性的等)，但可以是脆性的(例如，具有低屈服点，具有小的韧性模量，经历断裂等)和/或可以具有任何合适的弹性行为和/或塑性行为。延展性的包覆层的使用可以起到促进适应硅材料的体积膨胀(例如，外部体积膨胀)的作用，而不使包覆层开裂或另外不使包覆层扭曲。在说明性实例中，包覆层可以是机械弹性包覆层，其中包覆层可以膨胀和收缩以适应在下面的硅材料的膨胀和/或收缩期间(例如，在锂化期间)所经历的应力。应力优选地不使机械弹性包覆层开裂(例如，不形成裂纹；所形成的裂纹不允许外部环境到达下面的硅材料；裂纹具有小于阈值尺寸的尺寸，诸如1nm厚度、2nm厚度、5nm厚度、10nm厚度等；裂纹至多形成阈值长度，诸如100nm、500nm、1μm、2μm、5μm、10μm等；对于阈值数量的膨胀/收缩循环，诸如10个循环、100个循环、200个循环、250个循环、500个循环、1000个循环、2000个循环、5000个循环等，不形成裂纹；等等)(例如，不暴露下面的硅材料)；然而，在包覆层中可以出
现裂纹或其他变化。
60.然而，在一些变型中，特别是当可以形成弹性sei层时，可以使用脆性的(或较小弹性的)包覆层。当硅材料未被包覆时，这些弹性sei层(例如，其通过在电解质和硅之间的反应形成，以其他方式形成等)可以另外地或可选择地与弹性包覆层一起使用，和/或与任何合适的硅材料一起使用。在这些变型中，当包覆层开裂时(例如，在硅材料由于锂化而膨胀之后)，暴露的硅材料可以接触电解质并且形成有机sei层或聚合物样sei层(例如，包含有机化合物或聚合物样化合物，诸如烷基碳酸锂)。这些有机化合物或类似聚合物的化合物可以是弹性的，以当硅材料膨胀和收缩时促进变形(例如，有断裂或没有断裂)。然而，可以以其他方式使用脆性的(或更少弹性的)包覆层。
61.在具体实例中，可以在未包覆的硅材料上形成弹性sei层。在该具体实例中，当硅材料膨胀或收缩时，sei层可以膨胀或收缩而没有破裂。在该具体实例的变型中，弹性sei层可以在具有弹性包覆层的硅材料上形成，其中包覆层和sei层两者都可以随着硅材料尺寸的变化而膨胀或收缩。
62.然而，可以使用任何合适的包覆层。
63.在变型中(如例如图7中所示)，硅材料可以包括多于一个包覆层(诸如第一包覆层210和第二包覆层215)。包覆层可以是相同的或不同的。在第一实例中(如例如图11中所示)，硅材料可以包括碳包覆层220(例如，石墨包覆层)，该碳包覆层220然后用聚合物包覆层280包覆。在第二实例中，硅材料可以包括第一聚合物包覆层，该第一聚合物包覆层然后用第二聚合物包覆层包覆。在第三实例中，硅材料可以包括聚合物包覆层，该聚合物包覆层然后用碳质包覆层包覆。然而，可以使用任何合适的包覆层。
64.在一些变型中，硅材料可以与碳材料混合(例如，与碳材料共混)(其中术语硅材料可以包括与碳材料混合的硅材料)。碳材料可以来源于废料(例如，来自其他工艺的废料剩余物(waste material leftover))、再循环的碳、塑料、未经使用的材料(virgin material)，和/或来源于其他方面。硅与碳材料的比可以在约10:1和0.1:1之间。然而，硅材料与碳材料的比可以大于10:1或小于0.1:1。碳材料和硅材料优选地基本上均质地混合，但是可以非均质地混合。在说明性实例中，碳材料可以包括如在2018年12月17日提交的标题为“high performance carbonized plastics for energy storage”的美国专利申请第16/222,074号中公开的碳材料，该美国专利申请通过该引用以其整体并入。然而，任何合适的碳材料都可以与硅材料混合。
65.任选的添加剂300起到改变混合物和/或衍生自该混合物的膜的一种或更多种性质的作用。混合物性质的实例包括：粘度、沸点、传导率(例如，电子传导率、热传导率(thermal conductivity)等)、溶解度(例如，硅材料的溶解度，诸如粘结剂的其他添加剂的溶解度，包覆层材料的溶解度等)、稳定性(例如，材料保持悬浮的时间量、对化学反应的稳定性等)，和/或浆料的其他性质。膜性质的实例包括：膜对表面的粘附性(adhesion)、膜反应性、膜传导率(例如，电子传导率、热传导率、离子传导率等)、膜稳定性(例如，对化学反应的抗性)、膜厚度(例如，最大膜厚度、最小膜厚度等)、性能性质(performance property)(例如，循环性(cyclability)、能量密度、电容等)，和/或任何合适的性质。添加剂的实例包括：粘结剂(例如，粘合剂)、导电材料、稳定剂、交联剂、催化剂、审核剂(auditor)(例如，亲水性审核剂、疏水性审核剂等，其可以起到对混合物的疏水性或亲水性进行测量、监控、调
节等作用)、抗氧化剂、电解质、金属化材料(metalizing material)、绝缘材料、半导体材料和/或任何合适的材料。
66.添加剂优选地是弹性的，但可以是刚性的、半刚性的和/或具有任何合适的机械性质。添加剂优选地是离子导电的(例如，能够以至少0.1ms/cm的离子传导率传输诸如li
+
的离子)，但是可以促进离子的扩散，是离子绝缘的(例如，抑制或减慢离子传导，具有小于约0.1ms/cm的离子传导率)，和/或具有任何合适的离子传导率。
67.硅材料和添加剂优选地基本上均质地混合，但可以非均质地混合。添加剂可以包覆硅材料(和/或其包覆层)，包覆硅材料的一部分，可以被附接到硅材料(例如，经由化学键、经由物理粘附、经由范德华力等)，和/或可以以其他方式与硅材料混合。
68.硅材料与添加剂的比(例如，质量比、体积比、化学计量比等)可以是在约1份硅材料比10份添加剂和10份硅材料比1份添加剂之间的任何值或范围。例如，硅混合物可以包含在约10％和80％之间的硅材料和在约5％和85％之间的添加剂。然而，硅材料与添加剂的比可以是1份硅材料比大于10份添加剂、大于10份硅材料比1份添加剂、和/或任何合适的比。
69.粘结剂350优选地起到将硅材料联接到包覆层(例如，将硅材料结合到包覆层、在硅材料和包覆层之间产生保持力，等等)的作用(如例如图3中所示)，但是可以另外地或可选择地起到将硅材料联接到表面(例如，基底、电池表面、阴极、阳极等)的作用，和/或可以以其他方式起作用。粘结剂可以包含有机材料和/或无机材料。粘结剂的实例包括：羧甲基纤维素(cmc)、苯乙烯-丁二烯橡胶(sbr)、聚(丙烯酸)(paa)、海藻酸钠(sa)、聚偏氟乙烯(pvdf)、聚苯胺(pani)、聚(9,9-二辛基芴-共芴酮-共-甲基苯甲酸酯)(pfm)、聚四氟乙烯(ptfe)、聚(环氧乙烷)(peo)、聚乙烯醇(pva)、聚丙烯腈(pan)、羧甲基壳聚糖钠(ccts)、聚(3,4-亚乙基二氧基噻吩)-聚苯乙烯磺酸盐(pedot:pss)、3,4-亚丙基二氧基噻吩(prodot)、盐酸多巴胺、聚轮烷(polyrotaxane)、聚噻吩、其组合和/或任何合适的粘结剂。
70.在一些变型中，粘结剂可以与硅材料上的包覆层相同(例如，可以是与硅材料上的包覆层相同的材料)。在这些变型中，包覆层可以用作粘结剂，粘结剂可以在硅材料上形成包覆层，可以使用单独的包覆层和粘结剂，和/或可以以其他方式使用包覆层和粘结剂。
71.导电材料优选地起到确保硅材料的膜具有基本上均匀的电子传导率的作用，但可以以其他方式起作用。例如，可以添加导电材料以将硅膜的电子传导率改变为至少约10,000西门子/米(s*m-1
)，可以将硅膜的电阻率改变为至多约10-4
ωm，等等，和/或可以以其他方式改变硅膜和/或硅混合物的电性质。
72.导电材料优选地包括碳质材料(例如，有机碳、无机碳、纳米碳、聚合物、有机金属等)，但可以另外地或可选择地包括无机材料(例如，非碳质材料、金属、半金属、半导体等)。导电材料的实例包括：碳超级p、乙炔黑、炭黑(例如，c45、c65等)、中间相碳微球(mcmb)、石墨烯、碳纳米管(cnt)(例如，单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、半导电的碳纳米管、金属碳纳米管等)、还原的氧化石墨烯、石墨、富勒烯、聚合物、其组合，和/或任何合适的材料。
73.在一些变型中，导电材料可以与硅材料和/或粘结剂上的包覆层相同(例如，可以是与硅材料和/或粘结剂上的包覆层相同的材料)。在这些变型中，包覆层可以用作导电材料，导电材料可以在硅材料上形成包覆层，可以使用单独的包覆层和导电材料，粘结剂可以用作导电材料，导电材料可以用作粘结剂，可以使用单独的粘结剂和导电材料，和/或粘结剂、包覆层和导电材料可以以其他方式相关联。
74.在具体实例中，硅材料可以包括以约6:1的比的石墨和炭黑(例如，c65)。然而，可以使用任何合适的导电材料和/或以任何合适的比使用(例如，在上文的具体实例中，石墨与炭黑比可以是在10:1至1:10之间的任何比)。
75.在一些实施方案中，系统内的一种或更多种材料可能经历脆化(例如，开裂)，表现出非理想的(例如，差的、不足的等)粘附性，和/或可能经历其他有害的性质或作用。作为说明性的实例，pan包覆的硅颗粒(特别是当pan被环化时)可能表现出开裂、脆化和/或对基底的差的粘附性。一种或更多种添加剂(特别地，但不排他地，稳定剂、催化剂和/或交联剂)可以被添加到硅混合物中以减轻(例如，最小化、防止、降低等)有害的性质或作用。例如，可以引入多元醇(例如，聚碳酸酯二醇(polycarbonatediol)诸如duranol
tm
；聚乙二醇；聚四氢呋喃；羟基封端的聚丁二烯；聚己内酯多元醇、多硫化物多元醇，等等)、异氰酸酯(例如，脂族二异氰酸酯诸如六亚甲基二异氰酸酯(hdi)；脂环族二异氰酸酯诸如异佛尔酮二异氰酸酯(ipdi)、4,4'-二异氰酸酯亚甲基二环己烷(4,4'-diisocyanate methylenedicyclohexane)(hmdi)等；芳族二异氰酸酯诸如甲苯二异氰酸酯(tdi)、亚甲基二苯基二异氰酸酯(mdi)等；等等)、催化剂(例如，金属皂诸如二月桂酸二丁基锡(dbtdl)、二辛酸二丁基锡等；胺诸如三亚乙基二胺、二甲基环己胺、二甲基乙醇胺、双-(2-二甲基氨基乙基)醚等；氧化物；硫醇盐；等等)和/或任何合适的添加剂(例如以形成聚氨酯，形成聚酯，以使聚合物包覆层交联、以形成粘结剂，等等)。这些添加剂通常以相对小的百分比诸如小于约5％(例如，按重量计、按质量计、按体积计、按化学计量计等)被添加(例如，在收缩或材料损失之前被添加)，但是可以以任何合适的百分比(例如，大于5％)被添加。作为说明性实例，硅材料(例如，干燥的材料)可以包含约70％的硅、约30％的pan(例如，在环化期间的材料损失或减少之前，其中可以损失高达一半的材料)，并且可以包含约1％-2％的聚氨酯(和/或因此起始产物)。在该说明性实例的变型中，诸如在收缩或pan的损失之后，硅材料(例如，干的硅材料)的组成可以是约80％的硅、约17％的pan(例如，环化的pan)以及约3％的聚氨酯。
76.在第一说明性实例中，包覆的硅材料可以包含约75％的硅(例如，70％-80％的硅)、约10％的导电材料(例如，石墨、c65等；诸如5％-15％)以及约15％的聚合物(例如，paa、cmc、sbr、pan等；诸如10％-20％)，其中百分比可以指的是质量百分比、体积百分比、化学计量百分比、纯度百分比和/或任何合适的百分比。
77.在第二说明性实例中，包覆的硅材料可以包含约70％的硅(例如，65％-75％的硅)以及约30％的聚合物(例如，paa、cmc、sbr、pan等；诸如25％-35％)，其中百分比可以指的是质量百分比、体积百分比、化学计量百分比、纯度百分比和/或任何合适的百分比。在该具体实例的变型中，聚合物可以被环化、经历收缩和/或可以以其他方式被改性。这种改性可以将材料的相对组成改变为接近约85％的硅和约15％的聚合物(例如，约2x的改性)，和/或可以以其他方式改变硅材料的相对组成。
78.在第三说明性实例中，包覆的硅材料可以包含约85％的硅(例如，80％-90％的硅)、约15％的石墨碳(例如，10％-20％)以及约2.5％的c65(例如，0％-5％)，其中百分比可以指的是质量百分比、体积百分比、化学计量百分比、纯度百分比和/或任何合适的百分比。
79.在第四说明性实例中，包覆的硅材料可以包含约75％的硅(例如，70％-80％的硅)、约12.5％的石墨(例如，10％-15％)、约5％的聚合物(例如，paa、cmc、sbr、pan等；诸如
2.5％-10％)以及约5％的导电材料(例如，c65、炭黑等；诸如2.5％-10％)；其中百分比可以指的是质量百分比、体积百分比、化学计量百分比、纯度百分比和/或任何合适的百分比。
80.在上文的说明性实例的变型中，掺杂剂优选地被包含在硅百分比中(例如，75％的硅指的是被视为整体的硅颗粒的百分比)。然而，硅的百分比可以指的是硅纯度(例如，其中掺杂剂可以以例如碳浓度被包含)，和/或硅浓度和/或掺杂剂浓度可以以其他方式被考虑。
81.然而，硅材料可以包含任何合适的材料。
82.4.方法
83.如例如图4中所示，用于制造和/或加工硅材料的方法可以包括：任选地将二氧化硅前体还原s100，包覆硅材料s200，任选地活化包覆层s300，和/或任何合适的步骤和/或工艺。该方法优选地起到包覆硅材料(例如，以制备如上文描述的硅材料)的作用，但是可以另外地或可选择地起到产生硅材料，活化包覆层，改变包覆层性质以获得目标性质，使硅材料改性以获得目标性质(例如，表面积、电子传导率、离子传导率等)的作用，和/或可以以其他方式起作用。
84.该方法和/或其步骤可以在单个室(例如，炉、烘箱等)和/或在多于一个室(例如，用于每个步骤或子步骤的不同的室、加热室、包覆室、研磨室、洗涤室等)中进行。该方法可以以实验室规模(例如，微克、毫克、克规模，诸如在约1μg和999g之间，等等)、制造规模(例如，千克、兆克等，诸如在约1kg和999mg之间)和/或任何合适的规模进行。
85.在一些变型中，该方法可以对二氧化硅前体进行加工以形成硅材料。在这些变型中，二氧化硅通常在包覆之前被还原成硅(例如，根据s100)。然而，二氧化硅可以在它被还原之前和/或在它被还原的同时被包覆。另外地或可选择地，该方法可以产生经包覆的二氧化硅材料。二氧化硅前体的实例包括：废二氧化硅(例如，作为来自另一工艺的副产物诸如废物、残余物等产生的二氧化硅，来自硅纯化工艺的二氧化硅；在用于太阳能、半导体等的硅生产期间产生的二氧化硅；将以其他方式被处置掉的二氧化硅；等)、再循环的二氧化硅(例如，在不同用途之后再循环或重新改变用途的二氧化硅)、原始二氧化硅(例如，新制造的二氧化硅)和/或任何合适的二氧化硅起始材料。示例性的二氧化硅起始材料(例如，二氧化硅前体)包括：溶胶-凝胶二氧化硅(例如，根据方法制备的二氧化硅)、二氧化硅微硅粉(fume silica)、硅藻、玻璃、石英、热解法二氧化硅、硅灰、cabosil热解法二氧化硅、aerosil热解法二氧化硅、sipernat二氧化硅、沉淀二氧化硅、硅胶、二氧化硅气凝胶、分解的硅胶、二氧化硅珠、硅砂和/或任何合适的二氧化硅材料。
86.另外地或可选择地，该方法可以加工硅(例如，硅颗粒、如在2020年11月13日提交的标题为“porous silicon manufactured from fumed silica”的美国专利申请第17/097,814号、2021年11月12日提交的标题为“silicon material and method of manufacture”的美国专利申请第17/525,769号、和/或2021年5月25日提交的标题为“silicon material and method of manufacture”的美国临时申请63/192,688中公开的硅材料，这些申请中的每一个都通过该引用以其整体并入)和/或任何合适的包含硅的材料。在具体实例中，该方法可以使用高纯度硅材料(例如，具有至少90％ si纯度诸如95％、97％、98％、99％、99.5％、99.9％、99.99％、99.995％、99.999％、其间的值等的硅材料；具有至多约1％、0.5％、0.1％、0.05％、0.01％、0.005％、0.001％等的铝、钙、铁、钛、氧和/或其他杂质或夹杂物的硅材料)来进行。在第一具体实例的变型中，硅材料可以包含低于
100nm的(sub-100nm)硅颗粒。在第一具体实例的第二变型中，硅材料可以包含100nm至100μm的硅颗粒(例如，0.3μm的纳米颗粒、2μm-5μm的颗粒、1μm-5μm的颗粒、0μm-5μm的颗粒、0μm-10μm的颗粒、0μm-20μm的颗粒等；其可以通过研磨、共焊接(co-weld)、熔合、退火等制造，较小的硅颗粒诸如10nm至1μm的颗粒)。在第三具体实例中，硅材料可以包含具有窄尺寸分布的硅颗粒(诸如，具有是
±
100nm、
±
200nm、
±
500nm、
±
1μm等的尺寸分布的3μm的颗粒；具有是
±
100nm、
±
200nm、
±
500nm、
±
750nm、
±
1μm等的尺寸分布的3.5μm的颗粒；具有是
±
100nm、
±
500nm、
±
1μm、
±
2μm、
±
3μm等的尺寸分布的5μm的颗粒；具有是
±
100nm、
±
500nm、
±
1μm、
±
3μm、
±
5μm、
±
7.5μm等的尺寸分布的10μm的颗粒；相对于颗粒的平均尺寸或其他特征尺寸具有
±
0.1％、
±
0.5％、
±
1％、
±
2％、
±
3％、
±
4％、
±
5％、
±
10％、
±
20％、其间的值或范围、《0.1％等的方差或偏差的颗粒；等等)。然而，硅颗粒可以具有大的尺寸分布(例如，其中，该分布可以随着较小的颗粒在使用期间聚集、成簇、团聚、降解等而在材料的操作或使用期间变得较小)和/或任何合适的尺寸分布。在该具体实例中，硅颗粒可以是实心的、中空的、多孔的和/或具有任何合适的形态。在该具体实例中，硅材料可以具有大的表面粗糙度(例如，是
±
100nm、
±
200nm、
±
500nm、
±
1μm、
±
2μm、
±
5μm、
±
10μm、
±
50μm、其间的值或范围等的特征)、小的表面粗糙度(例如，小于约100nm的特征)和/或任何合适的特征尺寸。然而，在该方法中可以制备和/或使用任何合适的材料。
87.将二氧化硅前体还原s100优选地起到将二氧化硅前体还原成硅材料的作用。二氧化硅前体可以完全地或部分地被还原成硅。例如，所得到的硅材料可以包含在约0％-20％之间的氧含量(例如，其中剩余物可以包括碳、硅等)。二氧化硅前体可以在炉、烘箱、密封室、桶中和/或在任何合适的容器中被还原。二氧化硅可以在惰性气氛(例如，按照压力、质量、体积、组成等95％或更多的氮、氦、氖、氩、氪、氙、co2、其组合等)中、在还原环境(例如，氢气)中、在氧化环境(例如，以去除或氧化杂质，氧化成不同于硅的物质，等)中和/或在任何合适的环境中被还原。
88.如例如图6中所示，将二氧化硅前体还原可以包括：对二氧化硅前体进行纯化s110，将二氧化硅暴露于反应改性剂(reaction modifier)s120，对二氧化硅和反应改性剂的混合物进行纯化s130，将二氧化硅粉碎s140，将二氧化硅还原成硅s150，对硅进行纯化s160，对硅进行加工s170，和/或任何合适的步骤或工艺。
89.作为说明性实例，将二氧化硅前体还原可以包括：任选地将二氧化硅前体与盐(例如氯化钠)混合，将二氧化硅前体与还原材料(例如镁、铝等)混合(例如搅动、研磨、粉碎等)，以及将二氧化硅前体加热至还原温度(例如500℃、600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃、1200℃、其间的温度等)持续1小时-24小时之间。在该说明性实例的变型中，在将二氧化硅前体加热至还原温度之前，可以将二氧化硅前体加热至一个或更多个中间温度(例如，低于还原温度的温度；200℃、250℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、其间的值等；等等)持续一定的时间量(例如，30分钟至24小时)。二氧化硅前体和/或所得到的硅可以使用溶剂(例如，水、醇、醚等)、酸(例如，hcl、hf、hbr、hi、hno3、h2so4等)、碱(例如，碱金属氢氧化物、碱土金属氢氧化物等)、表面活性剂(例如，皂)和/或使用任何合适的材料来洗涤。二氧化硅前体和/或所得到的硅可以诸如以在约1rpm-2500rpm之间(例如，500rpm、600rpm、700rpm、800rpm、900rpm、1000rpm、1500rpm、2000rpm等)的研磨速度研磨(例如，使用球磨机研磨)持续约30分钟和24小时之间(例如，1小时、2小时、3小时、4小时、6小时、8小时、10小时、12小
时、15小时、18小时、20小时、24小时、其间的值或范围等)。在该说明性实例的变型中，硅起始材料可以以类似于二氧化硅和/或来自还原的二氧化硅的硅的方式被加工(例如，洗涤、研磨等)。然而，二氧化硅前体可以以其他方式被还原。
90.包覆硅材料s200起到包覆硅材料(例如，来自s100的硅材料、硅前体、硅起始材料等)的作用。硅材料优选地被包覆有如上文描述的材料，但是另外地或可选择地被包覆有任何合适的材料。例如，硅可以被包覆有碳质材料(例如，聚合物、石墨、石墨烯、碳纳米管、碳纳米线、富勒烯、炭黑等)、聚合物材料(例如，聚合物锂)和/或任何合适的材料。包覆层性质(例如，包覆层厚度、包覆层均质性、电子性质、离子传输等)可以依赖于和/或独立于包覆层参数(例如，包覆层起始材料、包覆时间、包覆温度、包覆压力、包覆气氛等)。硅材料可以在与二氧化硅在其中被还原的相同和/或不同的室(例如，真空室)或容器(例如，炉)中被包覆。
91.硅材料可以在开放的环境或封闭的环境中被包覆。封闭的环境的实例包括：烘箱、炉(例如，管式炉、带式炉等)、室(例如，沉积室、溅射室等)，和/或可以使用任何合适的封闭环境。硅材料优选地在容积在约1l至500l之间的室(例如，封闭的环境)中被包覆，但是可以在容积小于1l或大于500l的室中被包覆。封闭的室可以包括一个进料端口或多于一个进料端口，其中进料端口起到将包覆前体和/或硅材料注入到包覆环境中的作用。包覆环境可以是惰性气氛、还原气氛和/或氧化气氛。
92.包覆时间(例如，用于包覆的总时间；硅材料和/或包覆剂被维持在包覆温度、包覆压力等的时间；等等)可以是在约30分钟和24小时之间(例如，1小时、2小时、4小时、6小时、8小时、12小时、15小时、18小时、24小时等)、小于30分钟和/或大于24小时的任何时间量。
93.包覆剂470(例如，包覆试剂)可以包括：甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、丙烷、丙烯、丙炔、丁烷、丁烯、丁炔、碳、聚合物、单体(例如，可以形成目标聚合物的一种或更多种单体)、低聚物和/或任何合适的剂。
94.包覆硅材料可以包括：原位包覆层形成(例如，原位聚合)、聚合(例如，溶胶-凝胶聚合、逐步生长聚合、链生长聚合、光聚合、等离子体聚合、自由基聚合等)、沉积(例如，化学气相沉积、原子层沉积、物理气相沉积、等离子体增强化学气相沉积等)、还原或分解(例如，聚合物的热分解、有机材料的热分解、化学分解等)，将硅材料暴露于一种或更多种包覆试剂，和/或可以使用任何合适的包覆方法。
95.硅材料优选地在包覆期间被搅动，这可以起到改善包覆层的均匀性(例如，均质性)的作用。然而，硅材料可以是静止的，和/或以其他方式处于运动中。硅材料可以连续地、间歇地、周期性地、以预定的时间、采用预定的频率、随机地、响应于输入和/或采用任何合适的定时被搅动。硅材料可以手动地或自动地被搅动。硅材料优选地以湍流方式被搅动(例如，使得硅的多个表面在搅动期间变成暴露的)，但是可以以一致的方式(consistent manner)被搅动(例如，使得硅材料的共同表面以预定的方式、模式等被暴露)和/或可以以其他方式被搅动。硅材料可以通过搅动器、通过移动或调整包覆室来搅动，和/或可以以其他方式搅动。搅动器的实例包括叶片(例如，线性叶片、螺旋叶片等)、磁力搅拌器、十字形搅拌器(cross-stirrer)、涡流混合器、滚筒式混合器(drum mixer)、摇动器，和/或可以使用任何合适的搅动器。在说明性实例中，如图5中所示的，硅材料可以在炉400(例如，管式炉)中被包覆，其中该炉包括一组叶片450(例如，1个叶片、2个叶片、3个叶片、4个叶片、10个叶
片、20个叶片、其间的多个叶片、》20个叶片等)，当管式炉旋转时，该组叶片450搅动硅材料。叶片可以被布置成平行于参考轴线(例如，炉的旋转轴线，纵向轴线或横向轴线等)、垂直于参考轴线，和/或以任何角度与该参考轴线相交。然而，硅材料可以以其他方式被搅动。
96.在一些变型中，硅材料的掺杂剂可以导致(例如，促进)更加均质的包覆层。在说明性实例中，碳掺杂剂(特别是在颗粒表面附近的掺杂剂)可以充当包覆层生长位点(其中包覆层生长然后可以从生长位点传播)。在另一个说明性实例中，非均质的掺杂剂分布可以导致非均质的包覆层(例如，其中包覆层可以与掺杂剂分布部分地匹配)。在另一个说明性实例中，碳掺杂剂可以扩散到硅材料的表面(例如，靠近硅材料的表面，在硅材料的表面的阈值距离内等)，这可以促进共形的(例如，均匀的、均质的等)碳包覆层(例如，具有石墨烯、石墨、无定形碳等)。
97.在第一说明性实例中，硅材料可以通过以下步骤被包覆：将一种或更多种聚合物前体(例如，单体，诸如植酸和用于ppy的吡咯)和硅材料在溶剂(例如异丙醇)中混合(例如搅拌、超声处理等)；将引发剂(例如，自由基发生剂(radical generator)、氧化剂、还原剂等；诸如过硫酸铵(aps))溶解在溶剂(例如水)中；将前体/硅材料溶液和引发剂溶液混合持续1小时-24小时之间(例如，在室温或接近室温，诸如0℃-50℃)；洗涤(例如，用水稀释并且离心以收集材料)所得到的产物，直到所得到的产物(例如，聚合物包覆的硅材料)是中性的。例如，聚合物前体的比(例如，摩尔比)可以是0.5:1:1的植酸:吡咯:aps。所得到的产物可以在40℃和80℃之间的温度的真空烘箱中被干燥持续1小时至24小时之间。
98.在第二说明性实例中，硅材料可以通过以下步骤被包覆：将聚合物(例如，pan)和硅材料在溶剂(例如，n,n-二甲基甲酰胺(dmf))中混合(例如，搅拌、超声处理等)；使溶剂从混合物中蒸发(例如，加热至60℃-100℃之间的温度，使用真空，喷射(sparging)等)；将所得到的复合物(干燥的聚合物/硅混合物)加热到在200℃-400℃之间的温度(例如，以约5℃/min的斜升速率(ramp rate))并且将该复合物维持在该温度持续1小时和24小时之间；以及粉碎(例如，球磨)最终产物。聚合物与硅材料的比(例如重量比)可以是3:7。
99.在如例如图10中所示的第三具体实例中，聚合物包覆的硅材料可以被加热(例如，在惰性气氛中、在还原气氛中等)到在约600℃-1100℃之间的温度，以使聚合物碳化(例如，将聚合物还原、转化为碳)。
100.在如例如图8中所示的第四具体实例中，硅材料可以在流量在100标准立方厘米每分钟(sccm)-5000slm(标准升每分钟)之间的氩气和任选地流量在10sccm-5000slm之间的氢气(h2)下被加热到约500℃和1200℃之间。压力可以被维持在约10托-720托之间。乙炔(c2h2)、乙烯(c2h4)、乙烷(c2h6)和/或甲烷(ch4)(例如，标准等级、半导体等级等)可以以在100sccm-5000slm之间的流量被引入，可以被引入持续20分钟和90分钟之间。
101.在第五具体实例中，硅材料可以在流量在10sccm-5000slm之间的氩气和流量在10sccm-5000slm之间的氢气(h2)下被加热到约500℃和1200℃之间。压力可以被维持在约500托-750托之间。乙炔(c2h2)、乙烯(c2h4)、乙烷(c2h6)和/或甲烷(ch4)可以以在10sccm-5000slm之间的流量被引入，可以被引入持续15分钟和30分钟之间，以碳包覆(或碳负载)硅。
102.在第六具体实例中，硅材料可以通过以下被包覆
103.在如例如图7或图11中所示的第七具体实例中，可以(例如，依次地、同步地
(simultaneously)、伴随地(concurrently)、同时地(contemporaneously)，等)进行两种或更多种包覆方法(例如，前面的实例中的两种或更多种)，以以产生具有两个或更多个包覆层(和/或以两种或更多种方式产生的单个包覆层，这可以有益于实现目标负载量、包覆层均匀性、包覆层性质等)的硅材料。
104.对包覆层进行改性s300优选地起到使包覆层改性以改善包覆层性质(例如，机械稳定性、弹性、热稳定性、脆性、电子传导率、离子传导率等)的作用。可以在硅材料被包覆之前、期间和/或之后对包覆层进行改性。包覆层可以在与用于包覆硅材料的室相同的室(例如，环境)和/或不同的室中被改性。
105.包覆层可以被热改性、使用压力改性、光学地改性、使用一种或更多种化学试剂改性和/或以任何方式被改性(例如，被活化、被环化、被增强等)。
106.在具体实例中，包覆层(例如，设置在硅材料上的包覆层)可以被转化成不同的形式。例如，聚丙烯腈(pan)包覆层可以通过热分解被转化成环化的形式。热分解优选地但不排他地在惰性气氛中进行。热分解可以在50℃-500℃之间的温度(例如，50℃、100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、400℃、450℃、500℃、其间的值和/或范围等)、在低于50℃的温度和/或在高于500℃的温度进行。热分解可以进行持续(例如，温度可以被维持持续)1小时-24小时之间(例如，1小时、2小时、4小时、6小时、8小时、12小时、15小时、18小时、24小时、其间的值或范围等)、小于1小时和/或大于24小时。
107.然而，包覆层可以以其他方式被改性。
108.系统和/或方法的实施方案可以包括多种系统部件和多种方法工艺的每种组合和排列，其中本文描述的方法和/或工艺的一个或更多个实例可以通过和/或使用本文描述的系统、元件和/或实体的一个或更多个实例来异步地(例如，依次地)、伴随地(例如，平行地)或以任何其他合适的顺序进行。
109.如本领域技术人员将从先前的详细描述以及从附图和权利要求中认识到的，可以在不偏离在所附权利要求中限定的本发明的范围的情况下对本发明的优选的实施方案进行修改和改变。