热解电极的方法和装置与流程

背景技术：

锂离子电池组包括一类可充电电池组，其中锂离子在负极（即阳极）和正极（即阴极）之间移动。液体、固体和聚合物电解质可以促进锂离子在阳极和阴极之间的移动。锂离子电池组由于其高能量密度和能够经受连续充放电循环的能力，在机动车、航空航天和手持工具应用中越来越受欢迎。

技术实现要素：

本公开描述了一种电极热处理装置以及相关的电极制备方法，并且该方法包括形成工件，包括用浆料涂覆集电器。将工件放置在第一卷轴上，然后将包括工件的第一卷轴放置在可密封室中，其中，可密封室包括第一卷轴、热交换工作空间和第二卷轴。在可密封室中创建惰性环境。在惰性环境中对工件进行多步骤连续热处理操作，其中，多步骤连续热处理操作包括连续地传送工件通过第一卷轴和第二卷轴之间的热交换工作空间并控制热交换工作空间至高温。

本公开的一个方面包括：从第一卷轴到第二卷轴连续地传送工件通过热交换工作空间，并且将热交换工作空间控制到第一高温持续第一时间段，然后从第二卷轴到第一卷轴连续地传送工件通过热交换工作空间并将热交换工作空间控制到第二高温持续第二时间段，其中第二温度大于第一温度。

本公开的另一方面包括：第一温度和第一时间段与时间-温度关系相关联以实现工件中的化学反应。

本公开的另一方面包括：当涂料包含由聚丙烯腈或聚酰亚胺制成的聚合物粘合剂时，实现工件中的化学反应的时间-温度关系为在180℃至400℃之间的第一温度持续60分钟。

本公开的另一方面包括：第二温度和第二时间段与时间-温度关系相关联以实现工件的碳化。

本公开的另一方面包括：当涂料包含聚合物粘合剂时，实现工件的碳化的时间-温度关系为在450℃至750℃之间的第二温度持续至少60分钟。

本公开的另一方面包括：将工件布置为片材。

本公开的另一方面包括：在惰性环境下对工件进行多步骤连续热处理操作之后，将工件分成多个电极元件。

本公开的另一方面包括：在惰性环境中对工件进行多步骤连续热处理操作之前，对工件进行干燥处理。

本公开的另一方面包括：干燥处理包括80℃和150℃之间的温度环境。

本公开的另一方面包括：通过首先抽空可密封室，然后使加压的氮气流入可密封室中而在可密封室中创建惰性环境，同时在该惰性环境中对工件进行多步骤连续热处理操作。

本公开的另一方面包括：浆料包含硅颗粒、聚合物粘合剂和碳纤维。

具体地说，本发明涉及以下项。

1.一种电极的制备方法，包括：

形成工件，包括用浆料涂覆集电器；

将工件放置在第一卷轴上；

将包括工件的第一卷轴放置在可密封室中，其中，可密封室包括第一卷轴、热交换工作空间和第二卷轴；

在可密封室内创建惰性环境；和

在惰性环境中对工件进行多步骤连续热处理操作；

其中，多步骤连续热处理操作包括连续地传送工件通过第一卷轴和第二卷轴之间的热交换工作空间并控制热交换工作空间至高温。

2.根据第1项所述的方法，其中，浆料包含硅颗粒、聚合物粘合剂和碳纤维。

3.根据第1项所述的方法，其中，连续地传送工件通过第一卷轴和第二卷轴之间的热交换工作空间并控制热交换工作空间至高温包括：从第一卷轴到第二卷轴连续地传送工件通过热交换工作空间，并且将热交换工作空间控制到第一高温持续第一时间段；然后

从第二卷轴到第一卷轴连续地传送工件通过热交换工作空间，并且将热交换工作空间控制到第二高温持续第二时间段；

其中第二高温大于第一高温。

4.根据第3项所述的方法，其中，第一高温和第一时间段与时间-温度关系相关联以实现工件中的化学反应。

5.根据第4项所述的方法，其中，当涂料包含由聚丙烯腈制成的聚合物粘合剂时，实现工件中的化学反应的时间-温度关系包括在180℃至400℃之间的第一温度范围持续15至180分钟的时间段。

6.根据第3项所述的方法，其中，第二高温和第二时间段与时间-温度关系相关联以实现工件的碳化。

7.根据第3项所述的方法，其中，当涂料包含由聚丙烯腈制成的聚合物粘合剂时，实现工件的碳化的时间-温度关系包括在450℃至750℃之间的第二温度范围持续至少30分钟。

8.根据第1项所述的方法，其中，连续地传送工件通过第一卷轴和第二卷轴之间的热交换工作空间并控制热交换工作空间至高温包括：

从第一卷轴到第二卷轴连续地传送工件通过热交换工作空间；

控制热交换工作空间的第一区域到第一高温持续第一时间段；和

控制热交换工作空间的第二区域到第二高温持续第二时间段；

其中第二高温大于第一高温。

9.根据第8项所述的方法，其中，第一高温和第一时间段与时间-温度关系相关联以实现工件中的化学反应，以及其中，第二高温和第二时间段与时间-温度关系相关联以实现工件的碳化。

10.根据第1项所述的方法，其中，工件被布置为片材。

11.根据第1项所述的方法，其还包括：在惰性环境下对工件进行多步骤连续热处理操作之后，将工件分成多个电极元件。

12.根据第1项所述的方法，其还包括：在惰性环境下对工件进行多步骤连续热处理操作之前，对所述工件进行干燥处理。

13.根据第12项所述的方法，其中，所述干燥处理包括使工件经受在60℃至150℃之间的范围内的温度环境。

14.根据第1项所述的方法，其中，在可密封室内创建惰性环境包括：首先抽空可密封室，然后使加压的氮气流入可密封室中，与此同时在该惰性环境中对工件进行多步骤连续热处理操作。

15.一种电极热处理装置，包括：

第一和第二卷轴壳体；

热交换工作空间，其介于第一和第二卷轴壳体之间，其中，热交换工作空间与第一和第二卷轴壳体形成可密封室；

炉，其布置成环绕热交换工作空间以向其传递热量；

第一卷轴壳体流体地连接到真空泵和容纳加压惰性气体的容器；和

第二卷轴壳体流体地连接到大气出口；

其中，第一卷轴壳体包括第一卷轴；

其中，第二卷轴壳体包括第二卷轴；和

其中，所述电极热处理装置是可控的，以在惰性环境下对通过用浆料涂覆集电器而形成的工件进行多步连续热处理操作，所述多步连续热处理操作包括：

将工件放置在第一卷轴上；

将包括工件的第一卷轴放置在可密封室中，其中，可密封室包括第一卷轴、热交换工作空间和第二卷轴；

在可密封室内创建惰性环境；和

连续地传送工件通过第一卷轴和第二卷轴之间的热交换工作空间并控制热交换工作空间至高温。

16.根据第15项所述的电极热处理装置，其中，连续地传送工件通过第一卷轴和第二卷轴之间的热交换工作空间并控制热交换工作空间至高温包括：

从第一卷轴到第二卷轴连续地传送工件通过热交换工作空间，并且将热交换工作空间控制到第一高温持续第一时间段；然后

从第二卷轴到第一卷轴连续地传送工件通过热交换工作空间，并且将热交换工作空间控制到第二高温持续第二时间段；

其中第二高温大于第一高温。

17.根据第15项所述的电极热处理装置，其中，布置成环绕热交换工作空间以向其传递热量的炉包括在第一高温下操作的第一部分和在第二高温下操作的第二部分，以及

其中，连续地传送工件通过第一卷轴和第二卷轴之间的热交换工作空间并控制热交换工作空间至高温包括：

从第一卷轴到第二卷轴连续地传送工件通过热交换工作空间；

控制炉的第一部分到第一高温持续第一时间段；和

控制炉的第二部分到第二高温持续第二时间段；

其中第二高温大于第一高温。

18.根据第17项所述的电极热处理装置，其中，第一高温和第一时间段与时间-温度关系相关联以实现工件中的化学反应，以及其中，第二高温和第二时间段与时间-温度关系相关联以实现工件的碳化。

19.根据第15项所述的电极热处理装置，其中，在可密封室内创建惰性环境包括：首先抽空可密封室，然后使加压的氮气流入可密封室中，与此同时在该惰性环境中对工件进行多步骤连续热处理操作。

当结合附图时，从以下对用于实施本教导的一些最佳模式和其他实施方案的详细描述，本教导的以上特征和优点以及其他特征和优点将显而易见，本教导如所附权利要求书所定义。

附图说明

现在将参考附图通过示例的方式描述一个或多个实施方案，其中：

图1示意性地示出了根据本公开的锂电池组电池，其包括阳极、阴极、电解质和隔膜。

图2示意性地示出了根据本公开的用于制备电极和电池组电池的方法。

图3图示了根据本公开的热解阳极的截面侧视图。

图4示意性地示出了根据本公开的用于以连续方式对工件进行热处理的呈电极热处理装置形式的设备的第一实施方案。

图5示意性地示出了根据本公开的用于以连续方式对工件进行热处理的呈电极热处理装置形式的设备的第二实施方案。

附图不一定按比例缩放，并且可以呈现如本文所公开的本公开的各种优选特征的稍微简化的表示，包括例如特定的尺寸、方向、位置和形状。与此类特征相关的详细信息将部分由特定的预期应用和使用环境确定。

具体实施方式

如本文中所描述和说明的，所公开的实施方案的部件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下详细描述并非旨在限制所要求保护的本公开的范围，而仅是其可能实施方案的代表。另外，尽管在以下描述中阐述了许多具体细节以便提供对本文公开的实施方案的透彻理解，但是可以在没有这些细节中的一些的情况下实践一些实施方案。此外，为了清楚起见，没有详细描述在现有技术中熟知的某些技术材料，以避免不必要地模糊本公开。如本文所采用的，术语“上游”和相关术语是指相对于所指示的位置朝向流动流的起点的元件，而术语“下游”和相关术语是指相对于所指示的位置远离流动流的起点的元件。

本公开提供了用于制备包含硅基主体材料的电极和电池组电池的方法和相关设备。这些方法提供了高容量电极，其具有高机械强度，在第一形成循环期间不可逆容量损失最小，并且在长期循环期间具有改善的容量保持度。

图1示出了锂离子电池组电池10，其包含阳极11、阴极14、操作地设置在阳极11和阴极14之间的电解质17以及隔膜18。电池组电池10可用于多种应用中，包括作为用于混合动力或电动车辆的直流电源。阳极11、阴极14和电解质17可以封装在容器19中，容器19可以是例如硬（例如，金属）壳或软（例如，聚合物）包。阳极11和阴极14位于隔膜18的相对侧，所述隔膜18可以包含微孔聚合物或能够传导锂离子和任选电解质（即液体电解质）的另一材料。电解质17是包含溶解在非水溶剂中的一种或多种锂盐的液体电解质。阳极11通常包括集电器12和施加在其上的可以接受li⁺离子的主体材料13。阴极14通常包括集电器15和施加在其上的混合过渡金属基活性材料16。例如，如下文将描述的，电池组电池10可包含锂化的混合过渡金属氧化物活性材料16。例如，活性材料16可以以比主体材料13更高的电势存储锂离子。与两个电极相关联的集电器12和15通过可中断的外部电路连接，该外部电路允许电流通过所述电极之间以电平衡锂离子的相关迁移。尽管为了清楚起见，图1示意性地示出了主体材料13和活性材料16，但是主体材料13和活性材料16可以包括在阳极11和阴极14各自与电解质17之间的专用界面。

电池组电池10通常通过使锂离子在阳极11和阴极14之间可逆地通过来运行。li⁺离子在电池充电期间在阴极处被释放到电解质溶液中并被阳极接受。li⁺离子在电池放电期间在阳极处被释放到电解质溶液中并被阴极接受。同时，电子从释放li⁺离子的电极移动通过外部电路（其附接到电池组接线柱上）流向接受li⁺离子的电极。在放电开始时，阳极11含有高浓度的插层/合金化锂离子，而阴极14相对耗尽，并且在这种情况下，在阳极11和阴极14之间建立闭合的外部电路导致从阳极11提取出插层/合金化锂离子。锂离子被离子导电性电解质17携带通过隔膜18的微孔从阳极11移向阴极14，同时电子被传输通过外部电路从阳极11移向阴极14，以实现整体电中性。这种电子通过外部电路的流动可以被利用并馈送通过负载设备，直到负极中的插层/合金化锂的水平下降到低于可工作水平或对动力的需要停止。

电池组电池10可在其可用容量部分或全部放电后再充电。为了给锂离子电池组电池充电或重新供电，将外部电源（未显示）连接到正极和负极，以驱动电池的放电电化学反应的逆转。外部电源将电子提供给电池组的阳极，以使阳极必须接受li⁺离子才能满足电子中性。锂离子移动通过隔膜所含的电解质溶液，而电子被驱动通过外部电路，两者都移向阳极11。锂离子和电子最终在负极重新结合，从而为其补充插层/合金化锂，以备将来用于电池组电池的放电。

电池组电池10，或包括多个串联和/或并联连接的电池组电池10的电池模块或电池包，可用于可逆地向相关负载设备提供动力和能量。锂离子电池还可用于各种消费电子设备（例如笔记本电脑、照相机和手机/智能电话）、军用电子设备（例如无线电、地雷探测器和热武器）、飞机和卫星等。锂离子电池、电池模块和电池包可并入例如混合动力电动汽车（hev）、电池电动汽车（bev）、插电式hev或增程式电动汽车（erev）的车辆中，以产生足够的动力和能量来操作车辆的一个或多个系统。例如，电池组电池、电池模块和电池包可与汽油或柴油内燃机结合使用以推动车辆（例如在混合动力电动车辆中），或可单独用于推动车辆（例如在电池驱动车辆中）。

回到图1，例如在电池组电池10的充电或放电期间，电解质17在阳极11和阴极14之间传导锂离子。电解质17包含一种或多种溶剂，以及溶解在所述一种或多种溶剂中的一种或多种锂盐。合适的溶剂可包括环状碳酸酯（碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯、碳酸亚丁酯）、非环状碳酸酯（碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸乙基甲酯）、脂肪族羧酸酯（甲酸甲酯、乙酸甲酯、丙酸甲酯）、γ-内酯（γ-丁内酯、γ-戊内酯），链结构醚（1,3-二甲氧基丙烷、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（四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、1,3-二氧戊环）及其组合。可溶解于所述有机溶剂中以形成非水性液体电解质溶液的锂盐的非限制性列表包括liclo4、lialcl4、lii、libr、liscn、libf4、lib(c6h5)4、liasf6、licf3so3、lin(cf3so2)2、lin(fso2)2、lipf6及其混合物。

隔膜18是微孔聚合物隔膜，在一个实施方案中，其可包含聚烯烃。聚烯烃可以是均聚物（从单种单体成分衍生）或杂聚物（从多于一种单体成分衍生），可以是直链或支链的。如果使用由两种单体成分衍生的杂聚物，则聚烯烃可呈现共聚物链排列，包括嵌段共聚物或无规共聚物的链排列。如果聚烯烃是由多于两种单体成分衍生的杂聚物，情况也是如此。在一个实施方案中，聚烯烃可以是聚乙烯（pe）、聚丙烯（pp）或pe和pp的共混物。隔膜18还可以包含除聚烯烃之外的其它聚合物，例如但不限于聚对苯二甲酸乙二醇酯（pet）、聚偏二氟乙烯（pvdf）和/或聚酰胺（尼龙）。隔膜18可以任选地使用材料进行陶瓷涂覆，所述材料包括陶瓷型氧化铝（例如al2o3）和锂化的沸石型氧化物等中的一种或多种。锂化的沸石型氧化物可以提高锂离子电池组（如电池组电池10）的安全性和循环寿命性能。本领域技术人员无疑将知道和理解可由其来制备隔膜18的许多可用聚合物和商业产品，以及可用于生产隔膜18的许多制备方法。

活性材料16可以包含足以经受锂的插层和脱层同时起到用作电池组电池10的正极端的功能的锂基活性材料。活性材料16还可以包含聚合物粘合剂材料，以在结构上将锂基活性材料保持在一起。活性材料16可包含锂过渡金属氧化物（例如，层状锂过渡金属氧化物）或锂化的混合过渡金属氧化物材料。阴极集电器15可以包含铝或本领域技术人员已知的其它适当导电材料，并且可以形成箔状或网格状。导电材料可以额外地分散在主体材料13中。

可用作活性材料16的锂过渡金属氧化物可包括尖晶石锂锰氧化物（limn2o2）、锂钴氧化物（licoo2）、镍锰氧化物尖晶石（li(ni0.5mn0.5)o2）、层状镍锰钴氧化物（具有通式xli2mno3·(1-x)limo2，其中m由任一比例的镍、锰和/或钴组成）中的一种或多种。层状镍锰氧化物尖晶石的一个具体实例是xli2mno3·(1−x)li(ni1/3mn1/3co1/3)o2。其它锂基活性材料包括li(ni1/3mn1/3co1/3)o2)、linio2、lix+ymn2-yo4(lmo,0<x<1和0<y<0.1)或锂铁多阴离子氧化物，例如磷酸铁锂（lifepo4）或氟磷酸铁锂（li2fepo4f）。也可以使用其他锂基活性材料，例如linixm1-xo2（m由任一比例的al、co和/或mg组成），lini1-xco1-ymnx+yo2或limn1.5-xni0.5-ymx+yo4（m由任一比例的al、ti、cr和/或mg组成），稳定的锂锰氧化物尖晶石（lixmn2-ymyo4,，其中m由任一比例的al、ti、cr和/或mg组成），锂镍钴铝氧化物（例如lini0.8co0.15al0.05o2或nca），铝稳定的锂锰氧化物尖晶石（lixmn2-xalyo4），锂钒氧化物（liv2o5），li2msio4（m由任一比例的co、fe和/或mn组成），以及另一种高效镍锰钴材料（he-nmc，nmc或linimncoo2）。从而，例如，m可以是al，有或没有co和/或mg，或者所列元素的另一组合。在另一实例中，可在锂过渡金属基活性材料的一实例的晶格中进行阴离子取代以稳定晶体结构。例如，o原子可以被f原子取代。

粘合剂可包括聚偏二氟乙烯（pvdf）、聚环氧乙烷（peo）、三元乙丙（epdm）橡胶、羧甲基纤维素（cmc）、丁苯橡胶（sbr）、丁苯橡胶羧甲基纤维素（sbr-cmc）、聚丙烯酸（paa）、交联聚丙烯酸聚乙烯亚胺、聚酰亚胺，或本领域技术人员已知的另一粘合剂材料。其它粘合剂包括聚乙烯醇（pva）、海藻酸钠或其它水溶性粘合剂。聚合物粘合剂在结构上将锂化的混合过渡金属氧化物活性材料和导电填料保持在一起。导电填料的一个实例是高表面积碳，例如乙炔黑或活性炭。导电填料确保正极侧集电器26与锂化的混合过渡金属氧化物活性材料之间的电子传导。在一个实例中，正极活性材料可以用碳封装。

阳极集电器12可以包含铜、镍、铜镍合金或本领域技术人员已知的另一适合的导电材料。而且，可以用包括铬和热解聚合物的导电材料处理（例如涂覆）阳极集电器12。例如，集电器表面可以粗糙化，和/或集电器可以穿孔。硅具有已知的最高理论锂充电容量，使其成为用于可充电锂离子电池的最有前途的负极主体材料13之一。因此，本文提供了包含硅基主体材料13的电极以及制备该电极的方法。

图2示出了制备电极（例如，阳极11）和利用该电极的电池组电池（例如，电池组电池10）的方法。方法100包括：用浆料103涂覆101集电器12以形成涂覆的集电器102，将涂覆的集电器102进行热处理步骤110以产生包含至少一层硅基主体材料13的电极（阳极11）。如图2所示，集电器12具有一个或多个面（例如，第一集电器面12a和第二集电器面12b），可将浆料103施加在其上。方法100还可以包括，在涂覆101之后并且在热处理步骤110之前，用于处理涂覆的集电器102的干燥步骤105。方法100还可以包括随后通过在电解质（例如电解质17）中设置电极（例如阳极11）和正极（例如阴极14）来组装115电池组电池（例如电池组电池10）。组装115电池组电池还可以包括在电极（例如阳极11）和正极（例如阴极14）之间设置隔膜（例如隔膜18）。

浆料103包含干部分和一种或多种溶剂。干部分包含硅颗粒、一种或多种聚合物粘合剂和碳纤维。浆料中使用的溶剂的量经调整以获得特定的浆料粘度和/或适合将浆料103施加在集电器上的另一物理特性。例如，在一个实例中，浆料可包含约25wt%至约30wt%的干部分和约70wt%至约75wt%的溶剂。溶剂可包括极性溶剂，包括n-甲基-2-吡咯烷酮（nmp）、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、碳酸亚丙酯、碳酸亚乙酯、丙酮和甲基乙基酮等。

硅颗粒可包括单质硅颗粒、周期表第v族元素（例如p、as、sb、bi）n型掺杂的硅颗粒和/或li2si颗粒。硅颗粒可额外地或替代地包含siox，其中通常x≤2。在一些实施方案中，对于一些siox颗粒，x≈1。例如，x可以是约0.9到约1.1，或约0.99到约1.01。在siox颗粒基体中，可能还存在sio2和/或si结构域。在一些实施方案中，硅颗粒可被视为“单相”，且不包括添加的导电碳（例如石墨）。换句话说，在这些实施方案中，存在于主体材料13中的碳可基本上由碳纤维贡献的碳、碳纳米管、存在于集电器中的碳以及由热解聚合物粘合剂贡献的碳组成。

利用li2si颗粒可有助于防止硅颗粒的体积膨胀，以及在电池组电池10的初始循环期间从阴极14不可逆地捕获锂。在一些实施方案中，硅颗粒的平均粒径可以为小于约10微米，约50纳米到约10微米或约3微米到约10微米。在一些实施方案中，特别是为快充而构造的电池组电池10中，硅颗粒的平均粒径可以为约1微米到约3微米或约0.5微米到约1微米。干部分可包含至少约70wt%的硅颗粒。在一些实施方案中，干部分可包含约70wt%至约95wt%的硅颗粒。在一些实施方案中，干部分可包含约75wt%至约85%的硅颗粒。在利用li2si颗粒的实施方案中，在干部分中锂原子的量约等于硅原子的量。例如，硅颗粒可占硅和锂原子总数的约45%至约50%（基于计数计算）。

所述一种或多种聚合物粘合剂可包括聚丙烯腈（pan）和/或一种或多种氟化聚合物（例如聚偏二氟乙烯（pvdf）、聚四氟乙烯（ptfe）、氟化乙烯丙烯共聚物（fep）和全氟烷氧基烷烃（pfa））。在一个实施方案中，聚合物粘合剂是pan。聚合物粘合剂可占干部分的至多约10wt%，或约5wt%至约10wt%。如下文所述，可调整干部分中聚合物粘合剂的量，以实现热解聚合物粘合剂对硅颗粒的理想笼罩（caging）。

碳纤维的平均直径可以为至少约50纳米，约50纳米至200纳米，或约100纳米至200纳米。碳纤维的平均长度可以为至少约1微米，或为约1微米至约20微米。碳纤维具有导电性的同时为主体材料13提供挺度和机械完整性。干部分可以任选地进一步包含碳纳米管。例如，碳纳米管可具有约20纳米至约50纳米的平均直径和约1微米至约2微米的平均长度。碳纳米管非常柔韧，并相对于碳纤维提供最小强度，但增加了各硅颗粒之间以及硅颗粒与集电器12之间的电连接。在一些实施方案中，碳纤维与碳纳米管的重量比可以为约50:1到约4:1。所述碳纤维（以及任选的碳纳米管，与碳纤维合计）可占干部分的至多约15wt%，或约2wt%至约15wt%。碳纤维（和任选的碳纳米管，与碳纤维合计）的量的上限可以由维持所得主体材料13的结构完整性的聚合物粘合剂的量来限定。

在涂覆101之后并在热处理步骤110之前，可以对涂覆的集电器102进行干燥步骤105。执行干燥步骤105以从浆料中去除溶剂，通常通过蒸发进行。干燥步骤105可在低于约100℃的温度下进行，并且可在露天（即，非惰性）环境中进行。热处理步骤110意图在不含含氧气体（例如，o2、co、co2等）的环境或“惰性气氛”中进行。例如，惰性气氛可包括n2、ar和/或he气氛。

热处理步骤110可包括在惰性环境中以第一温度加热第一时间段，随后在惰性环境中以第二温度加热第二时间段，其中第二温度比第一温度高。

图3示出了已经进行了热处理步骤110的电极（即，阳极11）的示意性截面侧视图。热处理步骤使聚合物粘合剂碳化以形成围绕硅颗粒131的碳层132，以缓冲硅颗粒131的膨胀，并进一步将碳纤维133锚固到硅颗粒131、集电器12和任选的碳纳米管134上。在第一温度下的热处理步骤110后进行在第二温度下的热处理步骤110意图将聚合物粘合剂转化为具有所需机械和/或电性能的希望材料。例如，聚合物粘合剂pan可在第一温度下转化为吡啶环，并且吡啶环和其它剩余的聚合物化合物可在第二温度下脱氢。脱氢后不再有聚合物，剩下的只是碳主链，可能包含氮和/或氧原子，它们然后可以被除去。

过高的热处理温度会产生机械上不坚固的脆性主体材料13。因此，第一温度可为至多约400℃，或约250℃至约400℃，并且第二温度可为小于约750℃并高于第一温度，约450℃至约750℃，约500℃至约750℃，或约700℃至约750℃。使聚合物固化、交联或环化的在第一温度下的热处理步骤110可在惰性环境下进行约1小时，或约0.25小时至约2小时。在第二温度下的热处理步骤110可在惰性环境下进行约1小时，或约0.25小时至约2小时。热处理步骤110的持续时间可以针对主体材料层13的厚度t调整，其中更薄的主体材料层13通常需要更短的热处理步骤110的持续时间。在一些实施方案中，硅基主体材料13层的厚度t为约20微米至约50微米，或至多约50微米。

图4示意性地示出了用于以连续方式对工件505进行热处理的呈电极热处理装置形式的电极热处理设备500的第一实施方案。如参考图2所描述的，工件505为已布置为片材的涂覆的集电器102的实施方案的形式，并且可以为已涂覆有浆料103且处于未固化状态的阳极集电器12的形式。电极热处理装置500还可以用于执行正极（即，阴极）14的实施方案的热处理。作为示例，电极热处理装置500通过在超过400℃的温度下进行热处理提供工件505的卷轴到卷轴加工，所述工件505为结合了用于电极的硅或其他活性材料并且没有聚合物粘合剂的复合锂离子电池组电极的形式。

电极热处理装置500布置成提供可密封（即气密）室550，其可被控制以提供惰性环境用于在连续操作中对工件505执行热处理步骤110，其中如本文所述，热处理过程可以在两个或更多个温度水平下执行。热处理步骤110可包括在惰性环境中的多步骤连续热处理操作，其包括在惰性环境中在第一温度下加热，以及随后在惰性环境中在第二温度下加热，其中第二温度比第一温度高。在电极热处理设备500的该实施方案中，通过使电极前体片材在两个相反的方向上连续地经过同一设备而依次执行热处理，其中第一迭代包括在较低的温度t1下操作，而第二迭代包括在较高的温度t2下运行。

工件505包括布置成片材并卷绕到第一卷轴上的涂覆的集电器102。电极热处理装置500包括：设置在第一卷轴壳体510中的第一卷轴514，设置在第二卷轴壳体512中的第二卷轴516，设置在热交换工作空间526中的多个陶瓷辊508和导轨538，以及管式炉534。在一个实施方案中，热交换工作空间526可以是石英管的形式，并且管式炉534可以布置成包围石英管的全部或一部分以实现向石英管的热传递。在一个实施方案中，管式炉534是辐射加热装置。

当组装时，第一卷轴壳体510，第二卷轴壳体512和热交换工作空间526形成可密封室550。相关组件包括：第一电动机502，第二电动机504，真空泵532，氮气罐524，分别为第一和第二阀的531、532，气体加热器522，流量控制器533，鼓泡器520，气体洗涤器528和大气出口521。如本文所述，控制器540被布置成监视和控制管式炉534的温度，并控制第一和第二电动机502、504的操作以控制第一和第二卷轴514、516的速度，从而使工件505暴露于期望的温度持续期望的时间段。

第一卷轴壳体510，第二卷轴壳体512和热交换工作空间526被布置和组装成使得设置在热交换工作空间526中的多个陶瓷辊508和导轨538以及第一和第二卷轴514、516设置在由此形成的可密封室550中，从而能够在连续操作中对工件505执行热处理步骤110时为工件505提供惰性、无氧的环境。管式炉534被布置成沿其纵向轴环绕热交换工作空间526的全部或大部分。管式炉534被构造成将热传递到热交换工作空间526，并因此传递到工件505的布置在热交换工作空间526中的部分。

第一电动机502被布置为控制第一卷轴514的旋转，以及第二电动机504被布置为控制第二卷轴516的旋转。第一和第二电动机502、504被定位在各自的第一和第二卷轴壳体510、512的外部，因此在热处理期间不暴露于惰性环境。

真空泵532，氮气罐536，第一和第二阀531、532，气体加热器522以及流量控制器533流体连接并被布置成控制流体流向设置在第一卷轴壳体510中的第一入口511。鼓泡器520和气体洗涤器528被流体地布置在设置在第二卷轴壳体512中的第二入口513和大气出口521之间。

材料加工包括将工件505装入电极热处理装置500并执行相关的安装以形成可密封室550，以及使工件505在可密封室550中创建的惰性环境中进行多步骤连续热处理操作。该加工还包括拆卸以备后续操作。

在加工步骤之前，将工件505布置成连续片材，该连续片材包括集电器12，其上涂覆有处于未固化状态的浆料103。工件505被布置在第一卷轴514上。

将工件505装入电极热处理装置500包括：将包括工件505的第一卷轴514安装到第一卷轴壳体510中，并将工件505的自由端沿导轨538穿过。热交换工作空间526在导轨538上滑动并连接到第一卷轴壳体510。工件505的自由端连接到第二卷轴516，该第二卷轴是空的并且被容纳在第二卷轴壳体512中，并且第二卷轴壳体512连接到热交换工作空间526的第二自由端，并且管式炉534布置在热交换工作空间526的外部。检查所有连接以确认它们是气密的。操作真空泵532以将电极热处理装置500排空至低真空。控制第一和第二阀530、531以及氮气罐536以向电极热处理装置500填充氮气，并且氮气罐536随后继续提供氮气流以维持电极热处理装置500内的环境处于无氧状态。此时，电极热处理装置500处于执行多步骤连续热处理操作的状态。

多步骤连续热处理操作的第一部分包括操作管式炉534以在热交换工作空间526内达到第一温度，以在工件505上实现固化或另一化学反应。作为非限制性实例，当涂料的聚合物粘合剂是pan时，第一温度可以在250-275℃的数量级。

控制第一和第二电动机502、504旋转，并由此将工件505以一定速度从第一卷轴514转移向第二卷轴516，该速度被选择成实现工件505在第一温度下在管式炉534中的期望停留时间。举例来说，当涂料的聚合物粘合剂是pan时，期望的停留时间是1小时以实现在工件505中的固化或化学反应。

在对工件505的固化操作结束时，切换第一和第二进气口511、513，以便真空泵532，氮气罐536，第一和第二阀531、532，气体加热器522和流量控制器533流体地连接并被布置成控制流体流向设置在第二卷轴壳体512中的第二入口513，并且鼓泡器520和气体洗涤器528被流体地布置在设置在第一卷轴壳体510中的第一入口511和大气出口521之间。这样做是为了使热交换工作空间526中的气体流动方向反转为从第二卷轴壳体512到第一卷轴壳体510。

多步骤连续热处理操作的第二部分包括操作管式炉534以在热交换工作空间526内达到第二温度，以在工件505上实现碳化操作。作为非限制性实例，当涂料的聚合物粘合剂是pan时，第二温度可以在500和700℃之间的范围内。

控制第一和第二电动机502、504旋转，并由此将工件505以一定速度从第二卷轴516转移向第一卷轴514，该速度被选择成实现工件505在第二温度下在管式炉534中的期望停留时间。举例来说，当涂料的聚合物粘合剂是pan时，期望的停留时间是1小时以实现对工件505的热处理操作。

在对工件505的热处理操作结束时，用氮气流钝化气体加热器522，直到第一卷轴514和工件505冷却至室温。可以移除第一卷轴514，并且可以对工件505进行诸如切割和修整的后加工操作以形成阳极11，然后可以将阳极11组装到电池组电池10中。

在多步骤连续热处理操作完成时，电极热处理装置500能够被拆卸以为后续操作做准备，这包括将第二卷轴壳体512与热交换工作空间526和导轨538断开，并将热交换工作空间526从导轨538和第一卷轴壳体510移除。

图5示意性地示出了用于以连续方式对工件505进行热处理的呈电极热处理装置形式的热处理设备560的另一实施方案。电极热处理装置560通过在超过400℃的温度下进行热处理提供工件505的卷轴到卷轴加工，所述工件505为结合了用于电极的硅或其他活性材料并且没有聚合物粘合剂的复合锂离子电池组电极的形式。在热处理设备560的该实施方案中，通过使电极前体片材穿过两个热处理区域以连续方式执行热处理，该两个热处理区域可以由两级管式炉570产生，包括在较低的第一温度t1下操作的管式炉570的第一部分572，以及在较高的第二温度t2下操作的管式炉570的第二部分574。管式炉570的第一部分572和第二部分574有效地将热交换工作空间526划分为两个温度区域，对应于第一温度t1和第二温度t2。

热处理设备560被布置成提供可密封（即气密）室550，其可被控制以提供惰性环境用于在连续操作中对工件505执行热处理步骤110，其中热处理过程可以在两个或更多个温度水平下执行。热处理步骤110可包括在惰性环境中的连续热处理操作，其包括在管式炉570的第一部分572处在惰性环境中在第一温度下加热，以及随后在管式炉570的第二部分574处在惰性环境中在第二温度下加热，其中第二温度比第一温度高。通过使电极前体片材经过两个热处理区域，第一个在较低的温度t1，第二个在较高的温度t2，可以连续地和串联地进行这种热处理。热处理设备560的其他方面类似于参照图4描述的热处理设备500。

根据本公开的实施方案可以体现为设备、方法或计算机程序产品。因此，本公开可以采取完全硬件实施方案，完全软件实施方案（包括固件、常驻软件、微代码等）或结合软件和硬件方面的实施方案的形式，在本文中通常将其称为“模块”或“系统”。此外，本公开可以采取包含在有形的表达介质中的计算机程序产品的形式，该介质具有包含在介质中的计算机可用程序代码。

流程图中的流程图和框图示出了可能实现根据本公开的各种实施方案的系统、方法和计算机程序产品的架构、功能和操作。因此，流程图或框图中的每个框可以代表代码的模块、段或部分，其包括用于实现指定的逻辑功能的一个或多个可执行指令。还应注意，框图和/或流程图说明的每个框，以及框图和/或流程图说明中的框的组合，可以由执行指定功能或动作的基于专用功能硬件的系统来实现，或由专用功能硬件和计算机指令的组合来实现。这些计算机程序指令还可以存储在计算机可读介质中，该计算机可读介质可以指导计算机或其他可编程数据处理装置以特定方式运行，从而使得存储在计算机可读介质中的指令能够制备包含指令集的制品，该指令集实现了在流程图和/或框图的框中指定的功能/动作。

详细描述和附图对本教导是支持性和描述性的，但是本教导的范围仅由权利要求限定。虽然已经详细描述了用于执行本教导的一些最佳模式和其他实施方案，但是存在各种替代设计和实施方案以用于实践在所附权利要求中限定的本教导。