多峰硅-碳复合材料、包括其的阳极以及制造所述复合材料的方法

技术领域

本公开涉及包括多峰颗粒尺寸分布的颗粒的硅-碳复合混合物(硅-碳复合物)。本公开还涉及一种制造相同的硅-碳复合混合物的方法、一种制造包括相同的硅-碳复合混合物的电极的方法、以及使用该电极作为用于锂基能量存储装置的阳极的方法、以及包括该电极的电化学能量存储装置。

背景技术

硅-碳复合混合物可以由包括孔体积的碳材料制备，该孔体积包括微孔、中孔和/或大孔。这种碳混合物可以用作硅-碳复合材料的制造的支架。用硅浸渍多孔碳材料的孔体积是已知的方法。浸渍的硅可以以纳米尺寸提供。通常，硅包括比例如石墨高得多的能量密度。例如，硅的能量密度超过石墨的能量密度10倍。

除了浸渍之外，这种浸渍的碳材料可以被涂覆，使得仍然存在的多孔表面被进一步减小。可能的涂层可以由例如聚合物，特别是导电聚合物、碳或金属氧化物组成。浸渍和/或涂覆的碳材料的益处是改善锂离子存储容量的稳定性，这增加了锂离子电池电芯(cell)的充电容量。

此外，用硅浸渍的碳材料可以与作为材料组合物的其它材料组合使用。已知的材料组合物包括粘合剂和/或碳颗粒。这种材料组合物通常用于电化学电芯，特别是锂离子电池电芯作为电极材料，特别是阳极材料。

除了硅之外，这种材料组合物还可以包括其它材料，例如锡或具有锂合金的其它电化学改性。锂合金可以储存每单位重量的大量锂，这取决于合金。然而，由于在与锂的完全反应期间发生强的体积膨胀，这种合金的实际使用受到限制。当锂被除去时，发生体积膨胀，并且当锂从硅中除去时，发生体积收缩。这种效应可以缩短寿命并导致相应电极的低性能。

为了克服这种锂合金的这种缺点，试图在不影响循环稳定性的情况下，增加阳极组合物中电化学合金改性的含量。

这可以通过微结构或纳米结构的电化学合金改性、通过将碳与电化学合金改性混合、或通过使用真空条件或高温处理在碳上沉积电化学合金改性来实现。然而，这些方法都不能排除对循环稳定性的影响。特别地，随着循环次数的增加，电化学电芯仍易于发生容量损失，其中基于与可逆锂嵌入竞争的各种不同机制在负电极上形成固体电解质中间相(SEI层)。

在电化学电芯的充电和放电循环期间，由于电极表面上的有机溶剂和阴离子的还原，SEI层通常形成。在这种情况下，大部分的形成已经在电化学电芯的第一次充电和放电循环期间发生。在现有技术中，已知SEI层在电化学电芯(例如锂离子电池电芯)的安全、性能和循环寿命方面起重要作用。

由于SEI层，来自阴极的Li离子的不可逆消耗发生在阳极处，导致通常在第一锂化/脱锂循环中发生的容量损失。由于SEI层的连续增加，Li离子通过SEI层扩散的电阻也增加。

由于硅趋于连续膨胀和收缩，导致破裂和重整，因此使用不同尺寸和不同形状的硅来防止这种情况。因此，在现有技术中已知不同尺寸和形状的硅。特别地，在现有技术中已知用于硅的基于纳米级的特征对于用在电化学电芯中，特别是用在锂离子电池中是有利的。

例如，第2017/0170477号美国公开公开了一种包括多孔碳支架和硅的复合物，其中，复合物包括质量百分比为15％至85％的硅和在0.05cm

由于电化学电芯，特别是锂离子电池的重要性迅速增加，在硅-碳复合物领域、在材料和生产这种材料的方法中，一直需要进一步的发展和改进。

发明内容

因此，本公开的目的是提供一种用于电极以及用于电化学存储装置(诸如锂离子电池)的复合混合物，其包括改进的电化学性质。

该目的通过提供包括多峰颗粒尺寸分布的硅-碳复合混合物来实现。颗粒尺寸分布可以如本领域已知的那样测量。例如，颗粒尺寸分布可以通过颗粒在悬浮液中的激光散射、或粉末飞行时间方法、或本领域已知的其它方法来测量。如本领域已知的，颗粒尺寸分布可以表示为数目颗粒分布或体积颗粒分布。因此，颗粒尺寸分布可以表示为Dvx，其中D表示颗粒直径，v表示对应于体积基础的值，并且x表示颗粒的累积百分比。例如，Dv1、Dv10、Dv50、Dv90和Dv99是给定体积分布中的多个颗粒中的1％、10％、50％、90％和99％存在于指定微米尺寸以下的直径。颗粒尺寸分布由D0(分布中最小的颗粒)和Dv100(最大颗粒的最大尺寸)限定；Dv50是体积平均颗粒尺寸。颗粒尺寸分布可根据颗粒尺寸分布中存在的一个或多个众数(mode)来描述，其中众数的概念是本领域已知的，例如是分布中的最大值。颗粒尺寸分布可以是单峰的或多峰的，例如双峰的或三峰的。在多峰颗粒尺寸分布内的众数可以包括在颗粒尺寸分布和/或肩部内的不同的局部最大值，其可以从颗粒尺寸分布的一阶和/或二阶导数中分辨。

由于电化学电芯，特别是锂离子电池的重要性迅速增加，在硅-碳复合物领域、在材料和生产这种材料的工艺中，一直需要进一步的发展和改进。

因此，本公开的目的是提供一种用于电极以及用于电化学存储装置(诸如锂离子电池)的复合混合物，其包括改进的电化学性质。

本文的实施方式中的每个包括混合物，该混合物包括两种或更多种硅-碳复合材料的，其中，每个材料具有不同的Dv50或Dv50的范围。

因此，一个实施方式提供了一种硅-碳复合混合物，包括：

a)第一硅-碳复合材料，包括：

i.多孔碳支架，包括微孔和中孔以及不小于0.5cm

ii.硅含量为30％至70％；

iii.多个颗粒，包括6μm至20μm的Dv50；

b)第二硅-碳复合材料或至少一种另外的硅-碳复合材料，包括：

i.第二碳支架或至少一个另外的碳支架，包括微孔和中孔以及

不小于0.5cm

ii.硅含量为30％至70％；

iii.多个颗粒，包括1μm至6μm的Dv50；以及

c)第一硅-碳复合材料的质量百分比为10％至90％，并且第二硅-碳复合材料或至少一种另外的硅-碳复合材料的质量百分比为10％至90％。

在另一个实施方式中，混合材料可以包括任选的第三种或更多种硅-碳复合材料，其中，第三种或更多种硅-碳复合材料中的每种具有1μm至6μm的Dv50。因此，硅-碳复合物可以包括至少一种另外的硅-碳复合物，其中，至少一种另外的硅-碳复合物包括至少一种另外的硅碳支架，该硅碳支架包括微孔和中孔以及不小于0.5cm

在一个实施方式中，硅-碳复合混合物可以包括质量百分比为10％至90％的第一硅-碳复合材料和质量百分比为10％至90％的第二硅-碳复合材料或至少一种另外的硅-碳复合材料。

一个另外的实施方式提供硅-碳复合混合物，包括：

a)第一硅-碳复合材料，包括：

i.多孔碳支架，包括微孔和中孔以及不小于0.5cm

ii.硅含量为30％至70％；

iii.多个颗粒，包括6μm至20μm的Dv50；

b)第二硅-碳复合材料，包括：

i.第二碳支架，包括微孔和中孔以及不小于0.5cm

ii.硅含量为30％至70％；

iii.多个颗粒，包括1μm至6μm的Dv50；

c)所述第一硅-碳复合材料的质量百分比为10％至90％，并且第二硅-碳复合材料的质量百分比为10％至90％；

d)小于30m

e)E大于0.01，其中，E定义为1-(复合混合物的振实密度)/(各组分(individualfractions)的质量平均振实密度(mass averaged tap density))；以及

f)为了确定E，在其它相同的条件下，测量所述硅-碳复合混合物和包括每个众数的各组分的振实密度的测量值。

另一个实施方式提供了一种硅-碳复合混合物，包括：

a)第一硅-碳复合材料，包括：

i.多孔碳支架，包括微孔和中孔以及不小于0.5cm

ii.硅含量为30％至70％；

iii.多个颗粒，包括6μm至20μm的Dv50；

b)第二硅-碳复合材料，包括：

i.第二碳支架，包括微孔和中孔以及不小于0.5cm

ii.硅含量为30％至70％；

iii.多个颗粒，包括1μm至6μm的Dv50；

c)所述第一硅-碳复合材料的质量百分比为10％至90％，并且所述第二硅-碳复合材料的质量百分比为10％至90％；

d)任选的第三种或更多种硅-碳复合材料，各自具有不同的Dv50；以及

e)小于30m

f)E大于0.01，其中，E被定义为1-(复合材料的电导率)/(各组分的质量平均电导率(mass averaged conductivity))。

如本文所用，“不同的Dv50”是指第三种或更多种硅-碳复合物或至少一种另外的硅-碳复合物包括多个颗粒，该多个颗粒包括1μm至6μm的Dv50。

在一个实施方式中，硅-碳复合混合物可以包括质量百分比为10％至90％的第一硅-碳复合材料以及质量百分比为10％至90％的第二硅-碳复合材料或至少一种另外的硅-碳复合材料。

又一个实施方式提供了制造硅-碳复合混合物的方法，所述方法包括以下步骤：

a)提供多孔碳支架；

b)粉碎所述多孔碳支架以产生至少两个颗粒的组分，包括：

i.第一多孔碳复合材料，包括Dv50＝6μm至20μm的多个颗粒；

ii.第二多孔碳复合材料，包括Dv50＝1μm至6μm的颗粒尺寸分布；以及

c)通过化学气相渗透将硅浸渍到第一多孔碳复合材料和第二多孔碳复合材料的孔中；以及

d)混合第一颗粒的硅-碳复合材料和第二颗粒的硅-碳复合材料。

又一个实施方式提供了一种制造硅-碳复合混合物的方法，所述方法包括以下步骤：

a)提供多孔碳支架；

b)粉碎所述多孔碳支架以产生至少两个颗粒的组分，包括：

i.第一多孔碳复合材料，包括Dv50＝6μm至20μm的多个颗粒；

ii.第二多孔碳复合材料，包括Dv50＝1μm至6μm的颗粒尺寸分布；以及

c)通过化学气相渗透将硅浸渍到多孔碳复合材料的所述至少两个颗粒的组分的孔中；

d)通过化学气相沉积将涂层施加到第一多孔碳复合材料和第二多孔碳复合材料的表面上；以及

e)混合第一颗粒的硅-碳复合材料和第二颗粒的硅-碳复合材料，以制备混合的材料。

在更另外的实施方式中，混合的材料可以包括任选的第三种或更多种硅-碳复合材料，其中，第三种或更多种硅-碳复合材料中的每种具有独特的Dv50。

如本文所用，“独特的Dv50”是指第三种或更多种硅-碳复合物或至少一种另外的硅-碳复合物包括多个颗粒，该多个颗粒包括1μm至6μm的Dv50。

一个实施方式提供了阳极电极，包括硅-碳复合混合物，所述硅-碳复合混合物包括：

a)第一硅-碳复合材料，包括：

i.多孔碳支架，包括微孔和中孔以及不小于0.5cm

ii.硅含量为30％至70％；

iii.多个颗粒，包括6μm至20μm的Dv50；

b)第二硅-碳复合材料，包括：

i.第二碳支架，包括微孔和中孔以及不小于0.5cm

ii.硅含量为30％至70％；

iii.多个颗粒，包括1μm至6μm的Dv50；以及

c)所述第一硅-碳复合材料的质量百分比为10％至90％并且所述第二硅-碳复合材料的质量百分比为10％至90％。

术语碳是指由碳组成或至少包括碳的材料或物质。在这方面，碳材料可以包括高纯度、无定形和结晶材料。碳可以是活性炭、热解干燥聚合物凝胶、热解聚合物冷冻凝胶、热解聚合物干凝胶、热解聚合物气凝胶、活化干燥聚合物凝胶、活化聚合物冷冻凝胶、活化聚合物干凝胶、活化聚合物气凝胶或其组合。在一个实施方式中，碳材料具有高微孔体积比。在另一个实施方式中，碳能够通过热解椰子壳或其它有机废物来生产。在这方面，聚合物是包括两个或更多个重复结构单元的分子。多孔碳提供的优点是它通常易于生产，通常具有低杂质和大孔体积。结果，多孔碳表现出良好的导电性和高的机械和化学稳定性。

通常，多孔碳具有孔空间，也称为孔体积，其中，孔空间是碳中能够填充气体或流体的一组空隙(孔)。

硅部分可以是纯硅或包括硅的材料组合物。例如，硅部分可以是至少一种合金。合金可以是硅钛合金(Si-Ti)、硅铁合金(Si-Fe)、硅镍合金(Si-Ni)。在另一个实施方式中，硅部分可以由P掺杂剂、As掺杂剂或N掺杂剂组成。P掺杂剂通常是磷掺杂剂，As掺杂剂通常是砷掺杂剂，并且N掺杂剂通常是氮掺杂剂。

多峰硅碳复合材料总质量的硅含量通常在30％和70％之间，特别是在40％和60％之间。

在一个另外的实施方式中，硅-碳复合混合物的表面积小于30m

在一个另外的实施方式中，阳极电极具有包括大于0.01的E的密度，其中，E定义为1-(复合混合物的密度)/(各组分的质量平均密度(mass averaged density))，其中，密度是在由质量百分比为70％的复合物、质量百分比为20％的石墨、质量百分比为2％的超级C65(Super C65)和质量百分比为8％的PAA组成的电极中测量的电极密度。

在一个另外的实施方式中，为了确定E，在其它相同的条件下，测量所述硅-碳复合混合物和包括每个众数的各组分的电极性质的测量值。

在一个另外的实施方式中，阳极电极具有包括大于0.01的E的密度，其中，E定义为1-(复合混合物的振实密度)/(各组分的质量平均振实密度)，其中，密度是在由质量百分比为70％的复合物、质量百分比为20％的石墨、质量百分比为2％的超级C65和质量百分比为8％的PAA组成的电极中测量的电极密度。

在一个另外的实施方式中，为了确定E，在其它相同的条件下，测量所述硅-碳复合混合物和包括每个众数的各组分的电极性质的测量值。

在一个另外的实施方式中，E大于0.05。在一个另外的实施方式中，E大于0.1。

在一个另外的实施方式中，所述硅-碳复合混合物包括至少一种另外的碳和/或至少一种粘合剂。粘合剂是粘合试剂(binding agent)或粘合材料。因此，粘合剂是指能够将物质(例如碳)的单个组成(特别是颗粒)保持在一起的材料。粘合剂通常布置为使得当颗粒与相应的粘合剂结合在一起时，形成可进一步成形为新形式的粘合的物质。

在一个另外的实施方式中，所述至少一种另外的碳和/或所述至少一种粘合剂溶解在水性介质中。

在一个另外的实施方式中，所述硅-碳复合混合物构成为使得所述硅-碳复合混合物的电子密度范围从1.05g/cm

在一个另外的实施方式中，所述硅-碳复合混合物的电导率范围从0.3S/cm至2S/cm或从0.5S/cm和1.2S/cm。这提供电极的电阻减小的优点，从而允许Li离子与硅-碳复合混合物的更快反应。因此，可以增加锂离子电芯的充电速度。

在一个另外的实施方式中，碳是硬碳材料、石墨碳或金属氧化物。例如，金属氧化物是氧化硅(SiO

在一个实施方式中，碳可以是改性的硬碳。改性的硬碳是复合材料，该复合材料包括碳(特别是硬碳)和锂合金材料两者。锂合金材料可以是硅、锡、锗、镍、铝、锰、氧化铝(Al

在一个另外的实施方式中，粘合剂配置成粘合第一硅-碳复合物的多孔碳和硅含量、另外的硅-碳复合物和/或第一硅-碳复合物和另外的硅-碳复合物的多孔碳和硅-碳部分。在另外的实施方式中，粘合剂适于将另外的材料粘合到相应的硅-碳复合物中的至少一种上。因此，粘合剂通常布置为将硅-碳复合混合物的组成和任选的可形成为阳极的电极的另外的碳材料保持在一起。

在一个另外的实施方式中，硅-碳复合混合物包括至少一种另外的粘合剂。这导致碳增加了电极的导电性并且因此提供了改进的导电性的优点。至少一种另外的粘合剂还支持机械稳定性。另外的碳可以是硬碳材料、石墨碳或金属氧化物。

在一个另外的实施方式中，硅-碳复合混合物包括至少两种粘合剂，其中第一粘合剂布置为粘合第一硅-碳复合物的多孔碳和硅-碳部分以及至少一种另外的硅-碳复合物的多孔碳和硅部分，并且其中，至少一种另外的粘合剂布置为将第一硅-碳复合物结合到至少一种另外的硅-碳复合物。

任选地，硅-碳复合材料包括适于将第一材料组成和至少一种另外的材料组成结合在一起的至少一种另外的粘合剂。

在一个另外的实施方式中，粘合剂是苯乙烯-丁二烯胶/羧甲基纤维素(CMC/SBR)混合物、聚丙烯酸(PAA)和/或聚丙烯酸锂(LiPAA)或聚丙烯酸钠(NaPAA)。在可选择的实施方式中，粘合剂形成为含氟聚合物，例如聚四氟乙烯(PTFE)、全氟烷氧基聚合物树脂(PFA)、氟化乙烯丙烯(FEP)、聚乙烯四氟乙烯(ETFE)、聚氟乙烯(PVF)、聚乙烯氯三氟乙烯(ECTFE)、聚偏二氟乙烯(PCDF)、聚氯三氟乙烯(PCTFE)、三氟乙醇、或这些材料中的至少一种与至少一种其它材料的组合。在另一个实施方式中，粘合剂是聚酰亚胺、或聚丙烯酸和苯乙烯-丁二烯的共聚物。本公开提供了复合物的双峰分布使得能够实现阳极电极的更高的堆积密度(packing density)和改进的导电性的优点。

又一实施方式提供制造阳极电极的方法，阳极电极包括根据本文所述的实施方式中的任一个的硅-碳复合混合物，该方法包括以下步骤：

a)将硅-碳复合混合物与至少一种碳混合，以产生混合物；

b)在双螺杆挤出机中组合所述混合物和粘合剂溶液，从而形成电极浆料；

c)将所述电极浆料施加到导体，从而产生至少一个电极；以及

d)在100℃至140℃的温度下干燥所述至少一个电极。

本公开的一个目的是提供一种电能存储装置(例如，锂离子电池)，其包括至少一个根据本文所述的实施方式中的任一个的阳极电极。

因此，另一个实施方式提供了电化学存储装置，特别是形成为锂离子电池的电化学存储装置，该电化学存储装置包括：

a)至少一个根据本文所述的实施方式中的任一个的阳极电极；

b)至少一个电极，形成为阴极，包括过渡金属氧化物；

c)隔板，设置在所述阴极和所述阳极之间；以及

d)电解质，包括锂离子。

另一个实施方式提供了硅-碳复合混合物在阳极电极中的用途，所述硅-碳复合材料包括：

a)第一硅-碳复合材料，包括：

i.多孔碳支架，包括微孔和中孔以及不小于0.5cm

ii.硅含量为30％至70％；

iii.多个颗粒，包括6μm至20μm的Dv50；

b)第二硅-碳复合材料，包括：

i.第二碳支架，包括微孔和中孔以及不小于0.5cm

ii.硅含量为30％至70％；

iii.多个颗粒，包括1μm至6μm的Dv50；以及

c)所述第一硅-碳复合材料的质量百分比为10％至90％，并且所述第二硅-碳复合材料的质量百分比为10％至90％。

在这种用途的另一个实施方式中，硅-碳复合混合物的表面积小于30m

在另一个实施方式中，提供了硅-碳复合混合物在阳极电极中的用途，所述硅-碳复合材料包括：

a)第一硅-碳复合材料，包括：

i.多孔碳支架，包括微孔和中孔以及不小于0.5cm

ii.硅含量为30％至70％；

iii.多个颗粒，包括6μm至20μm的Dv50；

b)第二硅-碳复合材料，包括：

i.第二碳支架，包括微孔和中孔以及不小于0.5cm

ii.硅含量为30％至70％；

iii.多个颗粒，包括1μm至6μm的Dv50；

c)所述第一硅-碳复合材料的质量百分比为10％至90％，并且所述第二硅-碳复合材料的质量百分比为10％至90％；以及

d)其中，阳极包括第一层和第二层，第一层包括第一硅-碳复合材料，并且第二层包括第二硅-碳复合材料。

在这种用途的一个另外的实施方式中，阳极电极具有包括大于0.01的E的密度，其中，E定义为1-(复合混合物的密度)/(各组分的质量平均密度)，其中，密度是在由质量百分比为70％的复合物、质量百分比为20％的石墨、质量百分比为2％的超级C65和质量百分比为8％的PAA组成的电极中测量的电极密度。

在这种用途的一个另外的实施方式中，为了确定E，在其它相同的条件下，测量所述硅-碳复合混合物和包括每个众数的各组分。

在这种用途的一个另外的实施方式中，E大于0.05。在这种用途的一个另外的实施方式中，E大于0.1。

另一个实施方式提供了在电化学存储装置中使用包括本文所述的实施方式中的任一个的硅碳混合物的阳极电极。在一个实施方式中，电化学存储装置是锂离子电池。

附图说明

在附图中，相同的附图标记表示相似的元件。图中的元件的尺寸和相对位置不必按比例绘制，并且这些元件中的一些被放大和定位以改进图的可读性。此外，如图所示的元件的特定形状不是旨在传达关于特定元件的实际形状的任何信息，并且仅是为了易于在附图中识别而选择的。

图1显示了硅-碳复合物22(虚线)和硅-碳复合材料23(实线)的差别的体积图。

图2显示了硅-碳复合物22和硅-碳复合物23的各种混合物的差别的体积图：10/90(虚线)、50/50(实线)和90/10(虚线)。

具体实施方式

在以下描述中，阐述某些具体细节以提供对本发明的各种实施方式的透彻理解。然而，本领域的技术人员将理解，可以在没有这些细节的情况下实践本公开。

除非上下文另有要求，否则在整个说明书和权利要求书中，词语“包括(comprise)”及其变体，诸如“包括(comprises)”和“包括(comprising)”应被解释为开放的、包括性的含义，即，“包括，但不限于”。

在本说明书中，除非另有说明，否则任何浓度范围、百分比范围、比率范围或整数范围应理解为包括所述范围内的任何整数的值，以及在适当时包括其分数(例如整数的十分之一和百分之一)。如本文所用，术语“约”和“大约”意指所示范围、值或结构的±20％、±10％、±5％或±1％，除非另有说明。应当理解，如本文所用的术语“一(a)”和“一(an)”是指所列举的组件中的“一个或多个”。替代方案(例如，“或”)的使用应理解为意指替代方案中的一个、两个或其任何组合。

在整个说明书中提及“一个实施方式”或“实施方式”意味着结合该实施方式描述的特定特征、结构或特性被包括在本公开的至少一个实施方式中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施方式中”或“在实施方式中”不一定都指相同的实施方式。此外，在一个或多个实施方式中，特定的特征、结构或特性可以以任何合适的方式组合。

除非另有定义，否则本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属领域的技术人员通常理解的相同的含义。如说明书和权利要求书中所使用的，单数形式“一(a)”、“一(an)”和“该”包括复数引用，除非上下文另有明确规定。

上述目的通过具有本文公开的实施方式的特征的多峰硅-碳复合材料(术语“多峰硅-碳复合材料”和“硅-碳复合混合物”在一些实施方式中可以互换使用)来实现。例如，一个实施方式提供硅-碳复合混合物，包括：

a)第一硅-碳复合材料，包括：

i.多孔碳支架，包括微孔和中孔以及不小于0.5cm

ii.硅含量为30％至70％；

iii.多个颗粒，包括6μm至20μm的Dv50；

b)第二硅-碳复合材料，包括：

i.第二碳支架，包括微孔和中孔以及不小于0.5cm

ii.硅含量为30％至70％；

iii.多个颗粒，包括1μm至6μm的Dv50；以及

c)所述第一硅-碳复合材料的质量百分比为10％至90％，并且所述第二硅-碳复合材料的质量百分比为10％至90％。

在一些实施方式中，硅-碳复合混合物具有小于30m

在某些实施方式中，E大于0.01，其中，E定义为1-(复合混合物的密度)/(各组分的质量平均密度)，其中，密度是在由质量百分比为70％的复合物、质量百分比为20％的石墨、质量百分比为2％的超级C65和质量百分比为8％的PAA组成的电极中测量的电极密度。

在某些实施方式中，E大于0.01，其中，E定义为1-(复合混合物的密度)/(各组分的质量平均密度)。在一些实施方式中，密度是在由质量百分比为70％的复合物、质量百分比为20％的石墨、质量百分比为2％的超级C65和质量百分比为8％的PAA组成的电极中测量的密度。在一些具体的实施方式中，为了确定E，在其它相同的条件下，测量所述硅-碳复合混合物和包括每个众数的各组分的性质的测量值。在一些实施方式中，E大于0.05。在某些实施方式中，E大于0.1。

一个实施方式提供了硅-碳复合混合物，包括：

a)第一硅-碳复合材料，包括：

i.多孔碳支架，包括微孔和中孔以及不小于0.5cm

ii.硅含量为30％至70％；

iii.多个颗粒，包括6μm至20μm的Dv50；

b)第二硅-碳复合材料，包括：

i.第二碳支架，包括微孔和中孔以及不小于0.5cm

ii.硅含量为30％至70％；

iii.多个颗粒，包括1μm至6μm的Dv50；

c)所述第一硅-碳复合材料的质量百分比为10％至90％，并且所述第二硅-碳复合材料的质量百分比为10％至90％；

d)小于30m

e)E大于0.01，其中，E定义为1-(复合混合物的振实密度)/(各组分的质量平均振实密度)；以及

f)为了确定E，在其它相同的条件下，测量所述硅-碳复合混合物和包括每个众数的各组分的振实密度的测量值。

颗粒的硅-碳复合材料和硅-碳复合混合物的振实密度(tap density)可以如本领域已知的那样测量。例如，振实密度可以用PT-TD300振实密度测试仪测量，其中，将已知质量的粉末装载到量筒中，例如直到填充量筒至其总容量的1/2至3/4，将量筒装载到测试装置中，并且将装载的量筒振实固定数量的振实(例如，250次振实(tap))并且记录新的振实体积。并且该振实过程重复直到测量的体积不再变化的点，例如在先前读数的2％之内。

在某些实施方式中，颗粒的硅-碳材料的振实密度的范围从0.3g/cc至0.5g/cc，或从0.4g/cc至0.6g/cc，或从0.5g/cc至0.7g/cc，或从0.6g/cc至0.8g/cc，或从0.7g/cc至0.9g/cc，或从0.8g/cc至1.0g/cc。在某些实施方式中，颗粒的硅-碳材料的振实密度大于1.0g/cc。

在某些实施方式中，颗粒的硅-碳混合物的振实密度范围从0.3g/cc至0.5g/cc，或从0.4g/cc至0.6g/cc，或从0.5g/cc至0.7g/cc，或从0.6g/cc至0.8g/cc，或从0.7g/cc至0.9g/cc，或从0.8g/cc至1.0g/cc。在某些实施方式中，颗粒的硅-碳混合物的振实密度大于1.0g/cc。

另一个实施方式提供了硅-碳复合混合物，包括：

a)第一硅-碳复合材料，包括：

i.多孔碳支架，包括微孔和中孔以及不小于0.5cm

ii.硅含量为30％至70％；

iii.多个颗粒，包括6μm至20μm的Dv50；

b)第二硅-碳复合材料，包括：

i.第二碳支架，包括微孔和中孔以及不小于0.5cm

ii.硅含量为30％至70％；

iii.多个颗粒，包括1μm至6μm的Dv50；

c)所述第一硅-碳复合材料的质量百分比为10％至90％，并且所述第二硅-碳复合材料的质量百分比为10％至90％；

d)小于30m

e)E大于0.01，其中，E被定义为1-(复合混合物的电导率)/(各组分的质量平均电导率)。

在一些具体的实施方式中，为了确定E，在其它相同的条件下，测量所述硅-碳复合混合物和包括每个众数的各组分的性质的测量值。在一些实施方式中，电导率是在由质量百分比为70％的复合物、质量百分比为20％的石墨、质量百分比为2％的超级C65和质量百分比为8％的PAA组成的电极中测量的电导率。在一些实施方式中，E大于0.05。在某些实施方式中，E大于0.1。

一个实施方式提供了制造硅-碳复合混合物的方法，所述方法包括以下步骤：

a)提供多孔碳支架；

b)粉碎所述多孔碳支架以产生至少两个颗粒的组分，包括：

i.第一多孔碳复合材料，包括Dv50＝6μm至20μm的多个颗粒；

ii.第二多孔碳复合材料，包括Dv50＝1μm至6μm的颗粒尺寸分布；以及

c)通过化学气相渗透将硅浸渍到多孔碳复合材料的所述至少两个颗粒的组分的孔中；以及

d)混合所述第一颗粒的硅-碳复合材料和所述至少一种另外的(additional)颗粒的硅-碳复合材料。

在一些实施方式中，混合物包括重量百分比为60％至90％的比例的第一组分的第一硅-碳复合物和重量百分比为10％至40％的比例的另外组分的至少一种另外的硅-碳复合物。在一些更具体的实施方式中，混合物包括70％至90％的比例的第一组分的第一硅-碳复合物和重量百分比为10％至30％的比例的第二硅-碳复合物。

另一个实施方式提供了制造硅-碳复合混合物的方法，所述方法包括以下步骤：

a)提供多孔碳支架；

b)粉碎所述多孔碳支架以产生至少两个颗粒的组分，包括：

a)第一多孔碳复合材料，包括Dv50＝6μm至20μm的多个颗粒；

b)第二碳复合材料，包括Dv50＝1μm至6μm的颗粒尺寸分布；

c)通过化学气相渗透将硅浸渍到多孔碳复合材料的所述至少两个颗粒的组分的孔中；以及

d)通过化学气相沉积将涂层施加到所述多孔硅-碳复合物的所述至少两个颗粒的组分的表面上；以及

e)混合第一颗粒的硅-碳复合材料和第二硅-碳复合材料。

一个具体实施方式提供了包括硅-碳复合混合物的阳极电极，所述硅-碳复合混合物包括：

a)第一硅-碳复合材料，包括：

i.多孔碳支架，包括微孔和中孔以及不小于0.5cm

ii.硅含量为30％至70％；

iii.多个颗粒，包括6μm至20μm的Dv50；

b)第二硅-碳复合材料，包括：

i.第二碳支架，包括微孔和中孔以及不小于0.5cm

ii.硅含量为30％至70％；

iii.多个颗粒，包括1μm至6μm的Dv50；以及

c)所述第一硅-碳复合材料的质量百分比为10％至90％，并且所述第二硅-碳复合材料的质量百分比为10％至90％。

在一些实施方式中，硅-碳复合混合物具有小于30m

在一些实施方式中，E大于0.05。在某些实施方式中，E大于0.1。在一些实施方式中，为了确定E，在其它相同的条件下，测量所述硅-碳复合混合物和包括每个众数的各组分的电极性质的测量值。

在更具体的实施方式中，硅-碳复合混合物包括至少一种另外的碳和/或至少一种粘合剂。在某些更具体的实施方式中，所述至少一种另外的碳和/或所述至少一种粘合剂溶解在水性介质中。在一些实施方式中，所述硅-碳复合混合物构成为使得所述硅-碳复合混合物的电子密度范围从1.05g/cm

在一些实施方式中，所述硅-碳复合混合物的电导率范围从0.3S/cm至2S/cm或从0.5S/cm和1.2S/cm。在一些实施方式中，所述碳是硬碳材料、石墨碳或金属氧化物。在某些更具体的实施方式中，粘合剂配置为将所述第一硅-碳复合物的所述多孔碳和所述硅含量、所述第二硅-碳复合物的所述多孔碳和硅-碳部分、和/或所述第一硅-碳复合物和所述第二硅-碳复合物粘合。在更具体的实施方式中，所述硅-碳复合混合物包括至少一种另外的粘合剂。在一些实施方式中，粘合剂或另外的粘合剂是苯乙烯-丁二烯胶/羧甲基纤维素(CMC/SBR)混合物、聚丙烯酸(PAA)和/或聚丙烯酸锂(LiPAA)或聚丙烯酸钠(NaPAA)。

一个具体实施方式提供一种制造包括根据本文所述的实施方式中的任一个的硅-碳复合混合物的阳极电极的方法，所述方法包括以下步骤：

a)将硅-碳复合混合物与至少一种碳混合，以产生混合物；

b)在双螺杆挤出机中组合所述混合物和粘合剂溶液，从而形成电极浆料；

c)将所述电极浆料施加到导体，从而产生至少一个电极；以及

d)在100℃至140℃的温度下干燥所述至少一个电极。

一个实施方式提供了电化学存储装置，尤其是形成为锂离子电池的电化学存储装置，该电化学存储装置包括：

a)至少一个根据本文所述的实施方式中的任一个的阳极电极；

b)至少一个电极，形成为阴极，包括过渡金属氧化物；

c)隔板，设置在所述阴极和所述阳极之间；以及

d)电解质，包括锂离子。

一个另外的实施方式提供包括本文所述的实施方式中的任一个的硅-碳混合物的阳极电极。

一个实施方式提供了硅-碳复合混合物在阳极电极中的用途，所述硅-碳复合材料包括：

a)第一硅-碳复合材料，包括：

i.多孔碳支架，包括微孔和中孔以及不小于0.5cm

ii.硅含量为30％至70％；

iii.多个颗粒，包括6μm至20μm的Dv50；

b)第二硅-碳复合材料，包括：

i.第二碳支架，包括微孔和中孔以及不小于0.5cm

ii.硅含量为30％至70％；

iii.多个颗粒，包括1μm至6μm的Dv50；以及

c)所述第一硅-碳复合材料的质量百分比为10％至90％，并且所述第二硅-碳复合材料的质量百分比为10％至90％。

在一些实施方式中，硅-碳复合混合物具有小于30m

一个实施方式提供了硅-碳复合混合物在阳极电极中的用途，所述硅-碳复合材料包括：

a)第一硅-碳复合材料，包括：

i.多孔碳支架，包括微孔和中孔以及不小于0.5cm

ii.硅含量为30％至70％；

iii.多个颗粒，包括6μm至20μm的Dv50；

b)第二硅-碳复合材料，包括：

i.第二碳支架，包括微孔和中孔以及不小于0.5cm

ii.硅含量为30％至70％；

iii.多个颗粒，包括1μm至6μm的Dv50；以及

c)所述第一硅-碳复合材料的质量百分比为10％至90％，并且所述第二硅-碳复合材料的质量百分比为10％至90％。

在一些实施方式中，硅-碳复合混合物具有小于30m

一个另外的实施方式提供了根据本文所述的实施方式中的任一个的阳极电极在电化学存储装置中的用途。

根据本文所述的组合物和方法生产的碳材料具有改进的电化学性质，并且特别适用于各种电气装置，尤其是锂离子电池。

根据本公开的一个方面，提供了用于电极的多峰硅-碳复合(硅-碳复合)材料。多峰硅-碳复合材料包括：第一硅碳复合物，其中，第一硅碳复合物包括颗粒尺寸分布为Dv50＝7μm至20μm的第一组分；并且包括至少一种另外的硅-碳复合物，其中，另外的硅-碳复合物包括至少一种多孔碳和30％至70％的硅含量，另外的硅-碳复合物具有颗粒尺寸分布为Dv50＝2μm至6μm的另外的组分，其中，多峰硅-碳复合物包括70％至90％的比例的第一组分的第一硅-碳复合物和10％至30％的比例的另外的硅-碳复合物。

在一些实施方式中，第一硅-碳复合物的第一组分的质量分数具有10％至90％，例如20％至90％，例如30％至90％，例如40％至90％，例如50％至90％，例如60％至90％的比例。相应地，在一些实施方式中，另外的硅-碳复合物的质量分数具有10％至90％，例如10％至80％，例如10％至70％，例如10％至60％，例如10％至50％，例如10％至40％的比例。

在一些实施方式中，第一硅-碳复合物的第一组分的质量分数具有10％至50％，例如20％至50％，例如30％至50％，例如40％至50％的比例。相应地，在一些实施方式中，另外的硅-碳复合物的另外的组分的质量分数具有50％至90％，例如50％至80％，例如50％至70％，例如50％至60％的比例。

通常，多孔碳中的硅通过含硅气体(诸如单硅烷，例如硅氢(SiH

因此，本主题涉及复合材料的颗粒尺寸组合物。在本文中，多峰意指复合材料包括至少两个组分。相应的组分是颗粒尺寸分布的颗粒尺寸的相应预定范围。

术语碳材料是指由碳或至少包括碳的材料或物质。在这方面，碳材料可以包括高纯度、无定形和结晶材料。碳材料可以是活性炭、热解干燥聚合物凝胶、热解聚合物冷冻凝胶、热解聚合物干凝胶、热解聚合物气凝胶、活化干燥聚合物凝胶、活化聚合物冷冻凝胶、活化聚合物干凝胶、活化聚合物气凝胶或其组合。在另一个实施方式中，碳能够通过热解椰子壳或其它有机废物来生产。在这方面，聚合物是包括两个或更多个重复结构单元的分子。

多孔碳(也称为多孔碳材料)提供的优点是它通常易于生产，通常具有低杂质和大孔体积。结果，多孔碳表现出良好的导电性和高的机械和化学稳定性。在一个实施方式中，碳材料具有高微孔体积比。

通常，多孔碳具有孔空间，也称为孔体积，其中，孔空间是碳中能够填充气体或流体的一组空隙(孔)。

在这方面，现有技术中描述多孔碳的性质和制造方法，例如第2017/0015559号美国公开，出于所有目的，其全部公开内容通过引用以其整体并入本文中。

Si部分可以是纯硅或包括硅的材料组合物。例如，Si部分可以是至少一种合金。合金可以是硅钛合金(Si-Ti)、硅铁合金(Si-Fe)、硅镍合金(Si-Ni)。在另一个实施方式中，Si部分可以由P掺杂剂、As掺杂剂或N掺杂剂组成。P掺杂剂通常是磷掺杂剂，As掺杂剂通常是砷掺杂剂，并且N掺杂剂通常是氮掺杂剂。

多峰硅-碳复合材料总质量的硅含量通常在10％和90％之间，例如在20％和80％之间，例如在30％和70％之间，例如在40％和60％之间。

粘合剂是粘合试剂(binding agent)或粘合材料。因此，粘合剂是指能够将物质(例如碳)的单个组成(特别是颗粒)保持在一起的材料。粘合剂通常布置为使得当颗粒与相应的粘合剂结合在一起时，形成可进一步成形为新形式的粘合的物质。

在一个实施方式中，粘合剂是苯乙烯-丁二烯胶/羧甲基纤维素(CMC/SBR)混合物、聚丙烯酸(PAA)和/或聚丙烯酸锂(LiPAA)或聚丙烯酸钠(NaPAA)。在可选择的实施方式中，粘合剂形成为含氟聚合物，例如聚四氟乙烯(PTFE)、全氟烷氧基聚合物树脂(PFA)、氟化乙烯丙烯(FEP)、聚乙烯四氟乙烯(ETFE)、聚氟乙烯(PVF)、聚乙烯氯三氟乙烯(ECTFE)、聚偏二氟乙烯(PCDF)、聚氯三氟乙烯(PCTFE)、三氟乙醇、或这些材料中的至少一种与至少一种其它材料的组合。在另一个实施方式中，粘合剂是聚酰亚胺、或聚丙烯酸和苯乙烯-丁二烯的共聚物。

本公开提供了复合物的双峰分布使得能够实现阳极电极的更高的堆积密度和改进的导电性的优点。

在另一个实施方式中，多峰硅-碳复合物包括至少一种另外的碳和/或至少一种另外的粘合剂。这导致碳增加了电极的导电性并且因此提供了改进的导电性的优点。至少一种另外的粘合剂还支持机械稳定性。另外的碳可以是硬碳材料、石墨碳或金属氧化物。

在一个实施方式中，至少一种另外的碳和/或至少一种另外的粘合剂溶解在水性介质中。

在另外的实施方式中，多峰硅-碳复合材料构成为使得硅-碳复合材料具有1.05g/cm

在另外的实施方式中，多峰硅-碳复合材料以如下方式组成：多峰硅-碳复合材料具有在4m

在另外的实施方式中，BET表面积在5m

这提供了电极的电阻减小的优点，从而允许Li离子与多峰Si-C复合材料的更快反应。因此，可以增加锂离子电芯的充电速度。

在一个实施方式中，碳是硬碳材料、石墨碳或金属氧化物。例如，金属氧化物是氧化硅(SiO

在一个实施方式中，碳可以是改性的硬碳。改性的硬碳是复合材料，该复合材料包括碳(特别是硬碳)和锂合金材料两者。锂合金材料可以是硅、锡、锗、镍、铝、锰、氧化铝(Al

在另外的实施方式中，粘合剂配置为粘合第一硅-碳复合物的多孔碳和Si部分、另外的硅-碳复合物的多孔碳和硅-碳部分、和/或第一硅-碳复合物和另外的硅-碳复合物。

在另外的实施方式中，粘合剂适于将另外的材料粘合到相应的硅-碳复合物中的至少一种上。因此，粘合剂通常布置为将多峰硅-碳复合材料的组成和任选的可形成为阳极的电极的另外的碳材料保持在一起。

在一个另外的实施方式中，多峰硅-碳复合材料包括至少两种粘合剂，其中，第一粘合剂布置为粘合第一硅-碳复合物的多孔碳和硅-碳部分以及第二硅-碳复合物的多孔碳和Si部分，并且其中，至少一种另外的粘合剂布置为将第一硅-碳复合物粘合到第二硅-碳复合物。

任选地，硅-碳复合材料包括至少一种适于将第一材料组成和至少一种另外的材料组成粘合在一起的另外的粘合剂。

根据本公开的另外的方面，提供了包括至少一种上述硅-碳复合多峰材料的阳极。

根据本公开的另外的方面，提供了制造上述硅-碳复合材料的方法。在第一步骤中，制备多孔碳支架材料。在优选的实施方式中，根据上述美国公开号2017/0015559制造碳支架。在优选的实施方式中，多孔碳支架碳是包括氮的无定形碳。氮(N)的使用改进了无定形碳的导电性。在一些实施方式中，聚合物凝胶在氮气中在700℃至950℃的温度下热解，以获得硅-碳复合材料。

在优选的实施方式中，多孔碳支架包括微孔、中孔和/或大孔，其中微孔被定义为直径小于2nm的孔，中孔被定义为直径2nm至50nm的孔，大孔被定义为直径大于50nm的孔。如本文所用，百分比“微孔”、“中孔”和“大孔”分别是指微孔、中孔和大孔的百分比，占总孔体积的百分比。例如，具有90％微孔的碳支架是其中碳支架的总孔体积的90％是微孔的碳支架。

在另外的步骤中，通过研磨粉碎硅-碳复合材料，以产生至少两种硅-碳复合物，其中两种硅-碳复合物中的每种具有独特的平均颗粒尺寸。特别地，至少两种硅-碳复合材料中的一种包括具有Dv50＝6μm至20μm的百分位数的颗粒尺寸分布，并且第二硅-碳复合物包括具有Dv50＝1μm至6μm的百分位数的颗粒尺寸分布。这种粉碎可以如本领域已知的那样完成，例如磨损型研磨(milling)过程，例如使用锤磨机、球磨机、喷磨机或其它磨损型研磨机减小颗粒尺寸。

硅-碳复合物的两个或更多个组分各自包括具有某些性质(例如，如前述美国公开号2017/0170477中所公开的性质)的多孔碳支架。表1中呈现示例性性质。

表1示例性碳支架性质

在另外的步骤中，使至少两个碳支架组分经受CVI工艺，以将硅浸渍到多孔碳的孔中。在上述第2017/0170477号美国公开中描述了这种工艺的描述。

本公开的另一个目的是提供一种制造包括上述硅-碳复合混合物的阳极电极的方法。

在第一步骤中，制造方法包括将Si-C复合材料与至少一种碳混合。在另外的步骤中，将混合物和粘合剂溶液在双螺杆挤出机中组合以形成电极浆料。在这种情况下，粘合剂溶液通常是溶解在水溶液中的粘合剂。在另外的步骤中，将电极浆料施加到电流导体上以产生至少一个电极。在另外的步骤中，在100℃至140℃的温度下干燥至少一个电极。

本公开的另一个目的是提供一种电能存储装置，特别是锂离子电池，其包括：至少一个阳极电极，包括上述多峰硅-碳复合材料；至少一个阴极电极，包括过渡金属氧化物；隔板，设置在阴极电极和阳极电极之间；以及电解质，包括锂离子。

当加工成如本文所述的电极时，多峰硅-碳复合材料提供了令人惊讶和出乎意料的结果。例如，包括多峰硅-碳复合材料的电极的某些有益性质超过包括多峰硅-碳复合材料的相应各组分的质量平均性质的性质。这种性质包括但不限于物理化学性质(诸如密度)和电化学性质(诸如导电性)。后者还提供了包括含有多峰硅-碳复合材料的电极的能量存储装置的增加的速率能力(rate capability)的令人惊讶和出乎意料的结果。

观察到多峰硅-碳复合材料的另一个改进是，与测量各组分的电极性质相比，用多峰硅-碳复合材料制备的电极的C速率能力增加。充电和放电C速率的改善在3％至30％的范围内，更优选在5％至15％的范围内。为了测量C速率性能，设置了类似的电极负载和电极制备。硅-碳复合材料和各组分的负载选择为4.0mAh/cm

因此，包括硅-碳复合材料的电极包括一种或多种具有增强因子E的性质，其中，E＝1-(复合材料的值)/(各组分的质量平均值)。为了确定E，在其它相同的条件下，测量多峰硅-碳复合材料和包括每个众数的各组分的电极性质的测量值。

在一些实施方式中，浆料混合物按照涂布、干燥和压延的顺序施加到如本领域已知的集电器。压延的程度可以表示为初始电极厚度和最终电极厚度之间的差除以初始电极厚度，表示为百分比。例如，对于50微米的初始电极厚度(即，在压延之前)和40微米的最终电极厚度(即，在压延之后)，压延的程度为20％。在一些实施方式中，压延的百分比为10％至50％，例如15％至40％，例如15％至30％。在另外的实施方式中，最终电极包括第一浆料混合物，该第一浆料混合物包括具有第一平均颗粒尺寸、施加到集电器上的第一Si-C复合物，并任选地干燥和压延。该电极还包括第二浆料混合物，该第二浆料混合物包括具有第二平均颗粒尺寸、施加到集电器上的第二Si-C复合物，并任选地被干燥和压延。任选地用另外的或两种或更多种Si-C复合物重复该电极分层过程以产生分层电极。

在某些实施方式中，对于一种或多种电极性质，E大于0.01，例如大于0.02，例如大于0.05，例如大于0.1，例如大于0.15，例如大于0.2，例如大于0.3，例如大于0.4，例如大于0.5，例如大于0.6，例如大于0.8，例如大于1.0。例如大于1.2，例如大于1.5，例如大于2.0。

示例1：通过CVI生产硅-碳复合材料。用于生产硅-碳复合物的碳支架(碳支架1)的性质呈现在表2中。使用碳支架1，通过CVI如下生产硅-碳复合物(硅-碳复合物1)：

将质量为0.2克的无定形多孔碳放入2英寸×2英寸的陶瓷坩埚中，然后置于水平管式炉的中心。将炉密封并用氮气以500立方厘米(ccm)/分钟连续吹扫。以20℃/分钟将炉温升高至450℃的峰值温度，在该峰值温度下允许平衡30分钟。此时，关闭氮气，然后分别以50ccm和450ccm的流速引入硅烷和氢气，总停留(dwell)时间为30分钟。在停留时间之后，关闭硅烷和氢气，并且再次将氮气引入到炉中以吹扫内部气氛。同时，关闭炉热并且允许冷却至环境温度。随后将完成的Si-C材料从炉中取出。

表2用于示例1的碳支架的描述

示例2：多种硅复合材料的分析。使用多种碳支架材料，并且通过氮气吸附气体分析来表征碳支架材料以确定比表面积、总孔体积和包括微孔、中孔和大孔的孔体积的组分。碳支架材料的表征数据呈现在表3中，即碳支架表面积、孔体积和孔体积分布(微孔百分比、中孔百分比和大孔百分比)的数据，全部通过氮吸附分析确定的。

表3各种碳支架材料的性质

使用表4中描述的碳支架样品以示例1中一般描述的静态床配置使用CVI方法生产各种硅-碳复合材料。采用一定范围的工艺条件生产这些硅-碳样品：硅烷浓度1.25％至100％，稀释气体氮气或氢气，碳支架起始质量0.2g至700g。

确定硅-碳复合物的表面积。还通过TGA分析硅-碳复合物以确定硅含量。还在半电芯硬币电芯中测试硅-碳复合材料。用于半电芯硬币电芯的阳极可以包括60％-90％的硅-碳复合物、5％-20％的Na-CMC(作为粘合剂)和5％-20％的超级C45(作为导电增强剂)，并且电解质可以包括2：1的碳酸亚乙酯：碳酸二亚乙酯、1M的LiPF

表4各种硅碳材料的性质

示例3：各种碳支架材料的颗粒尺寸分布。通过使用本领域已知的激光衍射颗粒尺寸分析仪确定各种碳支架材料的颗粒尺寸分布。表5呈现了颗粒尺寸分布数据，特别是Dv1、Dv10、Dv50和Dv90和Dv100。

表5各种碳支架材料的性质

示例4：各种硅-碳复合材料的混合。对于该示例，两种硅-碳复合材料以各种比率混合。表示为硅-碳复合物22的第一材料包括颗粒尺寸分布，该颗粒尺寸分布分别包括Dv1、Dv10、Dv50、Dv90和Dv99或0.35微米、0.76微米、3.28微米、6.30微米和8.28微米。表示为硅-碳复合物23的第二材料包括分别包括颗粒尺寸分布，该颗粒尺寸分布分别包括Dv1、Dv10、Dv50、Dv90和Dv99或4.23微米、5.73微米、8.80微米、13.0微米和15.98微米的。这两种材料的颗粒尺寸分布如图1所示。这两种材料以不同的质量比混合，例如30％硅-碳复合物22与70％硅-碳复合物23，或者50％硅-碳复合物22与50％硅-碳复合物23，或者70％硅-碳复合物22与30％硅-碳复合物23，并且相应的颗粒尺寸分布如图2所示。

示例5：多个混合的硅-碳复合材料。对于本示例5，两种硅-碳复合材料以不同的比例混合。表5中表示为硅-碳复合物24的第一材料包括颗粒尺寸分布，该颗粒尺寸分布分别包括Dv1、Dv10、Dv50、Dv90和Dv99或0.6微米、1.0微米、2.3微米、5.3微米和7.9微米。表6中表示为硅-碳复合物25的第二材料包括颗粒尺寸分布，该颗粒尺寸分布分别包括Dv1、Dv10、Dv50、Dv90和Dv99或1.2微米、4.1微米、8.2微米、14.6微米和20.8微米。材料24和25以不同的质量比混合。例如，混合物1包括10％的复合物24和90％的复合物25。混合物2包括90％的复合物24和10％的复合物25。最后，混合物3包括50％复合物24和50％复合物25。

表6各种碳支架材料的性质

实施方式

实施方式1.硅-碳复合混合物，包括：

a)第一硅-碳复合材料，包括：

i.多孔碳支架，包括微孔和中孔以及不小于0.5cm

ii.硅含量为30％至70％；

iii.多个颗粒，包括6μm至20μm的Dv50；

b)第二硅-碳复合材料，包括：

i.第二碳支架，包括微孔和中孔以及不小于0.5cm

ii.硅含量为30％至70％；

iii.多个颗粒，包括1μm至6μm的Dv50；以及

c)所述第一硅-碳复合材料的质量百分比为10％至90％，并且所述第二硅-碳复合材料的质量百分比为10％至90％。

实施方式2.根据实施方式1所述的硅-碳复合混合物，其中，所述硅-碳复合混合物具有小于30m

实施方式3.根据实施方式1或2所述的硅-碳复合混合物，其中，E大于0.01，其中，E定义为1-(复合混合物的密度)/(各组分的质量平均密度)，其中，密度是在由质量百分比为70％的复合物、质量百分比为20％的石墨、质量百分比为2％的超级C65和质量百分比为8％的PAA组成的电极中测量的电极密度。

实施方式4.根据实施方式3所述的硅-碳复合混合物，其中，为了确定E，在其它相同的条件下，测量所述硅-碳复合混合物和包括每个众数的各组分的电极性质的测量值。

实施方式5.硅-碳复合混合物，包括：

a)第一硅-碳复合材料，包括：

i.多孔碳支架，包括微孔和中孔以及不小于0.5cm

ii.硅含量为30％至70％；

iii.多个颗粒，包括6μm至20μm的Dv50；

b)第二硅-碳复合材料，包括：

i.第二碳支架，包括微孔和中孔以及不小于0.5cm

ii.硅含量为30％至70％；

iii.多个颗粒，包括1μm至6μm的Dv50；

c)所述第一硅-碳复合材料的质量百分比为10％至90％，并且所述第二硅-碳复合材料的质量百分比为10％至90％；

d)小于30m

e)E大于0.01，其中，E定义为1-(复合混合物的振实密度)/(各组分的质量平均振实密度)；以及

f)为了确定E，在其它相同的条件下，测量所述硅-碳复合混合物和包括每个众数的各组分的振实密度的测量值。

实施方式6.硅-碳复合混合物，包括：

a)第一硅-碳复合材料，包括：

i.多孔碳支架，包括微孔和中孔以及不小于0.5cm

ii.硅含量为30％至70％；

iii.多个颗粒，包括6μm至20μm的Dv50；

b)第二硅-碳复合材料，包括：

i.第二碳支架，包括微孔和中孔以及不小于0.5cm

ii.硅含量为30％至70％；

iii.多个颗粒，包括1μm至6μm的Dv50；

c)所述第一硅-碳复合材料的质量百分比为10％至90％，并且所述第二硅-碳复合材料的质量百分比为10％至90％；

d)小于30m

e)E大于0.01，其中，E被定义为1-(复合材料的电导率)/(各组分的质量平均电导率)。

实施方式7.根据实施方式1至6中任一项所述的硅-碳复合混合物，其中，E大于0.05。

实施方式8.根据实施方式1至6中任一项所述的硅-碳复合混合物，其中，E大于0.1。

实施方式9.制造硅-碳复合混合物的方法，所述方法包括以下步骤：

a)提供多孔碳支架；

b)粉碎所述多孔碳支架以产生至少两个颗粒的组分，包括：

i.第一多孔碳复合材料，包括Dv50＝6μm至20μm的多个颗粒；

ii.第二多孔碳复合材料，包括Dv50＝1μm至6μm的颗粒尺寸分布；以及

c)通过化学气相渗透将硅浸渍到多孔碳复合材料的所述至少两个颗粒的组分的孔中，以产生第一硅-碳复合物和第二硅-碳复合物；以及

d)混合所述第一硅-碳复合物和所述第二硅-碳复合材料。

实施方式10.根据实施方式1至9中任一项所述的硅-碳复合混合物，其中，所述混合物包括重量百分比为60％至90％的比例的第一组分的所述第一硅-碳复合物和重量百分比为10％至40％的比例的所述第二硅-碳复合物。

实施方式11.根据实施方式1至10中任一项所述的硅-碳复合混合物，其中，所述混合物包括重量百分比为70％至90％的比例的第一组分的所述第一硅-碳复合物和重量百分比为10％至30％的比例的所述第二硅-碳复合物。

实施方式12.制造硅-碳复合混合物的方法，所述方法包括以下步骤：

a)提供多孔碳支架；

b)粉碎所述多孔碳支架以产生至少两个颗粒的组分，包括：

i.第一多孔碳复合材料，包括Dv50＝6μm至20μm的多个颗粒；

ii.第二多孔碳复合材料，包括Dv50＝1μm至6μm的颗粒尺寸分布；以及

c)通过化学气相渗透将硅浸渍到多孔碳复合材料的所述至少两个颗粒的组分的孔中；

d)通过化学气相沉积将涂层施加到所述多孔硅-碳复合物的所述至少两个颗粒的组分的表面上；以及

e)混合第一颗粒的硅-碳复合材料和第二颗粒的硅-碳复合材料。

实施方式13.阳极电极，包括硅-碳复合混合物，所述硅-碳复合混合物包括：

a)第一硅-碳复合材料，包括：

i.多孔碳支架，包括微孔和中孔以及不小于0.5cm

ii.硅含量为30％至70％；

iii.多个颗粒，包括6μm至20μm的Dv50；

b)第二硅-碳复合材料，包括：

i.第二碳支架，包括微孔和中孔以及不小于0.5cm

ii.硅含量为30％至70％；

iii.多个颗粒，包括1μm至6μm的Dv50；以及

c)所述第一硅-碳复合材料的质量百分比为10％至90％，并且所述第二硅-碳复合材料的质量百分比为10％至90％。

实施方式14.根据实施方式13所述的阳极电极，其中，所述硅-碳复合混合物的表面积小于30m

实施方式15.根据实施方式13或14所述的阳极电极，其中，所述阳极电极具有包括大于0.01的E的密度，其中，E定义为1-(复合混合物的密度)/(各组分的质量平均密度)，其中，密度是在由质量百分比为70％的复合物、质量百分比为20％的石墨、质量百分比为2％的超级C65和质量百分比为8％的PAA组成的电极中测量的电极密度。

实施方式16.根据实施方式15所述的阳极电极，其中，为了确定E，在其它相同的条件下，测量所述硅-碳复合混合物和包括每个众数的各组分的电极性质的测量值。

实施方式17.根据实施方式13或14所述的阳极电极，其中，所述阳极电极具有包括大于0.01的E的密度，其中，E定义为1-(复合混合物的振实密度)/(各组分的质量平均振实密度)，其中，密度是在由质量百分比为70％的复合物、质量百分比为20％的石墨、质量百分比为2％的超级C65和质量百分比为8％的PAA组成的电极中测量的电极密度。

实施方式18.根据实施方式17所述的阳极电极，其中，为了确定E，在其它相同的条件下，测量所述硅-碳复合混合物和包括每个众数的各组分的电极性质的测量值。

实施方式19.根据实施方式15至18中任一项所述的阳极电极，其中，E大于0.05。

实施方式20.根据实施方式15至18中任一项所述的阳极电极，其中，E大于0.1。

实施方式21.根据实施方式13-20中任一项所述的阳极电极，其中，所述硅-碳复合混合物包括至少一种另外的碳和/或至少一种粘合剂。

实施方式22.根据实施方式21所述的阳极电极，其中，所述至少一种另外的碳和/或所述至少一种粘合剂溶解在水性介质中。

实施方式23.根据实施方式13至22中任一项所述的阳极电极，其中，所述硅-碳复合混合物构成为使得所述硅-碳复合混合物的电子密度范围从1.05g/cm

实施方式24.根据实施方式13-23中任一项所述的阳极电极，其中，所述硅-碳复合混合物的电导率范围从0.3S/cm至2S/cm或从0.5S/cm和1.2S/cm。

实施方式25.根据实施方式13-24中任一项所述的阳极电极，其中，所述碳是硬碳材料、石墨碳或金属氧化物。

实施方式26.根据实施方式13至25中任一项所述的阳极电极，其中，所述至少一种粘合剂配置为将所述第一硅-碳复合物的所述多孔碳和所述硅含量、所述第二硅-碳复合物的所述多孔碳和硅-碳部分、和/或所述第一硅-碳复合物和所述第二硅-碳复合物粘合。

实施方式27.根据实施方式13-26中任一项所述的阳极电极，其中，所述硅-碳复合混合物包括至少一种另外的粘合剂。

实施方式28.根据实施方式21、22、26或27中任一项所述的阳极电极，其中，所述至少一种粘合剂或所述至少一种另外的粘合剂是苯乙烯-丁二烯胶/羧甲基纤维素(CMC/SBR)混合物、聚丙烯酸(PAA)和/或聚丙烯酸锂(LiPAA)或聚丙烯酸钠(NaPAA)。

实施方式29.制造根据实施方式13-28中任一项所述的阳极电极的方法，所述方法包括以下步骤：

a)将硅-碳复合混合物与至少一种碳混合，以产生混合物；

b)在双螺杆挤出机中组合所述混合物和粘合剂溶液，从而形成电极浆料；

c)将所述电极浆料施加到导体，从而产生至少一个电极；

d)在100℃至140℃的温度下干燥所述至少一个电极。

实施方式30.电化学存储装置，特别是形成为锂离子电池的电化学存储装置，包括：

a)至少一个根据实施方式13-28中任一项所述的阳极电极；

b)至少一个电极，形成为阴极，包括过渡金属氧化物；

c)隔板，设置在所述阴极和所述阳极之间；以及

d)电解质，包括锂离子。

实施方式31.硅-碳复合混合物在阳极电极中的用途，所述硅-碳复合材料包括：

a)第一硅-碳复合材料，包括：

i.多孔碳支架，包括微孔和中孔以及不小于0.5cm

ii.硅含量为30％至70％；

iii.多个颗粒，包括6μm至20μm的Dv50；

b)第二硅-碳复合材料，包括：

i.第二碳支架，包括微孔和中孔以及不小于0.5cm

ii.硅含量为30％至70％；

iii.多个颗粒，包括1μm至6μm的Dv50；以及

c)所述第一硅-碳复合材料的质量百分比为10％至90％，并且所述第二硅-碳复合材料的质量百分比为10％至90％。

实施方式32.根据实施方式31所述的用途，其中，所述硅-碳复合混合物的表面积小于30m

实施方式33.根据实施方式31或32所述的用途，其中，所述阳极电极具有包括大于0.01的E的密度，其中，E定义为1-(复合混合物的密度)/(各组分的质量平均密度)，其中，密度是在由质量百分比为70％的复合物、质量百分比为20％的石墨、质量百分比为2％的超级C65和质量百分比为8％的PAA组成的电极中测量的电极密度。

实施方式34.根据实施方式33所述的用途，其中，为了确定E，在其它相同的条件下，测量所述硅-碳复合混合物和包括每个众数的各组分。

实施方式35.根据实施方式33或34所述的用途，其中，E大于0.05。

实施方式36.根据实施方式33或34所述的用途，其中，E大于0.1。

实施方式37.根据实施方式13-28中任一项所述的阳极电极在电化学存储装置中的用途。

实施方式38.用于生产阳极电极的方法，包括：

a)提供包括铜的集电器；以及

b)在集电器上施加第一阳极组合物，第一阳极组合物包括：

i.硅-碳复合阳极活性材料，包括多个颗粒，多个颗粒包括1μm

至20μm的Dv50；

ii.粘合剂；以及

iii.导电碳材料，包括多个颗粒，多个颗粒包括1nm至1μm的

Dv50；以及

c)将第二阳极组合物施加到第一阳极组合物上，第二阳极组合物包括：

i.硅-碳复合阳极活性材料，包括多个颗粒，多个颗粒包括1μm

至20μm的Dv50；

ii.粘合剂；以及

iii.导电碳材料，包括多个颗粒，多个颗粒包括1nm至1μm的

Dv50；以及

d)其中，包括在第一阳极组合物中的硅-碳复合材料的Dv50与包括在第二阳极组合物中的硅-碳复合材料的Dv50的比率＞1；以及

e)其中，包括在第一阳极组合物中的硅-碳复合材料的硅含量与包括在第二阳极组合物中的硅-碳复合材料的硅含量的比率＜1。

实施方式39.根据实施方式38所述的制备电极的方法，其中，第一硅-碳复合阳极活性材料包括：碳支架，包括微孔和中孔以及不小于0.5cm

实施方式40.根据实施方式38所述的制备电极的方法，其中，第二硅-碳复合阳极活性材料包括：碳支架，包括微孔和中孔以及不小于0.5cm

实施方式41.根据实施方式38所述的制备电极的方法，其中：

a)第一硅-碳复合阳极活性材料包括：碳支架，包括微孔和中孔以及不小于0.5cm

b)第二硅-碳复合阳极活性材料包括：碳支架，包括微孔和中孔以及不小于0.5cm

实施方式42.根据实施方式38至42中任一项所述的制备电极的方法，其中，第一硅-碳复合阳极活性材料包括石墨。

实施方式43.根据实施方式38至42中任一项所述的制备电极的方法，其中，第二硅-碳复合阳极活性材料包括石墨。

实施方式44.根据实施方式38至42中任一项所述的制备电极的方法，其中，第一硅-碳复合阳极活性材料包括石墨，并且第二硅-碳复合阳极活性材料包括石墨。

实施方式45.根据实施方式38至实施方式44中任一项所述的方法，其中，第二硅-碳复合阳极活性材料的硅含量小于第一硅-碳复合阳极活性材料的硅含量。

实施方式46.根据实施方式38至实施方式44中任一项所述的方法，其中，第二硅-碳复合阳极活性材料的硅含量大于第一硅-碳复合阳极活性材料的硅含量。

实施方式47.由实施方式38-46中任一项生产的电极。