阅读说明：本技术 纳米结构复合电极 (Nanostructured composite electrodes ) 是由 费尔南多·帕托洛斯基 居伊·大卫迪 尼姆罗德·哈帕克 于 2018-10-31 设计创作，主要内容包括：本文描述了数种复合电极,所述复合电极包含一不锈钢基板及数个含硅纳米结构,所述纳米结构自所述基板延伸。本文亦描述了通过预处理所述不锈钢而不需要一催化剂地制备所述电极的过程。所述含硅纳米结构的至少一部份以下述为特征：基本上不具有一非硅催化剂材料及/或一贵金属；及/或沿着它的长度包括一金属成分,所述金属成分源自所述不锈钢基板；及/或包括一金属硅化物,所述金属硅化物延伸自所述基板及沿着所述基板的长度的至少一部分延伸；及/或在由所述基板的一表面移除的一位置处被与至少一个其它的含硅纳米结构融合,以形成一海绵状三维结构；及/或是不锈钢纳米结构,所述不锈钢纳米结构有一硅层沉积在其上。(Composite electrodes are described herein that include a stainless steel substrate and silicon-containing nanostructures extending from the substrate. Also described herein is a process for preparing the electrode by pretreating the stainless steel without a catalyst. At least a portion of the silicon-containing nanostructures are characterized by: substantially free of a non-silicon catalyst material and/or a noble metal; and/or a metal component along its length, said metal component being derived from said stainless steel substrate; and/or comprises a metal silicide extending from the substrate and along at least a portion of the length of the substrate; and/or fused with at least one other silicon-containing nanostructure at a location removed from a surface of the substrate to form a spongy three-dimensional structure; and/or stainless steel nanostructures having a layer of silicon deposited thereon.)

纳米结构复合电极

技术领域及背景技术

本发明，在其一些实施例中，是关于电化学，及更特定地，但非限定地，是关于硅基电极，所述硅基电极可用于，举例而言，能量储存装置例如锂离子电池组中。

最普遍的能量储存装置之一是电池组(battery)，及燃料电池及电容器。关于电池组的最被研究的领域之一是寻找新材料，以作为相对于现行科技具有增加的电容量、循环寿命及整体表现改进的阳极或阴极。锂离子电池组，特别地受到相当程度的关注。

商用锂离子电池组典型地具有石墨作为它们的阳极材料，达到372毫安培小时/克(mAh/g)的一理论电容量。虽然石墨由于相对低的体积变化，以高稳定性及长循环寿命为特征，但已被认识到的是，以硅取代石墨可能有助于达成对较高电容量的要求。硅是充足的及具有达到4200毫安培小时/克的，相对于锂的一理论电容量，所述理论电容量较石墨的理论电容量高出一个数量级。

然而，目前可得的硅阳极苦于几个明显的劣势。硅的其中一个这样的劣势是硅结构在锂化及去锂化阶段时的大体积变化(约320％体积扩张)[Beaulieu等人，JElectrochem Soc,150:A1457-A1464，2003年]这些体积上的变化造成所述阳极的开裂及粉碎，导致所述硅阳极的快速劣化[Beaulieu等人，Electrochem Solid-State Lett,4:A137-A140，2001年；Besenhard等人，J Power Sources,68:87-90，1997年；Ryu等人，ElectrochemSolid-State Lett,7:A306-A309，2004年]此外，造成裂痕及粉碎的所述体积膨胀也允许一新的固态电解质界面(SEI)的形成[Peled，J Electrochem Soc,126:2047-2051，1979年]，由于此层的绝缘天性而造成电容量的迅速衰减及阻抗的增加，及此层随着电池组经历时间而累积起来，始终减缓电解质分解为所述硅材料。

处理硅阳极的可观的粉碎的一个方式是将所述硅材料的尺寸减至纳米尺度，而非使用成块硅。纳米尺度硅物件的高表面对体积比例增加所述结构承受压力的能力，因此限制所述材料的所述开裂的效应[Deshpande等人，J Power Sources,195:5081-5088，2010年]。许多类型的硅纳米结构(SiNS)已被研究过，包括硅纳米微粒(SiNP)、硅纳米管(SiNT)、核-壳结构，及硅纳米线(SiNW)。

Liu等人[ACS Nano,6:1522-1531，2012年]报告道在数个硅纳米粒子的第一次锂化(经由透射电子显微术观察)，大于约150纳米的粒子在表面上表现出裂痕。

硅粒子的开裂可能造成与集电器失去接触，及进一步的SEI形成，最终导致电容量快速衰减。使用SiNP作为阳极材料的一个可观的劣势是自一块状材料收获小于150纳米的SiNP需要研磨、辗磨及形成干净萃取以便成功地将这些纳米粒子用于电池组应用。此外，一旦SiNP准备好供使用，为了与所述集电器形成良好且导电的电性接触而对结合材料的需要亦限制了所述加工过程。

SiNW及SiNT也由于它们较大的抗压性而在所述硅结构的尺寸方面造成一些限制。

Wu等人[Nat Nanotechnol,7:310-315，2012年]报告了使硅及二氧化硅构成的，在约16微克/平方公分的一密度的，约30纳米的双层壁SiNT经受于12C速率使用的6000循环，在这样的条件下达到940毫安培小时/公克的一电容量。聚合物纳米纤维通过静电纺丝，接着是碳化及硅披覆，接着加热以移除所述碳层及创造一较厚的氧化层而被制备。

虽然在他们的锂离子电池组中达到非常高的循环稳定性(cyclability)，Wu等人的方法因为数个理由而是不实际的：(i)如该文中所述的SiNT的制造，以及通过替代技术(例如，如由[Ben-Ishai&Patolsky，J Am Chem Soc,131:3679-3689，2009年]所描述的技术)制造SiNT是复杂的及需要数阶段以完成，因此伤害所述过程的可扩充性；及(ii)所报告的所述SiNT的密度对应于约0.015毫安培小时/平方公分(mAh/cm²)的一电极容量，这对于一实际的锂离子电池组而言是非常低的。

Chan等人[Nat Nanotechnol,3:31-35，2008年]报告了使用SiNW的一高电容量锂离子电池组，所述SiNW是直接在集电器上被生长，允许直接电传输及良好的电性接触。非常高的电容量被报告，理论电容量在于C/20速率的第一充电循环被达到。然而仅约90％的一库仑效率被报告。

Peled等人[Nano Lett,15:3907-3916，2015年]描述了使用CVD及气液固(VLS)法在一SGL25AA碳纤维上生长SiNW。所述纤维作为一个三维(3D)的，开放性结构的表面，在其上金纳米粒子使用多聚左旋赖氨酸(poly-L-lysine)经由静电交互作用附着。

其它背景技术包括Chou等人[Scr Metall Mater,25:2203-2208，1991年]；Istratov等人[Appl Phys A,13-44，1999年]；Kim等人[Materials Lett,64:2306-2309，2010年]；Kim等人[Chem Mater,27:6929-6933，2015年]；Li等人[Adv Energy Mater,2:87-93，2012年]；及Peled&Menkin[J Electrochem Soc,164:A1703-A1719，2017年]；及美国专利第7,683,359号、第8,017,430号及第8,637,185号。

发明内容

根据本发明的一些实施例的一个方面，提供了一种复合电极，包含：

一不锈钢基板；及

数个含硅纳米结构，所述含硅纳米结构延伸自所述不锈钢基板，

其中在所述数个含硅纳米结构的至少一部分中或全部中，每个所述含硅纳米结构以下述中的至少一者为特征：

基本上不具有一非硅催化剂材料；及/或

基本上不具有一贵金属；及/或

沿着它的长度包括一金属成分，所述金属成分源自所述不锈钢基板；及/或

包括一金属硅化物，所述金属硅化物延伸自所述不锈钢基板及沿着所述不锈钢基板的长度的至少一部分延伸；及/或

在由所述不锈钢基板的一表面移除的一位置处被与至少一个其它的硅纳米结构融合，以形成一海绵状三维结构；及/或

是不锈钢纳米结构，所述不锈钢纳米结构有一硅层沉积在其上。

根据本发明的一些实施例的一个方面，提供了一种复合电极包含：

一不锈钢本体，所述不锈钢本体的一外表面包括数个细长不锈钢纳米结构，所述细长不锈钢纳米结构延伸自所述不锈钢本体；及

一硅层，沉积在所述数个细长不锈钢纳米结构中的每一个上。

根据本发明的一些实施例的一个方面，提供了一种制备一复合电极的方法，所述方法包含：

将一不锈钢基板与氢氟酸(HF)接触；及

在所述接触之后，使所述基板处于供生长一硅纳米结构的数个条件下，所述硅纳米结构延伸自所述基板。

根据本发明的一些实施例的一个方面，提供了一种制备一复合电极的方法，所述方法包含：

将一不锈钢本体与一气态的环境接触，所述气态的环境含有氢气，及自约850度至约1200度的一温度，因而通过暴露在所述环境以生长数个细长不锈钢纳米结构，所述细长不锈钢纳米结构延伸自所述不锈钢本体；及

在所述数个细长不锈钢纳米结构的每一个上形成一硅层。

根据本发明的任何实施例中的一些，在所述数个含硅纳米结构的至少一部分中或全部中，每个所述含硅纳米结构以下述中的至少一者为特征：

基本上不具有一非硅催化剂材料；及/或

基本上不具有一贵金属；及/或

沿着它的长度包括一金属成分，所述金属成分源自所述不锈钢基板；及/或

包括一金属硅化物，所述金属硅化物延伸自所述不锈钢基板及沿着所述不锈钢基板的长度的至少一部分延伸；及/或

在由所述不锈钢基板的一表面移除的一位置处被与至少一个其它的硅纳米结构融合，以形成一海绵状三维结构。

根据本发明的任何实施例中的一些，所述含硅纳米结构中的至少一部份是基本上不具有一金属材料，所述金属材料在数个硅纳米结构的一汽液固生长中可用作为一非硅催化剂。

根据本发明的关于一金属材料的任何实施例中的一些，所述金属材料包含一贵金属。

根据本发明的任何实施例中的一些，所述含硅纳米结构中的至少一部分基本上不具有一贵金属。

根据本发明的任何实施例中的一些，所述数个含硅纳米结构中的每一个基本上不具有一非硅催化剂材料。

根据本发明的关于一非硅催化剂材料的任何实施例中的一些，所述非硅催化剂材料是可用于数个硅纳米结构的一气液固生长中。

根据本发明的关于一非硅催化剂材料的任何实施例中的一些，所述非硅催化材料是一金属催化剂材料。

根据本发明的任何实施例中的一些，所述数个含硅纳米结构中的每个基本上不具有一贵金属。

根据本发明的关于一贵金属的任何实施例中的一些，所述贵金属包含黄金。

根据本发明的任何实施例中的一些，在所述数个含硅纳米结构的至少一部分中或全部中，每个含硅纳米结构沿着它的长度包括一或更多金属成分，所述金属成分源自于所述不锈钢基板。

根据本发明的关于一金属成分的任何实施例中的一些，所述金属成分选自于镍、铜及铁。

根据本发明的任何实施例中的一些，在所述数个含硅纳米结构的至少一部分中或全部中，每个所述含硅纳米结构包括一金属硅化物，所述金属硅化物延伸自所述不锈钢基板，及沿着所述不锈钢基板的长度的至少一部分延伸。

根据本发明的任何实施例中的一些，在所述数个含硅纳米结构的至少一部分中或全部中，每个所述含硅纳米结构在由所述不锈钢基板的一表面移除的一位置处被与至少一个其它的含硅纳米结构融合，以形成一海绵状三维结构。

根据本发明的任何实施例中的一些，所述数个含硅纳米结构形成数个交叉链的一个三维网络。

根据本发明的任何实施例中的一些，在所述数个含硅纳米结构的至少一部分中或全部中，每个所述含硅纳米结构包括一结晶核心及一个半无定形外壳。

根据本发明的任何实施例中的一些，在所述数个含硅纳米结构的至少一部分中或全部中，每个所述含硅纳米结构具有在20微米及300微米之间的一长度。

根据本发明的任何实施例中的一些，在所述数个含硅纳米结构的至少一部分中或全部中，每个所述含硅纳米结构具有在10纳米及300纳米之间的一直径。

根据本发明的任何实施例中的一些，所述含硅纳米结构的至少一部分包含数个硅纳米线。

根据本发明的关于一硅层的任何实施例中的一些，所述硅层基本上披覆所述数个不锈钢纳米结构的至少一部分或每个的一外表面上。

根据本发明的关于一硅层的任何实施例中的一些，所述硅层具有自约6纳米至约200纳米的一厚度。

根据本发明的关于数个不锈钢纳米结构的任何实施例中的一些，所述数个含硅纳米结构形成数个交叉链的一个三维网络。

根据本发明的关于数个不锈钢纳米结构的任何实施例中的一些，所述所述数个细长不锈钢纳米结构在所述不锈钢本体的所述外表面处形成一海绵状纳米孔洞不锈钢网络。

根据本发明的关于数个不锈钢纳米结构的任何实施例中的一些，所述数个细长不锈钢纳米结构具有在20微米及300微米之间的一长度。

根据本发明的关于数个不锈钢纳米结构的任何实施例中的一些，所述数个不锈钢纳米结构中的每个具有在30纳米及90纳米之间的一直径。

根据本发明的关于与氢氟酸接触的任何实施例中的一些，在所述接触之后，获得在所述不锈钢基板上的一纳米孔洞表面结构，所述纳米孔洞表面结构包括数个纳米结构生长种子位置，及生长所述硅纳米结构是自所述数个纳米结构生长种子位置的至少一部分或每一个。

根据本发明的关于与氢氟酸接触的任何实施例中的一些，所述接触是与一氢氟酸水溶液相接触。

根据本发明的关于与氢氟酸接触的任何实施例中的一些，所述氢氟酸的一浓度范围按重量计算自5％至15％。

根据本发明的关于与氢氟酸接触的任何实施例中的一些，所述接触持续自10分钟至60分钟的一时段。

根据本发明的关于含硅纳米结构的任何实施例中的一些，所述硅纳米结构的生长是通过使用一硅前驱物进行蒸气沉积来执行。

根据本发明的任何个别实施例中的一些，所述硅前驱物是99.5％硅烷。

根据本发明的关于蒸气沉积的任何实施例中的一些，所述蒸气沉积在400度及500度之间的一温度下进行。

根据本发明的关于蒸气沉积的任何实施例中的一些，所述蒸气沉积在至少1托的一压力下进行。

根据本发明的关于蒸气沉积的任何实施例中的一些，所述蒸气沉积进行5分钟至90分钟之间。

根据本发明的关于一方法的任何实施例中的一些，所述过程在生长所述纳米结构之后，进一步包括：使所述纳米结构经受热处理。

根据本发明的关于一热处理的任何实施例中的一些，所述热处理是在一氢气的气氛中或在一真空中。

根据本发明的关于一热处理的任何实施例中的一些，所述热处理持续自2至8分钟之间的一时段。

根据本发明的关于一热处理的任何实施例中的一些，所述热处理发生在650度及850度之间的一温度。

根据本发明的关于一方法的任何实施例中的一些，所述数个条件提供一硅纳米结构，所述硅纳米结构具有自约10纳米至约200纳米的至少一维度的特征。

根据本发明的关于制备一复合电极的一方法的任何实施例中的一些，所述复合电极是如本文中所述，根据任何个别的实施例。

根据本发明的关于一气态的环境的任何实施例中的一些，在所述气态的环境中的所述氢气的一浓度依体积计算是自1至10％。

根据本发明的关于一气态的环境的任何实施例中的一些，所述气态的环境进一步包括氮气或氩气中的至少一者。

根据本发明的关于与一气态的环境接触的任何实施例中的一些，所述接触持续约至少30分钟的一时段。

根据本发明的关于一硅层的任何实施例中的一些，形成所述硅层包含：在自约380度至约550度的一温度下气相沉积硅。

根据本发明的关于一硅层的任何实施例中的一些，形成所述硅层包含：气相沉积硅，并持续自约30分钟至约180分钟的一时段。

根据本发明的关于一硅层的任何实施例中的一些，形成所述硅层包含：使用一硅烷气前驱物进行气相沉积硅。

根据本发明的关于一硅层的任何实施例中的一些，形成所述硅层包含：在自约1托至约25托的一压力下气相沉积硅。

除非另外定义，在本文中被使用的所有技术及/或科学术语与在本发明所属技艺中具有通常技术者所通常了解的具有相同的意义。虽然类似于或等同于本文中所述的方法及材料的方法及材料可以被用于本发明的实施例的实施或测试，示例性的方法及/或材料在下文中被描述。若有冲突，发明说明书，包括定义，将具有主控地位。此外，材料、方法及示例仅是例证性的及并不意在必然为限制性的。

除非另外定义，在本文中被使用的所有技术及/或科学术语与在本发明所属技艺中具有通常技术者所通常了解的具有相同的意义。虽然类似于或等同于本文中所述的方法及材料的方法及材料可以被用于本发明的实施例的实施或测试，示例性的方法及/或材料在下文中被描述。若有冲突，发明说明书，包括定义，将具有主控地位。此外，材料、方法及示例仅是例证性的及且不意在必然为限制性的。

实施本发明的实施例的方法及/或系统可能涉及手动地、自动地或以其一结合，实施或完成所选择的作业。并且，根据本发明的方法及/或系统的实施例的实际仪器及设备，数个所选择的作业可以通过硬体、通过软体或通过韧体或通过其一结合，使用一作业系统而被实施。

举例而言，用于根据本发明的实施例执行选定的作业的硬体可以作为一晶片或一电路而被实现。作为软体，根据本发明的实施例的所选定的作业可以做为通过使用任何适合的作业系统的一电脑而被执行的数个软体指令。在本发明的一示例性实施例中，根据本文中所描述的方法及/或系统的示例性实施例的一或更多作业是通过一资料处理器，例如用于执行数个指示的一计算平台来执行。可选地，所述资料处理器包括用于储存指令及/或资料的一挥发性记忆体及/或一非挥发性储存，举例而言，一磁性硬盘及/或移动存储，用以储存指示及/或资料。可选地，一网路连结亦被提供。一显示及/或一使用者输入装置比如一键盘或滑鼠亦可选地被提供。

附图说明

本发明的一些实施例在本文中仅以示例性的方式，参照随附的图式而被描述。随着说明书参照图式的细节，需要强调的是，被展示的细节是以作为示例的方式及是为了例证性地讨论本发明的实施例。在此方面，伴随图示的描述使得对熟习本技艺之人而言，本发明的实施例可以如何被实践成为明显的。

在图示中：

图1描绘根据本发明的一些实施例的，包含一硅基电极的一电池组。

图2A至2D呈现不锈钢网状物的光学显微影像(图2A及2B；暗视野影像，嵌入亮视野影像)及高解析度扫描电子显微影像(图2C及2D)，所述不锈钢网状物是以40％氢氟酸处理30分钟(图2B及2D)的及未处理(如接收)的不锈钢网状物(图2A及2C)；在图2及2D中的比例尺代表10微米，除了在图2D的嵌入图中比例尺代表1微米(在所有图式中的嵌入影像是处于较高的解析度)。

图3A至3C呈现以40％氢氟酸处理30分钟的不锈钢(刚级316)的X射线光电子光谱学光谱；图3B展示在图3A中的光谱包含镍峰值的部分，及图3C展示在图3A中的光谱包含铜峰值的部分(嵌入图代表未处理控制组钢铁的相应光谱)。

图4A及4B呈现有(图4B)或无(图4A)以40％氢氟酸处理30分钟，接着化学蒸气沉积硅1小时的不锈钢网状物的扫描电子显微影像；图4B中的硅密度是1.18毫克/平方公分；比例尺代表100微米，除了嵌入图，在嵌入图中比例尺代表1微米(图4A)或10微米(图4B)。

图5A至5D呈现以40％氢氟酸处理30分钟，接着化学蒸气沉积硅7分钟(460度，25托，5sccm(单位时间标准毫升数)硅烷，20sccm氩)的不锈钢网状物；比例尺在图5A中代表10微米，在图5B中代表1微米及在图5C及5D中代表10纳米。

图6A至6D呈现以40％氢氟酸处理30分钟，接着化学蒸气沉积硅直到0.5毫克/平方公分(图6A)、1.09毫克/平方公分(图6B)、3.07毫克/平方公分(图6C)或5.11毫克/平方公分(图6D)的一硅密度被获得的不锈钢网状物的暗视野工学显微影像(所有图中的嵌入图皆处于较高的放大倍率)。

图7A至7D分别呈现在图6A至6D中展示的具有沉积硅的相同的不锈钢网状物样本的高解析度扫描电子显微影像；比例尺在图7A及7D中代表100微米、及在图7B及7C与在所有图中的嵌入图中代表10微米。

图8A及8B呈现在以40％氢氟酸处理所述网状物30分钟后，生长在一不锈钢网状物上，包含本征硅(图8A)或掺硼的P型硅(图8B)的硅纳米结构的TOF-SIMS(飞行时间二次离子质谱)光谱。

图9呈现根据本发明的一些实施例，通过原子层沉积，在硅上形成一氧化铝披覆的一示意描绘。

图10A至10D呈现生长在一不锈钢基板上，及通过“暴露”原子层沉积披覆以一层氧化铝(约5纳米)的数个示例性硅结构的透射电子显微影像；图10A及10D展示一清楚的结晶核心(图10D呈现在图10A中展示的样本中，一快速傅里叶变换在方向[111]展现结晶性)，及图10B及10C展示示例性的相连结构；比例尺在图10A(结构直径为78纳米)及图10B中代表20纳米，及在图10C中代表50纳米。

图11呈现生长在一不锈钢基板及经受两个锂化/去锂化循环的数个示例性硅结构的一透射电子显微影像。

图12A及12B呈现生长在一不锈钢基板上及披覆两层氧化铝，接着经受两个锂化/去锂化循环的数个示例性硅结构的透射电子显微影像。

图13A至13C呈现展示一示例性阳极作为电化学循环数(循环于1毫安培，偶尔循环于0.1毫安培)的函数的充电及放电电容量(图13A及13B)及库仑效率(图13B；浅色方块)的数个图表，所述示例性阳极包含1.18毫克硅/平方公分，披覆氧化铝，及所述阳极的电压作为于50、150、250、350及450循环的电容量的函数(电化学电池以在具2％VC(碳酸亚乙烯酯)及15％FEC(氟代碳酸乙烯酯)的1:1EC:DEC(1：1碳酸乙烯酯：碳酸二乙酯)中的85％1MLiPF₆建构而成)。

图14A及14B呈现包含1.18毫克/平方公分的硅，披覆以氧化铝的一示例性阳极于1毫安培电流(图14A)或0.1毫安培电流(图14B)经历循环的dQ/dV图(电化学电池以在1:1EC:DEC及2％VC+15％FEC中的85％1M LiPF₆建构而成)。

图15A至15D呈现在700循环后，包含1.18毫克硅/平方公分，披覆以氧化铝的一示例性阳极的数个硅结构(图15A至15C)的扫描电子显微影像(图15A)及透射电子显微影像(图15B至15D)及固态电解质界面(SEI)的透射电子显微影像(图15D)；图15B展示具有完整氧化铝披覆的结构，图15C展示自氧化铝披覆层分离的结构，图15D展示在SEI中分离的氧化铝壳，在嵌入图中放大一氧化铝壳；比例尺在图15A中代表50微米，在图15B及15C中代表50纳米，及在图15D中代表200纳米及在图15D中的嵌入图中代表5纳米。

图16描绘根据本发明的一些实施例，在重复的充电及放电后，在一硅纳米粒子上的固态电解质界面(SEI)形成的一模型。

图17A至17D呈现数个图表，展示使用20纳米黄金纳米粒子作为催化剂生长在原生硅基板上的数个P型硅纳米线结构(AuNP生长SiNW)，或在650度退火2小时之前或之后生长在不锈钢上的数个硅结构，在零闸极电压(图17A及17B，仅在Y轴的尺度上不同)，作为V_sd(源极-汲极电压)的一函数的I_sd(源极-汲极电流)，及在源电极及汲电极之间的一示例性硅结构的一扫描电子显微影像(图17C)及在退火后的一多晶硅结构的高解析度透射电子显微影像(图17D)及快速傅里叶变换(图17D的嵌入图)；比例尺在图17C中代表5微米及在图17D中代表20纳米。

图18呈现根据本发明的一些实施例，具有0.6毫克/平方公分的一硅密度的一3D海绵状纳米孔洞硅覆于不锈钢网络(一公尺乘30公分)的一影像；所述不锈钢(刚级316)被以氢氟酸处理，接着使用一4吋化学蒸气沉积装置沉积硅。

图19以各种放大倍率呈现未处理(如接收的)的不锈钢(304)网状物的高解析度扫描电子显微影像。

图20A至20E以各种放大倍率呈现不锈钢(304)网状物在以氢氟酸处理30分钟后的高解析度扫描电子显微影像。

图21呈现不锈钢(304)网状物(25微米)在以氢氟酸处理30、45及60分钟后的扫描电子显微影像。

图22呈现不锈钢(304)网状物(50微米)在以氢氟酸处理30、45及60分钟后的扫描电子显微影像。

图23呈现以氢氟酸处理30分钟后的不锈钢(304)的一扫描电子显微影像。

图24A及24B呈现以氢氟酸处理30分钟后的不锈钢(304)，通过能量弥散X射线谱(energy dispersive X-ray spectroscopy)进行的一元素分析。

图25A至25F呈现包含一结晶核心及一无定形硅壳的数个示例性硅纳米结构的透射电子显微影像(图25A、25C及25F中的嵌入图呈现快速傅立叶变换)。

图26A至26E呈现在以氢氟酸前处理30分钟的一不锈钢网状物(25微米)上通过CVD生长140分钟的数个p型硅纳米结构的高解析度扫描电子显微影像。(域平均直径＝232.5±3.5纳米)

图27呈现根据本发明的一些实施例的，一硅网络在高温退火后的数个经焊接硅接点的一高解析度扫描电子显微影像。

图28A至28D呈现被卷成一圆柱(直径约1.5公分)的一经氢氟酸处理的不锈钢网状物(25微米)，在经受CVD(在25托及460度持续90分钟)以沉积数个硅纳米结构之前(图28A)及之后(图28B至28D)的影像。

图29A及29B各自呈现一经氢氟酸处理的，被卷起及经受CVD(如对图28所叙述的)不锈钢薄片(25微米)的影像，影像于中等(图29A)及高度(图29B)放大倍率，取自所述卷的不同长度(左侧对应于相对于硅烷流的上游及右侧对应于相对于硅烷流的下游)(HV＝15.0kV,WD＝11.0-11.3毫米，放大倍率在图29A中约500倍，及在图29B中约2000倍)。

图30A至30F呈现根据本发明的一些实施例，在950度至1100度的一范围内的温度下，于一含氢气氛中热处理后的一不锈钢网状物的扫描电子显微影像。

图31A至31E呈现根据本发明的一些实施例，在950度至1100度的一范围内的温度下，在一含氢气氛中进行热处理后的在一不锈钢网状物上的金属基底结构的透射电子显微影像(图31A、31C及31D)、一EDX光谱学光谱(图31B)及一快速傅里叶变换(图31E；在图31D中所展示的样本的快速傅里叶变换)(比例尺代表20纳米)。

图32A至32F呈现根据本发明的一些实施例，于950度至1100度的一范围内的温度下，在一含氢气氛中热处理及通过化学蒸气沉积沉积硅后的在不锈钢网状物上的硅披覆金属基底结构的透射电子显微影像(比例尺代表20纳米)；图32C至32F的嵌入图呈现快速傅立叶变换。

图33描绘用于分析的一兰德雷思电路模型。

图34A及34B呈现图表，展示硅纳米结构阳极(在不锈钢网状物上每平方公分0.77毫克掺P[1:4000]硅)在充电或放电时，在0.05至1伏特的范围内，作为电化学循环数(循环指数)的一函数的电容量(以毫安培小时每平方公分或每阳极(图34A)或每公克硅(图34B)为单位)及库仑效率(图34B)(电解质是在EC:DEC+2％VC+15％FEC中的0.85M LiPF₆)。

图35呈现一图表，展示掺P及本征硅纳米结构阳极(在不锈钢网状物上的披覆氧化铝的硅)在充电及放电时，作为电化学循环数(循环指数)的一函数的电容量(以毫安培小时每公克硅为单位)。

图36呈现一图表，展示硅纳米结构阳极(0.78平方公分，0.7毫克硅在不锈钢网状物上)与常规碳墨在充电或放电时，在0.05至1伏特的范围内作为电化学循环数(循环指数)的一函数的电容量(以毫安培小时/平方公分为单位及以毫安培小时每阳极为单位)(电解质是在EC:DEC+2％VC+15％FEC中的0.85M LiPF₆)；平均CE(库仑效率)是99.24％。

图37呈现一图表，展示硅纳米结构阳极(0.78平方公分，1.4毫克硅在不锈钢网状物上)与常规碳墨在充电及放电时，在0.05至1伏特的范围内作为电化学循环数(循环指数)的一函数的电容量(以毫安培小时/平方公分为单位及以毫安培小时每阳极为单位)(电解质是在EC:DEC+2％VC+15％FEC中的0.85M LiPF₆)；平均CE是99.04％。

图38呈现一图表，展示两个硅纳米结构阳极(1.13平方公分，2.26毫克硅在不锈钢网状物上)及TUBALL碳纳米管碳墨在充电或放电时，在0.05至1伏特的范围内作为电化学循环数(循环指数)的一函数的电容量(电解质是在EC:DEC+2％VC+15％FEC中的0.85MLiPF₆)。

图39呈现一图表，展示无碳墨的硅纳米结构阳极(0.78平方公分，0.7毫克硅在不锈钢网状物上)在充电及放电时，在0.05至1伏特的范围内作为电化学循环数(循环指数)的一函数的电容量(电解质是在EC:DEC+2％VC+15％FEC中的0.85M LiPF₆)。

图40呈现一图表，展示4个披覆以或未披覆以碳墨(0.93毫克/平方公分)的硅纳米结构阳极作为电化学循环数(循环指数)的一函数的电容量。

图41呈现一图表，展示4个披覆以或未披覆以碳墨的硅纳米结构的作为阳极相对于锂金属(2.2毫克/平方公分)的电化学循环数(循环指数)的一函数的电容量。

图42呈现一图表，展示4个披覆以SWCNT碳墨的硅纳米结构阳极)的作为相对于锂金属(2.2毫克/平方公分的电化学循环数(循环指数)的一函数的电容量。

图43呈现一图表，展示披覆以SWCNT碳墨的一硅纳米结构阳极在充电或放电时，作为相对于锂金属(2.2毫克/平方公分)的电化学循环数(循环指数)的一函数的电容量。

图44呈现一图表，展示3个披覆以SWCNT碳墨的硅纳米结构阳极(1.13平方公分，1毫克硅)在充电或放电时，在0.05至1伏特的范围内，作为电化学循环数(循环指数)的一函数的电容量(电解质是在EC:DEC+2％VC+15％FEC中的0.85M LiPF₆)；电池#1至#2受害于程式中的错误，电池#3仍可运行。

图45A及45B呈现一硅纳米结构阳极相对于锂金属充电(图45A)及放电(45B)的阻抗奈奎斯特图。

图46A及46B呈现图表，展示硅纳米结构阳极(0.78平方公分，0.94毫克硅在不锈钢网状物上)在充电及放电时，在2.8至4伏特的范围内作为相对于NCA阳极(得自塔迪兰)的电化学循环数(循环指数)的一函数的电容量(以毫安培小时/平方公分或毫安培小时每阳极(图46A)或毫安培小时每公克硅(图46B)为单位)及库仑效率(在图46B中的浅色方块)(电解质是0.85M LiPF₆+在EC:DMC：FEC：PC[3：3：3：1]中的0.05M LIBOB)。

图47呈现一图表，展示数个NCA阳极(1.77平方公分，19毫克/平方公分)在4.4至3.5伏特(电池5至7)或4.2至3.5伏特(电池1，3，4)的范围内作为电化学循环数的一函数的电容量(C)(电解质是在EC:DEC+2％VC+15％FEC中的0.85M LiPF₆)。

图48呈现一图表，展示NCA阳极(1.77平方公分)，相对于锂金属，在充电时在4.2至4.6伏特的范围内作为电化学循环数(循环指数)的一函数的电容量，使用在EC:DEC+2％VC+15％FEC中的0.85M LiPF₆「TAU」复制样本)或0.85M LiPF₆+在EC:DMC：FEC：PC[3：3：3：1]中的0.05M LIBOB(「塔迪兰」复制样本)作为电解质。

图49呈现一图表，展示4个披覆以SWCNT碳墨的硅纳米结构阳极(2毫克硅/平方公分)，充电或放电时，在4至3伏特的范围内，作为在全电池中与NCA阳极相对的电化学循环数(循环指数)的一函数的电容量(电解质是在EC:DEC+2％VC+15％FEC中的0.85M LiPF₆)。

图50呈现一图表，展示披覆以SWCNT的一硅纳米结构阳极，在充电或放电时在0.05至1伏特的范围内，作为在全电池中与LFP阳极相对的电化学循环数(循环指数)的一函数的电容量(电解质是在EC:DEC+2％VC+15％FEC中的0.85M LiPF₆)；平均CE是99.93％。

图51A及51B呈现图表，展示(披覆氧化铝的)硅纳米结构阳极(0.78平方公分，0.94毫克硅，0.2毫克氧化铝在不锈钢网状物上)在充电或放电时，在0.05至1伏特的范围内作为电化学循环数(循环指数)的一函数的电容量(以毫安培小时每平方公分或每阳极(图51A)或每公克硅(图51B)为单位)及库仑效率(在图51B中的浅色方块)(电解质是在EC:DEC+2％VC+15％FEC中的0.85M LiPF₆)；平均CE是99.4％，电池仍具活性。

图52呈现一图表，展示披覆以常规碳墨的(披覆氧化铝的)硅纳米结构阳极(0.78平方公分，1.7毫克硅在不锈钢网状物上)在充电或放电时，在0.05至1伏特的范围内作为电化学循环数(循环指数)的一函数的电容量(电解质是在EC:DEC+2％VC+15％FEC中的0.85MLiPF₆)；平均CE是99.14％。

图53呈现一图表，展示披覆以常规碳墨的2个(披覆氧化铝的)硅纳米结构阳极(0.5毫克硅/平方公分，约5纳米氧化铝，在不锈钢网状物上)在充电或放电时，在4至3伏特的范围内，作为在全电池中与NCA阳极相对的电化学循环数(循环指数)的一函数的电容量(电解质是在EC:DEC+2％VC+15％FEC中的0.85M LiPF₆)。

图54呈现一图表，展示披覆以常规碳墨的4个(披覆氧化铝的)硅纳米结构阳极(2.1毫克硅/平方公分，约5纳米氧化铝，在不锈钢网状物上)在充电时，在4至3伏特的范围内，作为在全电池中与NCA阳极相对的电化学循环数(循环指数)的一函数的电容量(电解质是在EC:DEC+2％VC+15％FEC中的0.85M LiPF₆)。

图55呈现一图表，展示被披覆以通过35循环的ALD形成的氧化铝(约5纳米)或通过70循环的ALD形成的氧化铝(约10纳米)，之后披覆以SWCNT碳墨的硅纳米结构阳极(1.13平方公分，2.7毫克硅在不锈钢网状物上)，在充电或放电时，作为电化学循环数(循环指数)的一函数的电容量。

图56A及56B呈现图表，展示具有或不具有通过30循环(图56B)或70循环(图56A)的ALD形成的氧化铝镀膜氧化铝的硅纳米结构阳极(在图56A中为2.4毫克硅/平方公分，在图56B中为2.1毫克硅/平方公分)，在充电或放电时，作为电化学循环(循环指数)的一函数的电容量。

图57A及57B呈现有(图57B)及无(图57A)在400度退火2小时的数个硅纳米结构(1.8毫克硅/平方公分)的扫描电子显微影像。

图58呈现一图表，展示8个硅纳米结构阳极作为电化学循环数(循环指数)的一函数的电容量；实心符号代表经退火的阳极，空心符号代表未经退火的阳极。

图59呈现一图表，展示硅纳米结构阳极在充电或放电时，作为相对于锂的电化学循环数(循环指数)的一函数的电容量；红色及黑色符号代表经受退火的阳极，蓝色及绿色符号代表未退火的控制组阳极。

图60呈现一图表，展示具有或不具有一聚合物披覆层(LiPAA,NaCMC或藻酸盐)的硅纳米结构阳极(1.13平方公分，0.9毫克硅在不锈钢网状物上)，在充电或放电时，在0.05至1伏特的范围内，作为电化学循环数(循环指数)的一函数的电容量(碳披覆层是SB碳，电解质是在EC:DEC+2％VC+15％FEC中的0.85M LiPF₆)。

图61A至61B呈现在15托及430度持续20分钟，使用二硅烷(3sccm)及氢(10sccm)沉积在不锈钢网状物上的硅纳米结构的扫描电子显微影像(于不同放大倍率)。

图62A及62B呈现在15托及420度持续20分钟，使用二硅烷(3sccm)及氢(10sccm)沉积在不锈钢网状物上的硅纳米结构的扫描电子显微影像(于不同放大倍率)。

图63A及63B呈现在25托及410度持续20分钟，使用二硅烷(3sccm)氢(5sccm)及氩(5sccm)沉积在不锈钢网状物上的硅纳米结构的扫描电子显微影像(于不同放大倍率)。

图64呈现一图表，展示一硅纳米结构-NCA电池在循环时作为时间的一函数的工作电极(Ewe)、相对电极(Ece)及电池(Ecell)的电压，使用具一锂参考物的一个3电极电池测定。

图65呈现一图表，展示一硅纳米结构-LFP电池，在具有一锂参考物的一个3电极电池中，在充电或放电时，作为电化学循环数(循环指数)的一函数的电容量。

图66呈现一图表，展示一硅纳米结构-NCA电池，在具有一锂参考物的一个3电极电池中，在充电或放电时，作为电化学循环数(循环指数)的一函数的电容量。

图67呈现一图表，展示在一个3电极电池中测定的，在一硅纳米结构阳极上，在相对于LFP或NCA阳极的电化学循环时，作为循环数(循环指数)的一函数的端电压。

图68呈现根据本发明的一些实施例而制备的三个1/3AAA硅纳米结构NCA电池的一照片(用作尺寸参考的硬币具有18毫米直径)。

图69呈现一图表，展示根据本发明的一些实施例而制备的三个1/3AAA硅纳米结构NCA电池，在充电或放电时，作为电化学循环数(循环指数)的一函数的电容量，所述电化学循环是在C/20或C/6的一速率。

图70呈现一图表，展示根据本发明的一些实施例而制备的九个1/3AAA硅纳米结构NCA电池，作为电化学循环数(循环指数)的一函数的(充电时)电容量，所述电化学循环是在C/3的一速率。

图71呈现一图表，展示根据本发明的一些实施例而制备的两个1/3AAA硅纳米结构NCA电池，作为电化学循环数(循环指数)的一函数的(充电或放电时)电容量。

图72呈现一图表，展示具有或不具有(参照组)一SWCNT双面披覆，(在一样本中)接着热裂解的硅纳米结构阳极作为电化学循环数(循环指数)的一函数的电容量。

图73A及73B呈现双面披覆以SWCNT，有(图73B)或没有(73A)经受(在氩/氢中)在750度热裂解1小时的硅纳米结构的扫描电子显微影像。

图74呈现一图表，展示在沉浸在碳纳米管于水中或水/乙醇中的一悬浮液中之后的硅纳米结构阳极，作为电化学循环数(循环指数)的一函数(在充电或放电时)的电容量(控制组并未被沉浸)。

图75呈现一图表，展示被有(pyro)或无(DC)热裂解的碳纳米管碳墨，或被在水中(W)或水/乙醇中(WE)稀释的碳纳米管碳墨双面披覆(亦即，在两个面上披覆)的硅纳米结构阳极，在4至3伏特的范围内，作为相对于NCA阳极的电化学循环数(循环指数)的一函数的电容量(控制组阳极仅在集电器侧被披覆，电解质是在EC:DEC+2％VC+15％FEC中的0.85MLiPF₆)。

图76呈现一原位拉伸试验(in situ tensile test)仪器的照片(在左图中放大)。

图77呈现一图表，展示不锈钢(SS)316L网状物本身，及经30％氢氟酸处理后，及在表面上沉积硅纳米结构后的应力-应变曲线(4个样本，批次1至4)。

图78A及78B呈现(在一张力测试后)处于一断裂点的，在不锈钢网状物上的硅纳米结构的样本的扫描式电子显微影像。

图79A及79B呈现层次的一扫描式电子显微影像(图79A)及条形图展示由能量弥散X射线谱学测定的，经以胶带剥离的在不锈钢上的硅纳米结构中的层次的硅水平(图79B)。

图80A至80D呈现数个图表(图80A至80C)及一表(图80D)，展示数个在轧延之前及之后的硅纳米结构阳极，作为电化学循环数的一函数的电容量；在图80A中的样本(批次1，具有层次间相对强的黏着的特征)具有2.1毫克硅/平方公分，在图80B中的样本(批次2，具有层次间相对弱的黏着的特征)具有2毫克硅/平方公分，及在图80C中的样本(批次3)具有1.3毫克硅/平方公分。

图81A及81B呈现根据本发明的一些实施例，在(除了一个角落)被具有(图81B)或不具有(图81A)氧化铝的固态聚合物电解质(SPE)披覆的钢铁网状物上的，数个硅纳米结构的扫描电子显微影像。

图82呈现一图表，展示具有SPE的一硅纳米结构阳极的最初三个循环的，作为电容量的一函数的电压。

图83呈现一图表，展示具有包括氧化铝或二氧化硅的SPE的一硅纳米结构阳极的，作为电容量的一函数的电压。

具体实施方式

本发明，在其一些实施例中，是关于电化学及更特定地，但非限定地，是关于硅基电极，所述硅基电极可以用于，举例而言，比如锂离子电池组的能量储存装置中。

发明者揭露了无催化剂及低成本的化学蒸气沉积(CVD)方法，所述方法导致密集(及大部分是无定形态的)硅纳米结构，在导电不锈钢网络上的三维(3D)生长。在硅沉积之前，所述钢铁基板通过暴露于氢氟酸而被处理，所述处理导致硅纳米结构在CVD时生长在所述基板上。替代地，所述钢铁基板经受一热处理，所述热处理导致金属基底纳米结构的形成，所述金属基底纳米结构之后可以经由CVD被披覆以硅。

获得的所述硅纳米结构材料被测试以在一锂电池组中用作阳极。在不锈钢网状物上的硅纳米结构展现可高至3000毫安培小时每公克硅的一电极容量。示例性的硅纳米结构对锂半电池在约0.05C的一循环速率展示多于500循环而少于50％的电容量损失及约2000毫安培小时每公克硅的电容量。包含一硅纳米结构阳极及NCA(锂镍钴铝氧化物，lithiumnickel cobalt aluminum oxide)或LFP(磷酸锂铁，lithium iron phosphate)商用用阴极的示例性全电池展示多于300至400全周期而具有100％DOD(放电深度，depth ofdischarge)及具有少于40％电容量损失。全电池的所述电容量是阴极限制的，根据商用锂离子电池组标准，所述电池被设计为具有阳极材料过量。

在本文中描述的材料及方法可以克服先前描述的用于锂离子电池组的电极(例如，在Chan等人[Nat Nanotechnol,3:31-35，2008年]中所述的)的缺陷；举例而言，与平面基板相关的低库仑效率，低每单位电极面积电容量、与平面基板相关的锂化时扩张空间不足，及/或对例如黄金的一催化剂的需求(所述需求增加成本及限制了至工业规模的可扩充性)。

相较之下，在本文中描述的方法可以通过一简单，易于规模化，两阶段的过程(处理不锈钢，接着沉积硅)，可选地导致活性材料的一高表面积，不须依赖一催化剂的添加。

包含含硅纳米结构的复合电极

根据本发明的一些实施例的一个方面，提供了一种复合电极，包含一不锈钢基板，及延伸自所述不锈钢基板的数个含硅纳米结构。

“含硅纳米结构”一词，意指包含硅作为一主要成分的纳米结构，以及包含硅作为一核心或层次，举例而言，披覆一金属核心的一层次，的纳米结构。

为了简洁起见，包含硅作为一主要成分的含硅纳米结构在本文中被可互换地称作“硅纳米结构”。

类似地，包含在不锈钢上的一层硅的含硅纳米结构在本文中被可互换地称作“不锈钢纳米结构”。

根据本发明的一些实施例的一个方面，提供了一复合电极，包含一自我催化不锈钢基版，及延伸自所述不锈钢基板的数个含硅纳米结构。

在本文中，“自我催化”一词意指一基板(例如，一不锈钢基板)，所述基板能够在其自身的一表面上催化硅纳米结构(例如，纳米线)的生长，举例而言，在硅化学蒸气沉积的条件下(例如，根据任何在本文中描述的各自的实施例)。应被了解的是，“自我催化”一词并不排除一基板的处理以获得一自我催化基板，若所述处理并不依赖添加作为一催化剂的一外加材料的添加。

根据本发明的一些实施例的一个方面，提供了一种无催化剂复合电极，包括：一不锈钢基板，及延伸自所述不锈钢基板的数个含硅纳米结构(亦即，基本不具有一催化剂材料，如在本文中所界定的。)

根据本发明的一些实施例的一个方面，提供了一种复合电极，包括：一不锈钢基板，及数个延伸自所述不锈钢基板的含硅纳米结构，其中所述含硅纳米结构是经由一气固固机制成长。

在此，在本文中可互换地被使用的“气固固”及“VSS”等词汇，意指用于通过化学蒸气沉积生长结构(例如，纳米线)的一机制，其中一催化性的固态(可选地，是一自我催化固态基板的一部分)在一固态基板及所述催化性的固态的所述界面引发生长。VSS机制不同于VLS机制，后者在下文中讨论。

在此，称为“延伸自”的片语意指一第一结构(例如，在本文中被描述的一含硅纳米结构)，所述第一结构连接到一第二结构(例如，一钢铁基板)，其中所述两个结构相连接的区域在至少一个维度上(可选地在所有维度上)短于所述第一结构在一维度上的长度，所述第一结构的一维度是沿着所述第二结构的表面的维度。

应注意的是，这样的含硅纳米结构的生长并不需要在所述基板的所有部分上被催化，而只需在所述基板的一部分上被催化。举例而言，纳米结构可以自其生长的所述基板的部分可以是许多不相连的小区域的一形式，数个小区域中的每个在本文中也被称为一“种子位置”。

在本文中，“不锈钢”一词意指铁及碳的一合金(在本技艺中称为“钢铁”)，所述合金进一步包含至少10.5重量百分率的一浓度的铬。炭的所述浓度典型地是在自0.002至2.14重量百分率的一范围内。

可预期的是，在一专利自此申请开始计算的生命中，许多相关类型(例如，钢级)的不锈钢将被发展出来及“不锈钢”一词的范围意在先验地包含所有这样的新科技。

在本文中所描述的任何个别实施例的一些中，在所述不锈钢中的铬的一浓度是在至少14重量百分率(例如，自14至22重量百分率)，可选地是在至少16重量百分率(例如，自16至20重量百分率)，及可选地是在至少18重量百分率(例如，至18至20重量百分率)。

在本文中所描述的任何个别实施例的一些中，所述不锈钢包含镍。在一些实施例中，在所述不锈钢中的镍的一浓度是在至少6重量百分率(例如，自6至14重量百分率)，可选地在至少8重量百分率(例如，自8至12重量百分率)，及可选地在至少10重量百分率(例如，自10至12重量百分率)。

在本文中所描述的任何个别实施例的一些中，所述不锈钢包含钼。在一些实施例中，在所述不锈钢中的钼的一浓度是在至少1重量百分率(例如，自1至4重量百分率)，及可选地在至少2重量百分率(例如，自2至3重量百分率)。

在本文中所描述的任何个别实施例的一些中，所述不锈钢是一奥式体不锈钢，亦即，包含一面心立方晶体结构。这样一种晶体结构可以举例而言，通过与足够的镍及/或锰及氮形成合金而被获得。

适宜的不锈钢的示例，非限制性地包括：316L不锈钢(包含：16至18重量百分率铬、10至12重量百分率镍、2至3重量百分率钼及不多于0.03重量百分率的碳)及304不锈钢(包含：18至20重量百分率铬、8至10.5重量百分率镍，及不多于0.08重量百分率的碳)。316L及304不锈钢是奥式体的。任何其他不锈钢，优选地，可用作一电极基板的不锈钢，是已预想的。

根据本文中所描述的任何实施例中的一些，至少一部分(例如，至少50％、或至少60％、或至少70％、或至少80％、或至少90％、或至少95％、或至少99％)及优选地全部的所述纳米结构是细长纳米结构。

如在本文中所使用的，一“细长纳米结构”一般地意指一个三维物体，所述三维物体是由一固态物质制成，及所述三维物体在沿着其长度的任何点上，具有至少一个截面维度，及在一些实施例中，具有两个正交的截面维度是少于1微米、或少于500纳米、或少于200纳米、或少于150纳米、或少于100纳米、或甚至少于70纳米、少于50纳米、少于20纳米、或少于10纳米。所述细长纳米结构的所述截面可以具有任何任意形状，包括，但不限于，圆形、方形、矩形、椭圆形、星形及管状。规则及不规则形状皆被包括。

在本文中所描述的任何实施例的一些中，(根据本文中所描述的任何个别实施例的)所述数个含硅纳米结构的一平均长度的范围自5至1000微米、或自10至500微米、或自20至300微米、或自30至200微米，包括其间的任何中介的子范围及值。

在本文中所描述的任何关于一“比例”的实施例中，所述比例是至少10％，及可选地至少20％、或至少30％、或至少50％、或至少60％、或至少70％、或至少80％、或至少90％、或至少95％、或至少98％或甚至至少99％。

在本文中所描述的任何实施例的一些中，(根据本文中所描述的任何个别实施例的)所述数个含硅纳米结构的至少一部分(可选地，所述数个含硅纳米结构的每一个)的一长度的范围自5至1000微米、或自10至500微米、或自20至300微米、或自30至200微米，包括其间的任何中介的子范围及值。

在本文中所描述的任何实施例的一些中，(根据本文中所描述的任何个别实施例的)所述数个含硅纳米结构的一平均直径的范围自5至1000微米、或自10至500微米、或自10至500微米、或自20至300微米、或自30至100微米，包括其间的任何中介的子范围及值。

在本文中所描述的任何实施例的一些中，(根据本文中所描述的任何个别实施例的)所述数个含硅纳米结构的至少一部分(可选地，所述数个含硅纳米结构的每一个)具有一直径，所述直径的范围自5至1000微米、或自10至300微米、或自20至200微米、或自30至100微米，包括其间的任何中介的子范围及值。

在本文中所描述的任何实施例的一些中，对于至少一部份的(可选地，对于全部的)所述数个含硅纳米结构，所述数个纳米结构连接到所述基板的所述基板表面的数个区域是不相连接的，也就是说，所述数个纳米结构是被所述基板表面的一部分分离的，所述基板表面的部分并不被连接到硅。

在本文中所描述的任何实施例的一些中，所述数个细长纳米结构，至少在接近所述数个细长纳米结构由之延伸的所述基板的一表面处的一范围(例如，至距所述表面1微米的一范围)中，是大致平行于彼此的。

在本文中所描述的任何实施例的一些中，所述数个细长纳米结构至少在接近所述基板表面的一范围(例如，至距所述表面1微米的一范围)中，是排列得大致垂直于所述基板的一表面。

在本文中所描述的任何实施例的一些中，所述数个细长纳米结构至少在接近所述基板表面的一范围(例如，至距所述表面1微米的一范围)中，是大致平行于彼此的及是排列得大致垂直于所述基板的一表面。

在本文中所描述的任何实施例的一些中，在所述数个纳米结构之间的一平均距离(例如，在每个纳米结构及最接近的其他数个纳米结构之间的数个距离的平均)的范围自10纳米至10000纳米、或自10纳米至5000纳米、或自10纳米至2000纳米、或自10纳米至2000纳米、或自10纳米至500纳米，包括其间的任何中介的子范围及值。

根据一些当前实施例的所述数个细长纳米结构，在本文中被统称为“纳米线”。纳米线可以可选地是空心的，例如，形如一中空管(在此案例中，它们可以被称作“纳米管”)，或是实心的(亦即，不是空心的，如在本文中所界定的)。

在本文中所述的任何实施例的一些中，所述纳米线是实心的(亦即，非空心的)。

在此，一“实心”纳米线是一纳米线，在其中空洞空间构成所述纳米线不多于20％(可选地不多于10％)的一体积，及其中所述空洞空间并不连续地延伸经过所述纳米线的所述长度的大部分(亦即，超过50％)或全部。

在本文中所描述的任何实施例的一些中，所述不锈钢基板是如本文中所界定的一自我催化不锈钢基板。

在本文中所描述的任何个别实施例的一些中，所述自我催化不锈钢基板包含一纳米孔洞表面结构。

在本文中，“纳米孔洞”一词意指一多孔结构，所述多孔结构(除其它外)包括数个孔洞，所述孔洞具有少于1微米，及可选地少于100纳米的一直径。

在一些实施例中，所述纳米多孔表面结构具有数个纳米结构生长种子位置的特征，也就是说，数个纳米结构在包含上文提及的数个孔洞的数个区域中生长，所述数个孔洞具有少于1微米的一直径。一自我催化不锈钢基板的所述数个种子位置是由衍生自所述不锈钢的材料(例如，所述钢铁的特定金属元素及/或特定结构)构成，而非由(如在本文中所界定的)一催化材料产生。在一些这样的实施例中，(根据本文中所描述的任何个别实施例的)所述数个含硅纳米结构，延伸自在所述自我催化不锈钢基板上的所述数个纳米结构生长种子位置，例如，每个纳米结构延伸自一各自的生长种子位置。

鉴于根据本发明的一些实施例的不锈钢的所述自我催化性质，数个纳米结构可以无任何外加催化剂存在而被制备。

在本文中所描述的任何实施例中的一些中，在所述数个含硅纳米结构的至少一部分中(例如，所述数个纳米结构的至少50％、或至少75％或至少90％)，(根据本文中所描述的任何个别实施例的)所述数个含硅纳米结构中的每个基本上不具有一催化剂材料。在一些实施例中，所述数个含硅纳米结构中的每个基本上不具有一催化剂材料。

在此，片语“催化剂材料”意指能够催化硅纳米结构(例如，纳米线)生长的一材料。

如在本文中所使用的，不锈钢成分，亦即，在所述不锈钢块体中(例如，在延伸自所述基板的数个纳米结构之外)被所述不锈钢所包含的任何材料，是被自“催化剂材料”一词排除，即使若所述材料不被整合在所述不锈钢基板块体中(例如，若存在于一含硅纳米结构上或一含硅纳米结构中)则会被视为一催化剂材料。换句话说，所述不锈钢块体的组成不能防止一基板如在本文中被界定地被视为“基本上不具有一催化剂材料”。

可预期的是，在一专利自此申请开始计算的生命中，许多相关的催化剂将被发展出来及“催化材料”一词的范围意在先验地包含所有这样的新科技。

在本文中所描述的关于一催化材料的任何实施例的一些中，所述催化剂材料是一金属材料。

在本文中所描述的任何实施例的一些中，在所述数个含硅纳米结构的至少一部分(例如，所述数个纳米结构的至少50％、或至少75％、或至少90％)中，(根据本文中所描述的任何个别实施例的)数个含硅纳米结构中的每个是基本上不具有一催化剂材料，所述催化剂材料是可用于数个硅纳米结构的一气液固生长中，亦即，能够催化硅的气液固生长。在一些实施例中，所述数个硅纳米结构中的每个是基本上不具有一催化剂材料，所述催化剂材料是可用于数个硅纳米结构的一气液固生长中，亦即，能够催化硅的气液固生长。

在此，在本文中可互换地被使用的“气液固”及“VLS”等词汇，意指用于通过化学蒸气沉积生长数个结构(例如，数个纳米线)的一机制，其中一催化性液态在一固态基板及所述液态之间的所述界面，举例而言，通过收集蒸气进入所述液态以产生较在所述气态中离开的更高浓度的所述物质，而(例如，自成核的种子)引发生长。所述催化性液态包含一催化剂，可选地处于与在所述基板中的及/或被沉积的所述物质的一液态合金(例如，与硅的一合金)的形态。因此，举例而言，若黄金(具有超过1000度的一熔点)被用作为硅沉积的一VLS催化剂，所述催化性液态是一黄金-硅合金，所述黄金-硅合金，在其低共熔点(约4：1金：硅)可以具有约363度(低于用于硅蒸气沉积的通常温度)的一熔点。

典型地，气液固生长的一液态催化剂(例如，以微液滴的形态)，在所述生长的过程中存留在所述结构的一尖端(远离所述基板)。

在本文中所描述的任何实施例的一些中，在所述数个含硅纳米结构的至少一部分(例如，所述数个纳米结构的至少50％、或至少75％、或至少90％)中，(根据本文中所描述的任何个别实施例的)所述数个含硅纳米结构中的每个，基本上不具有与硅处在任何比例(例如，与硅处在一共熔点)的混合中，(在20托的一压力下)具有低于600度的一熔点及高于600度的一沸点的一物质。在一些实施例中，所述数个含硅纳米结构中的每个基本上不具有与硅处在混合中，(在20托的一压力下)具有低于600度的一熔点及高于600度的一沸点的一物质。

不受任何特定理论所限制，据信在20托的一压力下，低于600度的一熔点及高于600度的一沸点是指示一物质在适于硅的化学蒸气沉积的条件下是一液体。

在本文中所描述的任何实施例的一些中，在所述数个含硅纳米结构的至少一部分(例如，所述纳米结构的至少50％、或至少75％、或至少90％)中，(根据本文中所描述的任何个别实施例的)所述数个含硅纳米结构中的每个基本上不具有一催化剂材料，所述催化剂材料是一非硅催化剂材料。也就是说，在这样的实施例中，是硅的一形态的一催化剂材料并不妨碍一物质被视为“基本上不具有一催化剂材料”。在一些实施例中，所述数个含硅纳米结构中的每个是基本上不具有一催化剂材料的。

在此，片语“催化剂材料”意指能够催化数个硅纳米结构(例如，数个纳米线)的生长的一材料。

如在本文中所使用的，不锈钢成分，亦即，在所述不锈钢块体中(例如，在延伸自所述基板的数个纳米结构之外)被所述不锈钢所包含的任何材料，是被自“催化剂材料”一词排除，即使若所述材料不被整合在所述不锈钢基板块体中(例如，若存在于一含硅纳米结构上或一含硅纳米结构中)则会被视为一催化剂材料。换句话说，所述不锈钢块体的成分不能防止一基板如在本文中被界定地，被视为“基本上不具有一催化剂材料”。

在本文中所描述的任何实施例的一些中，在所述数个含硅纳米结构的至少一部分(例如，在所述数个纳米结构的至少50％、或至少75％、或至少90％)中，(根据本文中所描述的任何个别实施例的)所述数个含硅纳米结构中的每个，基本上不具有金、银、铜、铟、铋、镓、锌、铝、锡、铁、钼、铬、锰及/或镍。在一些实施例中，所述数个含硅纳米结构中的每个是基本上不具有金、银、同、铟、铋、镓、锌、铝、锡、铁、钼、铬、锰及/或镍。在一些实施例中，在所述上文中提到的部分中的数个含硅纳米结构中的每个，或所述数个含硅纳米结构中的每个，是进一步地基本上不具有(除了金和银外)所有如本文中所界定的贵金属。

在本文中所描述的任何实施例的一些中，在所述数个含硅纳米结构中的至少一部分(例如，所述数个含硅纳米结构的至少50％、或至少75％或至少90％)中，(根据本文中所描述的任何个别实施例的)数个含硅纳米结构中的每个，是基本上不具有金、银、铜、铟、铋、镓、锌、铝、锡及/或锰。在一些实施例中，所述数个含硅纳米结构中的每个是基本上不具有金、银、铜、铟、铋、镓、锌、铝、锡及/或锰。在一些实施例中，在上文所述的部分中的数个含硅纳米结构中的每个，或所述数个含硅纳米结构中的每个，是进一步地基本上不具有(除了金和银外)所有如本文中所界定的贵金属。

在本文中所描述的任何实施例的一些中，在所述数个含硅纳米结构的至少一部分(例如，在所述数个纳米结构的至少50％、或至少75％、或至少90％)中，(根据本文中所描述的任何个别实施例的)所述数个含硅纳米结构中的每个，基本上不具有黄金。在一些实施例中，在所述部分中的所述数个含硅纳米结构中的每个基本上不具有一贵金属。

在本文中所描述的任何实施例的一些中，(根据本文中所描述的任何个别实施例的)所述数个含硅纳米结构中的每个，基本上不具有黄金，在一些实施例中，所述数个含硅纳米结构中的每个基本上不具有一贵金属。

在此，“贵金属”一词意指金、铂、铱、锇、银、钯、铑及钌。

贯穿本文，“基本上不具有”意指按重量计算少于10百万分率的一物质(例如，在一纳米结构中)的一浓度。在本文中所描述的，关于基本不具有一物质的纳米结构的任何实施例的一些中，所述物质的一浓度是按重量计算少于1百万分率，或按重量计算少于0.1百万分率，或少于0.01百万分率(亦即，少于10十亿分率)。

在本文中所描述的任何实施例的一些中，所述数个硅纳米结构的至少一部分，及可选地所有所述数个硅纳米结构，沿着所述纳米结构的长度(长轴)包含，举例而言，沿着所述纳米结构的所述长度散布着，源自于所述不锈钢基板的一金属成分。在一些实施例中，金属成分的一浓度在所述(数个)纳米结构的核心较在所述(数个)纳米结构的表面更大。

在本文中所描述的任何实施例的一些中，所述数个含硅纳米结构的至少一部分，及可选地所有所述数个含硅纳米结构，基本上由硅及一或更多金属成分(所述一或更多金属成分源自于所述不锈钢基板)组成，及可选地，举例而言，也由氧化铝(例如，在本文中所描述的一披覆层中)组成，而使没有催化剂材料被包括在其中。在一些实施例中，所述数个含硅纳米结构的至少一部分，及可选地所有所述数个含硅纳米结构，由硅及一或更多源自于所述不锈钢基板的金属成分，及可选地也由氧化铝组成。

可以源自于一钢铁基板的金属成分的数个示例包括，但不限于，镍、铜、铬及铁。

在本文中所描述的任何实施例的一些中，在所述数个硅纳米结构的至少一部分中，及可选地在所述数个硅纳米结构的全部中，一金属硅化物(例如，一铁硅化物、一镍硅化物、一铬硅化物及/或一铜硅化物)延伸自所述自我催化不锈钢基板及沿着所述自我催化不锈钢基板的长度的至少一部分延伸。可选地，在一纳米结构与所述金属基板相遇处的金属硅化物强化所述纳米结构中的硅及所述钢铁之间的所述机械及/或电学连结。

在本文中，一“金属硅化物”意指一化合物，包含：硅及金属原子。

在一些实施例中，所述金属硅化物形成所述(数个)纳米结构的一核心，被硅所环绕。

在一些实施例中，在所述核心及周围的硅中的所述金属成分及/或金属硅化物在硅及金属原子的一混合上表现一梯度(垂直于所述纳米结构的一长轴)，由此在自所述纳米结构的所述核心至所述纳米结构的一表面的一方向中，金属原子的一浓度减少，及硅原子的一浓度增加。可选地，在所述“金属硅化物”及所述“硅”之间并没有清楚的边界。

在本文中所描述的任何实施例的一些中，所述数个含硅纳米结构中的至少一部分形成数个交叉链的一个三维网络。所述数个交叉链可以包含数个纳米结构(例如，数个细长纳米结构)，所述数个纳米结构是被融合到彼此的及/或不被融合到彼此的(例如，邻近于彼此及/或与彼此处于接触中)。

在本文中所描述的任何实施例的一些中，所述数个含硅纳米结构的至少一部分，及可选地数个含硅纳米结构中的每个，在由所述不锈钢基板的一表面移除的一位置处被与至少一个其它的含硅纳米结构融合。在一些实施例中，数个含硅纳米结构的所述融合形成一海绵状三维结构。

在此，“海绵状”一词意指具有至少50％的一孔隙率(亦即，空洞构成所述结构的体积的至少50％)的结构。

在本文中所描述的关于一海绵状结构的任何实施例的一些中，所述海绵状结构的孔隙率是至少75％，或至少90％，或至少95％，或至少98％，或至少99％。

如在本文中所示例的，数个硅纳米结构的融合可以通过举例而言，在至少600度(例如，自600度至900度)及可选地至少650度(例如，自650度至850度)的一温度下的，根据本文中所描述的任何个别实施例的热处理(在本文中亦称为“退火”)而实现。

在本文中所描述的任何实施例的一些中，在所述数个硅纳米结构的至少一部分中或全部中，每个所述硅纳米结构以下述中的至少一者为特征：

(a)基本上不具有(根据本文中所描述的任何个别实施例的)一非硅催化剂材料；及/或

(b)基本上不具有(根据本文中所描述的任何个别实施例的)一贵金属；及/或

(c)沿着它的长度包括一金属成分，所述金属成分源自(根据本文中所描述的任何个别实施例的)所述不锈钢基板；及/或

(d)(根据本文中所描述的任何个别实施例)包括一金属硅化物，所述金属硅化物延伸自所述不锈钢基板及沿着所述不锈钢基板的长度的至少一部分延伸；及/或

(e)在由所述不锈钢基板的一表面移除的一位置处被与至少一个其它的硅纳米结构融合，以形成(根据本文中所描述的任何个别实施例的)一海绵状三维结构。

在本文中所描述的任何实施例的一些中，在所述数个硅纳米结构的至少一部分中或全部中，每个所述硅纳米结构以上述特征(a)至(e)中的至少任两者为特征，可选地以上述特征(a)至(e)中的至少任三者为特征，可选地以上述特征(a)至(e)中的至少任四者为特征，及可选地以上述特征(a)至(e)中的全部为特征。

根据本发明的一些实施例的一个方面，提供了一复合电极，所述复合电极包含：

一自我催化不锈钢基板，所述自我催化不锈钢基板包含：一纳米孔洞表面结构，所述纳米孔洞表面结构具有(根据本文中所描述的任何个别实施例的)数个纳米结构生长种子位置的特征；及

延伸自所述自我催化不锈钢基板上的所述数个纳米结构生长种子位置的数个硅纳米结构。

在本文中为此方面所描述的任何实施例的一些中，所述数个硅纳米结构中的至少一部分或每一个基本上不具有(根据本文中所描述的任何个别实施例的)一非硅催化剂材料。在一些实施例中，所述非硅催化剂材料是可用于(根据本文中所描述的任何个别实施例的)数个硅纳米结构的一气液固生长中。在一些实施例中，所述非硅催化剂材料是(根据本文中所描述的任何个别实施例的)一金属催化剂材料。

在本文中为此方面所描述的任何实施例的一些中，所述数个含硅纳米结构中的至少一部分或每一个基本上不具有(根据本文中所描述的任何个别实施例的)一贵金属。

在本文中为此方面所描述的任何实施例的一些中，所述数个硅纳米结构中的至少一部分或每一个基本上不具有(根据本文中所描述的任何个别实施例的)可在数个硅纳米结构的一气液固生长中作为非硅催化剂使用的一金属材料。

(根据本文中所描述的任何个别实施例)在本文中所描述的任何实施例的一些中，在所述数个硅纳米结构的至少一部分中或全部中，每个所述硅纳米结构沿着它的长度包括一或更多金属成分，所述金属成分源自于所述不锈钢基板。

(根据本文中所描述的任何个别实施例)在本文中所描述的任何实施例的一些中，在所述数个纳米结构的至少一部分中或全部中，每个所述硅纳米结构包括一金属硅化物，所述金属硅化物延伸自所述自我催化不锈钢基板，及沿着所述自我催化不锈钢基板的长度的至少一部分延伸。

(根据本文中所描述的任何个别实施例)在本文中所描述的任何实施例的一些中，在所述数个硅纳米结构的至少一部分中或全部中，每个所述硅纳米结构在由所述不锈钢基板的所述纳米孔洞表面结构移除的一位置处被与至少一个其它的含硅纳米结构融合。

根据本发明的一些实施例的一个方面，提供了一种复合电极，包含：

一不锈钢基板；及

数个硅纳米结构，所述数个硅纳米结构延伸自所述不锈钢基板；

其中所述数个硅纳米结构中的每一个基本上不具有(根据本文中所描述的任何个别实施例的)一非硅催化剂材料。

在本文中为此方面所描述的任何实施例的一些中，所述非硅催化剂材料是可用于(根据本文中所描述的任何个别实施例的)数个硅纳米结构的一气液固生长中。

在本文中为此方面所描述的任何实施例的一些中，所述非硅催化剂材料是(根据本文中所描述的任何个别实施例的)一金属催化剂材料。在一些实施例中，所述金属催化剂材料包含一贵金属。

(根据本文中所描述的任何个别实施例)在本文中所描述的任何实施例的一些中，在所述数个硅纳米结构的至少一部分中或全部中，每个所述硅纳米结构沿着它的长度包括一或更多金属成分，所述金属成分源自于所述不锈钢基板。

(根据本文中所描述的任何个别实施例)在本文中所描述的任何实施例的一些中，在所述数个纳米结构的至少一部分中或全部中，每个所述硅纳米结构包括一金属硅化物，所述金属硅化物延伸自所述自我催化不锈钢基板，及沿着所述自我催化不锈钢基板的长度的至少一部分延伸。

(根据本文中所描述的任何个别实施例)在本文中所描述的任何实施例的一些中，在所述数个硅纳米结构的至少一部分中或全部中，每个所述硅纳米结构在由所述不锈钢基板的纳米孔洞表面结构移除的一位置处被与至少一个其它的硅纳米结构融合。

根据本发明的一些实施例的一个方面，提供了一复合电极，包含：一不锈钢基板；及

数个硅纳米结构，所述数个硅纳米结构延伸自所述不锈钢基板，

其中所述数个硅纳米结构中的每个基本上不具有(根据本文中所描述的任何个别实施例的)一贵金属。

在本文中为此方面所描述的任何实施例的一些中，所述贵金属包含黄金。

(根据本文中所描述的任何个别实施例)在本文中所描述的任何实施例的一些中，在所述数个硅纳米结构的至少一部分中或全部中，每个所述硅纳米结构沿着它的长度包括一或更多金属成分，所述金属成分源自于所述不锈钢基板。

(根据本文中所描述的任何个别实施例)在本文中为此方面所描述的任何实施例的一些中，在所述数个纳米结构的至少一部分中或全部中，每个所述硅纳米结构包括一金属硅化物，所述金属硅化物延伸自所述自我催化不锈钢基板，及沿着所述自我催化不锈钢基板的长度的至少一部分延伸。

(根据本文中所描述的任何个别实施例)在本文中为此方面所描述的任何实施例的一些中，在所述数个含硅纳米结构的至少一部分中或全部中，每个所述硅纳米结构在由所述不锈钢基板的纳米孔洞表面结构移除的一位置处被与至少一个其它的含硅纳米结构融合。

根据本发明的一些实施例的一个方面，提供了一复合电极，包含：一不锈钢基板；及

数个硅纳米结构，所述数个硅纳米结构延伸自所述不锈钢基板，

其中(根据本文中所描述的任何个别实施例)在所述数个硅纳米结构的至少一部分中或全部中，每个所述硅纳米结构沿着它的长度包括一金属成分，所述金属成分源自于所述不锈钢基板。

在本文中为此方面所描述的任何实施例的一些中，在所述数个硅纳米结构的至少一部分中或全部中，每个所述纳米结构基本上不具有一非硅催化剂材料及/或一贵金属(根据本文中所描述的任何个别实施例)。

在本文中为此方面所描述的任何实施例的一些中，在所述数个纳米结构的至少一部分中或全部中，每个所述硅纳米结构包括一金属硅化物，所述金属硅化物延伸自所述自我催化不锈钢基板及沿着所述自我催化不锈钢基板的至少一部分延伸(根据本文中所描述的任何个别实施例)。

(根据本文中所描述的任何个别实施例)在本文中为此方面所描述的任何实施例的一些中，在所述数个硅纳米结构的至少一部分中或全部中，每个所述硅纳米结构在由所述不锈钢基板的纳米孔洞表面结构移除的一位置处被与至少一个其它的硅纳米结构融合。

根据本发明的一些实施例的一个方面，提供了一复合电极，包含：一不锈钢基板；及

数个硅纳米结构，所述数个硅纳米结构延伸自所述自我催化不锈钢基板，

其中在所述数个硅纳米结构的至少一部分中或全部中，每个所述硅纳米结构包括一金属硅化物，所述金属硅化物延伸自所述自我催化不锈钢基板及沿着所述自我催化不锈钢基板的至少一部分延伸(根据本文中所描述的任何个别实施例)。

在本文中为此方面所描述的任何实施例的一些中，在所述数个纳米结构的至少一部分中或全部中，每个所述纳米结构基本上不具有一非硅催化剂材料及/或一贵金属(根据本文中所描述的任何个别实施例)。

(根据本文中所描述的任何个别实施例)在本文中为此方面所描述的任何实施例的一些中，在所述数个硅纳米结构的至少一部分中或全部中，每个所述硅纳米结构沿着它的长度包括一金属成分，所述金属成分源自于所述不锈钢基板。

(根据本文中所描述的任何个别实施例)在本文中为此方面所描述的任何实施例的一些中，在所述数个硅纳米结构的至少一部分中或全部中，每个所述硅纳米结构在由所述不锈钢基板的纳米孔洞表面结构移除的一位置处被与至少一个其它的硅纳米结构融合。

根据本发明的一些实施例的一个方面，提供了一复合电极，包含：一不锈钢基板；及

数个硅纳米结构，所述数个硅纳米结构延伸自所述不锈钢基板，

其中在所述数个硅纳米结构的至少一部分中或全部中，每个所述硅纳米结构在由所述不锈钢基板的一表面移除的一位置处被与至少一个其它的硅纳米结构融合以形成一海绵状三维结构(根据本文中所描述的任何个别实施例)。

在本文中为此方面所描述的任何实施例的一些中，在所述数个纳米结构的至少一部分中或全部中，每个所述纳米结构基本上不具有一非硅催化剂材料及/或一贵金属(根据本文中所描述的任何个别实施例)。

(根据本文中所描述的任何个别实施例)在本文中为此方面所描述的任何实施例的一些中，在所述数个硅纳米结构的至少一部分中或全部中，每个所述硅纳米结构沿着它的长度包括一金属成分，所述金属成分源自于所述不锈钢基板。

在本文中为此方面所描述的任何实施例的一些中，在所述数个硅纳米结构的至少一部分中或全部中，每个所述硅纳米结构包括一金属硅化物，所述金属硅化物延伸自所述不锈钢基板及沿着所述不锈钢基板的长度的至少一部分延伸(根据本文中所描述的任何个别实施例)。

如上文中所提及的，根据本发明的一些实施例的数个含硅纳米结构可以以是包含在不锈钢上的一硅层的数个纳米结构的一形式，在本文中也称作“不锈钢纳米结构”。

根据本发明的一些实施例的一个方面，提供了一种复合电极，包含：

一不锈钢本体，所述不锈钢本体的一外表面包括数个细长不锈钢纳米结构，所述细长不锈钢纳米结构延伸自所述不锈钢本体；及

一硅层，沉积在所述数个细长不锈钢纳米结构中的每一个上。

如在本文中所使用的，“细长不锈钢纳米结构”一词意指(如在本文中所界定的)一细长纳米结构，所述细长纳米结构由不锈钢组成。

在本文中所描述的任何实施例的一些中，(根据本文中所描述的任何个别实施例的)所述数个不锈钢纳米结构的一平均长度自5至1000微米，或自10至500微米，或自20至300微米，或自30至200微米，包括其间的任何中介的子范围及值。

在本文中所描述的任何实施例的一些中，(根据本文中所描述的任何个别实施例的)所述数个不锈钢纳米结构中的至少一部分(可选地，所述数个不锈钢纳米结构中的每一个)的一长度自5至1000微米，或自10至500微米，或自20至300微米，或自30至200微米，包括其间的任何中介的子范围及值。

在本文中所描述的任何实施例的一些中，(根据本文中所描述的任何个别实施例的)所述数个不锈钢纳米结构的一平均直径自5纳米至1000纳米，或自10纳米至300纳米，或自20纳米至200纳米，或自30纳米至90纳米，包括其间的任何中介的子范围及值。

在本文中所描述的任何实施例的一些中，(根据本文中所描述的任何个别实施例的)所述数个不锈钢纳米结构的至少一部份(可选地所述数个不锈钢纳米结构的每一个)具有一直径，所述直径自5纳米至1000纳米，或自10纳米至300纳米，或自20纳米至200纳米，或自30纳米至90纳米，包括其间的任何中介的子范围及值。

可选地，所述硅层基本上披覆所述数个不锈钢纳米结构的至少一部分或每一个的一外表面。“基本上披覆”意指不锈钢纳米结构的所述表面的至少50％，举例而言，所述表面的至少75％，或所述表面的至少90％，或所述表面的至少95％，被硅所披覆。

在本文中所描述的任何实施例的一些中，所述硅层的所述(平均)厚度是在自约6纳米至约200纳米，或自约6纳米至约40纳米，或自约40纳米至约200纳米，或自约20纳米至约100纳米的一范围内。

在本文中所描述的任何实施例的一些中，所述数个细长不锈钢纳米结构的至少一部分形成数个交叉链的一个三维网络。所述数个交叉链可能包含数个纳米结构(例如，细长纳米结构)，所述数个纳米结构是被融合到彼此及/或不被融合到彼此(例如，邻近于彼此及/或与彼此处于接触中)。

所述数个细长不锈钢纳米结构的融合可以可选地通过披覆它们的所述数个硅层的融合而实现，例如，不融合所述数个纳米结构的所述不锈钢组成部分。数个硅层的融合可以在，举例而言，在邻接的数个不锈钢纳米结构上沉积硅时被实现，及/或通过(根据本文中所描述的任何个别实施例的)退火而实现。

在本文中所描述的任何实施例的一些中，所述数个细长不锈钢纳米结构在所述不锈钢本体的所述外表面形成一(如本文中所界定的)海绵状结构及/或一(如本文中所界定的)纳米孔洞不锈钢网络。

因此，一海绵状不锈钢结构具有至少50％，及可选地至少75％，或至少90％，或至少95％，或至少98％，或至少99％的一孔隙率，其中所述数个硅层被认为是所述不锈钢结构中的孔隙/空洞的一部分。

在本文中所描述的任何实施例的一些中，在所述数个含硅纳米结构的至少一部分中或全部中，每个所述含硅纳米结构包括一结晶核心及一个半无定形外壳。在一些实施例中在所述纳米结构(作为一个整体，包含核心及外壳)中的所述硅的一结晶度是至少4％，或至少10％，或至少20％，或至少50％，或至少75％，或甚至至少90％。

在此，“半无定形的”一词意指一物质，在所述物质中所述物质的至少一部分是无定形的，而使所述物质的一结晶度少于100％，举例而言，少于90％，少于75％，少于50％，少于20％及甚至0％。

结晶度可以可选地根据在本技艺中被使用的标准程序，通过X射线绕射而被(例如，定量地)决定。

如在本文中所示例地，数个含硅纳米结构的结晶度可以通过举例而言，在至少600度(例如，自600度至900度)及可选地至少650度(例如，自650度至850度)的一温度下的，根据本文中所描述的任何个别实施例的热处理(在本文中亦称为“退火”)而增进。

在本文中所描述的任何实施例的一些中，所述数个含硅纳米结构的所述硅被掺杂以称为“掺杂剂(dopant)”的施体或受体原子。当前的实施例考虑掺杂以实现N型(较完成一晶格结构晶格结构多出电子)及P型(较完成一晶格结构缺少电子)掺杂。在所述N型材料中的额外电子或在所述P型材料中的留下的电洞(电子的缺少)分别做为负电荷及正电荷载体。

适合作为P型掺杂剂及作为N型掺杂剂的原子在本技艺中是习知的。举例而言，所述纳米结构可以由掺杂以例如，硼(典型地，但不必需地，通过暴露于二硼烷)、镓或铝的硅构成，以提供一含有P型硅的纳米结构，或由掺杂以磷(典型地，但不必需地，通过暴露于磷烷)、砷或锑的硅构成，以提供一N型半导体纳米结构。

在本文中所描述的任何实施例的一些中，所述硅是本征硅，亦即，未被P型或N型掺杂剂掺杂的硅。

在本文中所描述的任何实施例的一些中，在所述数个含硅纳米结构的至少一部分中或全部中，每个所述含硅纳米结构是被披覆以一氧化铝层。所述氧化铝层的(平均)厚度是可选地在自1纳米至50纳米、或自2纳米至25纳米、或自3纳米至15纳米的一范围内。示例性的数个氧化铝层具有自约5纳米至约10纳米的一厚度。

如在本文中的示例段落中所示例的，所述氧化铝层是可选地通过原子层沉积形成的。

被披覆以一氧化铝层的数个含硅纳米结构可以选择性地有氧化铝披覆一硅纳米结构或(具硅层的)一不锈钢纳米结构的所述表面的至少50％，或所述表面的至少75％，或所述表面的至少90％，或所述表面的至少95％。

制备包含数个硅纳米结构的复合电极的方法

根据本发明的一些实施例的一个方面，提供了一种制备一复合电极的方法，所述复合电极包含：在一不锈钢基板上的数个硅纳米结构，根据本文中所描述的任何个别实施例。

所述方法包含将(根据本文中所描述的任何个别实施例的)一不锈钢基板与氢氟酸(HF)接触；及(在与氢氟酸接触后)使所述基板经受供生长(举例而言，延伸自所述基板的)一硅纳米结构的数个条件。

在一些实施例中，与所述氢氟酸接触导致(如本文中界定的)一纳米孔洞表面结构，举例而言，包括在所述不锈钢基板上的数个纳米结构生长种子位置。所述硅纳米结构的生长是可选地接着实现自所述数个纳米结构生长种子位置中的至少一部分或每一个。

在本文中所描述的任何个别实施例的一些中，所述基板是被与一氢氟酸水溶液接触。在一些实施例中，所述氢氟酸水溶液包含至少5重量百分率的一浓度的氢氟酸，举例而言，自5至40重量百分率的一浓度的氢氟酸。在一些实施例中，所述氢氟酸浓度是在自5至15重量百分率的一范围内。在一些实施例中，所述氢氟酸浓度是在自25至40重量百分率的一范围内，例如约30重量百分率。

在本文中所描述的任何个别实施例的一些中，氢氟酸被与所述不锈钢基质接触持续自10分钟至60分钟，或自20分钟至40分钟的一时段。

接着氢氟酸处理之后，所述不锈钢基板经受硅的蒸气沉积，以藉此获得所述数个硅纳米结构。蒸气沉积可以可选地根据在本文中关于硅的蒸气沉积的段落里被描述的任何实施例而被实现。

用于制备包含数个不锈钢纳米结构的复合电极的方法：

根据本发明的一些实施例的一个方面，提供了用于制备一复合电极的方法，根据本文中所描述的任何个别实施例，所述复合电极包含：数个细长不锈钢纳米结构及在所述数个不锈钢纳米结构上的一硅层。

所述方法包含：在自约850度至约1200度的一温度，将一不锈钢本体(可选地在约常压下)与一气态的环境接触，所述气态的环境含有氢气，因而通过暴露在所述环境以生长数个细长不锈钢纳米结构，所述细长不锈钢纳米结构延伸自所述不锈钢本体。

在一些实施例中，在本文中所述的与所述气态的环境的所述接触是在约950度至约1100度的一温度下。

在本文中所描述的任何个别实施例的一些中，所述气态的环境进一步包括不同于氢气的一非氧化性气体，比如氮气及/或氩气。

在本文中所描述的任何个别实施例的一些中，在所述气态的环境中的氢气的一浓度是至少1％，可选地自1至10％(例如，通过所述氢气相对于所述气态的环境的总压力的分压来测定，及/或通过被引入至所述气态的环境中的所述氢气的体积相对于在所述气态的环境中的(在相同的数个条件下)数种气体的总体积来测定

在本文中所描述的任何个别实施例的一些中，在本文中所描述的(在所述被指示的温度下)与所述气态的环境的所述接触被实现至少30分钟的一时段，举例而言，自30分钟至5小时。

所述方法进一步包含在所述数个不锈钢纳米结构上形成一硅层。在一些实施例中，所述硅层是通过硅的蒸气沉积而被形成，以藉此获得根据本文中所描述的任何个别实施例的所述硅层。蒸气沉积可以可选地根据在本文中关于硅的蒸气沉积的段落里被描述的任何实施例而被实现。

硅蒸气沉积：

使用一硅前驱物的硅的蒸气沉积，可以可选地被用于生长(根据本文中所描述的任何个别实施例的)数个硅纳米结构及/或被用于在(根据本文中所描述的任何个别实施例的)一钢铁纳米结构上形成一硅层。

在此，“硅前驱物”一词意指在蒸气形式中，可以(例如，在本文中所描述的条件下)形成沉积硅的一化合物。硅烷(SiH₄)及二硅烷(Si₂H₆)是示例性的硅前驱物。

在蒸气沉积中被使用的一或更多硅前驱物(硅烷及/或二硅烷)的一纯度是可选地至少99％，可选地至少99.5％，可选地至少99.8％，及可选地至少99.9％。

所述硅前驱物可以被与一载体气体，举例而言，氩气或氢气混合(所述载体气体在决定所述硅前驱物的纯度时不被考虑)。

在本文中所描述的任何个别实施例的一些中，蒸气沉积是在自约380度至约550度的一温度下被实现。在一些实施例中，所述温度是自约400度至500度。在一些实施例中，所述温度是自约400度至460度。在一些实施例中，所述温度是自约400度至440度。在一些实施例中，所述温度是自约400度至420度。

如在本文中所示例地，蒸气沉积的所述温度可以取决于硅前驱物。举例而言，使用硅烷沉积的一温度可以可选地是约460度，而使用二硅烷沉积的一温度可以可选地是约400度至约440度(例如，自约410度至约430度)。

在本文中所描述的任何个别实施例的一些中，蒸气沉积是在一亚大气压下被实现，举例而言，在不多于100托，及可选地不多于50托的一压力下被实现。

在本文中所描述的任何个别实施例的一些中，蒸气沉积是在至少约1托的一压力下被实现，举例而言，在自约1至约100托，或自约1至约25托的压力下。在一些实施例中，所述压力是至少约5托，或至少约10托，或至少约20托。用于硅蒸气沉积的数个示例性压力在自约10至约25托的一范围内。

所述硅前驱物可以可选地以自1至50sccm(标准立方公分每分钟)的一气流速率，及可选地以自2至25sccm的速率被引进所述目标表面的一环境(例如，进入一封闭容器，所述目标表面被容纳在所述密闭容器中)。用于一硅前驱物的示例性气流速率是自约3sccm至约15sccm。

技术人员将会了解到一适宜的气流速率可以取决于在所述硅前驱物中的硅原子的数量，举例而言，二硅烷可以以较硅烷的引入速度(例如，约5sccm)低的速度(例如，约3sccm)被引入，以获得类似的结果。

(如在上文中被描述的)一载体气体，可以可选地以一适当的气流速率，举例而言，自3至约500sccm，被引入所述目标表面的一环境。一适当的气流速率可以可选地基于一所欲的总压力，对于一给定的环境而被给出(所述总压力可能被例如，真空泵的强度，容器的体积等所影响)。

在本文中所描述的任何个别实施例的一些中，蒸气沉积在自5分钟至180分钟的一时段中被实现，或在自5分钟至90分钟的一时段中被实现，或在自5分钟至60分钟的一时段中被实现，或在自5分钟至30分钟的一时段中被实现。在一些实施例中，这样的一个时段是被用于形成一硅纳米结构。

在本文中所描述的任何个别实施例的一些中，蒸气沉积是在至少30分钟，举例而言，自30分钟至180分钟的一时段中被实现。在一些实施例中，这样的一个时段是被用于在一钢铁纳米结构上形成一硅层(例如，根据本文中所描述的任何个别实施例，具有自约6纳米至约200纳米的一厚度的一硅层)。

硅蒸气沉积的所述数个条件(例如，时间、温度、压力及/或气流)被可选地选择以便提供一硅纳米结构，所述硅纳米结构具有至少一维度在根据本文中所描述的任何个别实施例的(自约10纳米至约200纳米的)一范围内的特征及/或具有根据本文中所描述的任何个别实施例的一厚度(例如，自约6纳米至约200纳米)的一硅层。

退火：

在本文中所描述的任何个别实施例的一些中(根据本文中所描述的任何方面)，根据本文中所描述的任何个别实施例的数个含硅纳米结构(优选地在所述数个纳米结构形成后)经受一热处理，在本文中亦称作“退火”。在一些这样的实施例中，所述纳米结构是一硅纳米结构(例如，相对于具有一硅层的一不锈钢纳米结构)。

在本文中所描述的任何个别实施例的一些中，所述热处理是在至少600度(例如，自600度至900度)，及可选地在至少650度(例如，自650度至850度)的一温度下被实现。

所述热处理是可选地在至少一分钟，及可选地至少两分钟，举例而言，自2至8分钟的一时段被实现。

在本文中所描述的任何个别实施例的一些中，所述热处理是在数个非氧化性条件下被实现，举例而言，是在氢气的一气氛中或在一真空中被实现。

不受特定理论的限制，据信退火可以提供下述数个特征中的一或更多个：

所述数个硅网络的物理性的焊接及机械性的强化，及它们物理性地附着到所述位于其下的不锈钢基板；

数个硅纳米结构域的结晶化；及/或

经由数个金属中心扩散进入所述数个硅基结构，增强所述数个硅至不锈钢连接点的导电性，其中数个金属硅化物的短段在所述数个纳米结构的底部的形成，改善在所述数个硅纳米结构及位于其下的不锈钢基板之间的电性接触，因此(例如，在作为锂离子电池组阳极表现时)改善集电能力。

复合电极的额外特征及应用：

在本文中所描述的任何实施例的一些中，在所述电极的一表面上的硅的一量值是至少0.5毫克/平方公分，可选地至少1毫克/平方公分及可选地至少2毫克/平方公分。举例而言，硅或所述量可以自0.5至20毫克/平方公分，或自0.5至12毫克/平方公分，或自0.5至3毫克/平方公分。在这样的数个计算中，所述电极的所述表面意指显微尺度(例如，忽略具有1毫米或更少的一宽度的数个凹陷)，而使在所述电极中(例如，如在一网状物中)的数个小孔为硅提供更多附着点而没有在所述电极的所述表面积的一相应增加。

如在本文中所示例地，所述复合电极的至少一部分(例如，在其中的所述数个纳米结构的至少一部分)是可选地被披覆以一碳质的披覆层(所述碳质的披覆层优选地是导电的)，比如碳黑及/或数个碳纳米管(例如，数个单壁碳纳米管)。所述披覆层可以可选地通过与一液体(例如，悬浮液)简单接触及可选地接续以热裂解而被形成，所述液体含有所述碳及一溶剂(例如，水性溶剂及/或有机溶剂)，所述溶剂湿润所述电极表面。所述披覆层可以可选地被用以增进在所述硅及一集电器之间，及/或在所述阳极及一阴极之间的传导。在一些实施例中，所述数个碳质的披覆层的一平均厚度是自1纳米至1000纳米。

在本文中被描述的所述不锈钢基质及/或不锈钢本体可以可选地具有一连续的(例如，平坦的)块体结构或可以包含多个不锈钢组件，例如，以一纺织或非纺织网状物的一形式。

除了用以为(根据本文中所描述的任何个别实施例的)数个纳米结构提供一基板，在本文中被描述的所述不锈钢基板及/或不锈钢本体可以可选地作为用于电化学反应的一集电器(因而增进所述电极的所述导电性)

附加地或替代地，(根据本文中所描述的任何个别实施例的)在本文中被描述的所述不锈钢基质及/或不锈钢本体及连结的数个纳米结构，可以可选地以薄度或(例如，在包含一钢铁网状物的实施例中)以多孔性为特征，所述薄度可以与相对低的重量、高的电容量对体积比及/或电极弹性相关联；所述多孔性可以与(由于较高的表面积)增进的电容量及/或电极弹性相关联。

电极弹性是有利的，举例而言，在(例如，通过在一被限定的体积中折迭及/或卷起一弹性电极)促进制备数个包含一大的电极区域的数个电化学电池时。

如在本文中所示例的，如本文中所描述般制备的数个电极可以轻易具有数个大的，被放大的面积。

在本文中被描述的任何实施例中的一些中，(根据在本文中描述的任何实施例的)一复合电极的一面积是至少10平方公分，或至少100平方公分，或至少1000平方公分，或至少1平方公尺(10000平方公分)，或至少10平方公尺。

在本文中被描述的任何实施例中的一些中，具有至少3毫安培小时(mAh)每平方公分(例如，自3至4或自3至5毫安培小时/平方公分)(的所述电极的表面)的一电容量的一阳极被获得，及在一些实施例中，至少4毫安培小时/平方公分，或至少6毫安培小时/平方公分，或至少8毫安培小时/平方公分，或至少10毫安培小时/平方公分，或至少12毫安培小时/平方公分，或甚至15毫安培小时/平方公分的一电容量被获得。

在本文中被描述的任何实施例中的一些中，具有至少1000毫安培小时每公克硅(mAh/g_Si)的一电容量的一阳极被获得，及在一些实施例中，至少2000毫安培小时/每公克硅，或至少3000毫安培小时/每公克硅的一电容量被获得。相对地，石墨(在许多商用锂阳极中被使用)的理论电容量是372毫安培小时每公克。

在本文中被描述的任何实施例中的一些中，具有不少于20％(例如，自7至15％)的一不可逆电容量损失(在电化学循环的开始的电容量损失)的一阳极被获得，及在一些实施例中，少于15％，或少于10％，或少于7％，或甚至少于5％的一不可逆电容量损失被获得。

在本文中被描述的任何实施例中的一些中，具有至少99％的一库仑效率(通过在充电及放电时的电容量之间的关系决定)的一阳极被获得，及在一些实施例中，至少99.5％，或至少99.8％，或甚至至少99.9％的一库仑效率被获得。

(根据在本文中描述的任何实施例的)电容量、不可逆电容量损失及库仑效率是指相对于一适当的锂离子阴极的数个锂化及去锂化循环。循环是可选地在C/20的一速率(亦即，在所述电容量的1/20每小时的一速率)被执行。库仑效率是可选地根据经许多(例如，100或更多)个(例如，于C/20的)循环的一平均效率被决定。电容量及不可逆电容量损失是可选地使用在约C/2的一速率的一初始循环(或二个或三个循环)来决定，所述约C/2的一速率的一初始循环(或二个或三个循环)可以可选地(例如，如在本文中被示例的)接着在C/20循环。

在本文中被描述的任何实施例中的一些中，(根据在本文中描述的任何个别实施例的)一阳极及/或全电池具有至少400循环，或至少500循环或至少600循环或至少700循环的一循环寿命。

在本文中，一“循环寿命”意指直到(不包括在循环起始时的不可逆电容量损失的)电容量减少30％为止的锂化及去锂化的循环数。阳极循环寿命是通过将所述阳极(例如，根据在本文中示例的程序)相对于锂金属循环而被决定。全电池循环寿命是通过循环所述全电池的所述阳极及所述阴极而被决定。

电容量是可选地通过在约C/2的一速率的一循环(例如，以衡量起始电容量及在所述循环寿命的尾声的电容量)而被决定，而介于期间的循环可选地是在约C/20的速率(例如，如在本文中所示例的)。

根据本文中所描述的实施例的数个电极可以可选地被包括在数个电池组中，比如数个锂离子电池组(例如，在电动车中)及数个其他能量储存装置、超电容器、比如行动电话等的可携带及/或可穿戴装置(在其中尺寸及重量是一重要的限制因子)当中。此外，值得注意的是硅/锂合金具有一高熔点，所述高熔点增进安全性(例如，相对于锂金属装置)。

根据本发明的一些实施例的一个方面，提供了一能量储存装置，包含：一电解质及至少一复合电极，所述复合电极根据本文中所描述的任何个别实施例。所述能量储存装置可以可选地是电池组(例如，锂离子电池组)，包含一或更多全电池(亦即，包含一阳极及阴极)；或一电容器。

所述能量储存装置(例如，电池组)可以包含任何数量(亦即，一或更多)的电化学电池，可选地包含任何数量的锂离子电池，所述电化学电池中的一些或全部包含至少一个根据本文中所描述的任何个别实施例的复合电极。

在本文中，“锂离子电池(lithium ion cell)”及“锂离子电池组(lithium ionbattery)”分别指一电池(cell)或电池组(battery)，其中(例如，当所述电池充电时)储存及/或(例如，当所述电池放电时)释放储存在当中的所述电能的至少一部分的一电化学反应包含锂离子自一电极至另一电极(例如，自一阳极至一阴极或反之亦然)的移动。

遍及本文中，“电解质(electrolyte)”一词亦内含一“电解质溶液(electrolytesolution)”。

可预期的是，在一专利自此申请开始计算的生命中，许多相关的电解质(固体及/或液体电解质)将被发展出来及“电解质”一词的范围意在先验地包含所有这样的新科技。

适宜于一锂离子电池的数种液体电解质的数个示例包括，但不限于，包含一锂盐，比如LiPF₆、LiBF₄、LiClO₄、双(三氟甲磺酰基)亚胺锂(LiTFSI)及/或二草酸硼酸锂(LIBOB)的数种液体；及一溶剂，比如碳酸乙二酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸亚乙烯酯(VC)、碳酸氟代乙酯(FEC)及/或碳酸丙烯酯(PC)。

液态电解质的数个进一步的示例包括室温离子液体，可选地包含：一阳离子，比如一1,3-双烷基咪唑盐类(例如，1-乙基-3-甲基咪唑、1-丁基-3-甲基咪唑及/或-己基-3-甲基咪唑)、一1,2,3-三烷基咪唑盐类(例如，1-丁基-2,3-双甲基咪唑)、一1,3-双烷基吡啶盐、一N-烷基吡啶盐(例如，N-辛基吡啶盐)、一N-烷基异喹啉氮鎓、一N-烷基吡咯啉鎓、一N,N-双烷基吡咯啉鎓(例如，1-甲基-1-丙基吡咯啉鎓、1-甲基-1-丁基吡咯啉鎓及/或1-甲基-1-辛基吡咯啉鎓)；及/或一阴离子比如双三氟甲烷磺酰亚胺(“双硫酰亚胺”)、四氟硼酸盐、六氟磷酸盐及/或卤化物；及/或以上的任何组合。

固态电解质的示例包括，但不限于，数个固态聚合物电解质，所述数个固态聚合物电解质包含一聚合物，比如聚乙烯二醇(例如，包含自约500至约10000聚乙烯二醇单元)，及/或一陶瓷，比如二氧化硅或氧化铝。

根据本发明的一些实施例的一电化学电池10(在本文中亦可互换地称作一“全电池”)的一示例性组合构造的一示意性的呈现被展示在图1中。

电化学电池10包含：包含硅的一复合电极20(根据在本文中描述的任何个别实施例)，所述复合电极20作为一阳极。电化学电池10包含：一阴极30，所述阴极30可以是在本技艺中(例如，用于一锂离子电池的)已知的任何适宜的阴极。电极(阳极)20及/或阴极30可以可选地进一步包含根据在本文中描述的任何个别实施例的一导电披覆层，举例而言，一碳质披覆层(可选地包含碳纳米管)。

锂离子阴极(亦即，适于在一锂离子电池中使用的阴极)的数个示例包括，但不限于NMC(锂镍锰钴氧化物，亦即LiNi_xMn_yCo_zO₂)阴极；锂钴氧化物(LiCoO₂)阴极；NCA(锂镍钴铝氧化物，亦即LiNiCoAlO₂)阴极；LMO(锂锰氧化物，亦即，LiMn₂O₄)阴极；LFP(磷酸锂铁，亦即LiFePO₄)阴极；及锂/硫阴极。NMC、LMO、锂钴氧化物及/或NCA阴极特别适合用于阳极20。在数个示例性实施例中，阴极30包含一NCA阴极。

可预期的是，在一专利自此申请开始计算的生命中，许多相关的阴极将被发展出来及“阴极”及“锂离子阴极”等词的范围意在先验地包含所有这样的新科技。

电化学电池10进一步包含一电解质40，所述电解质40可以是在电极(阳极)20及阴极30之间的(例如，根据在本文中描述的任何个别实施例的)一固体及/或一液体电解质，及可选地与电极(阳极)20及阴极30接触。

电化学电池10可选地进一步包含：集电器22，所述集电器22被配置以将阳极20电性地连接至将由电化学电池10驱动的一电气装置，及/或集电器32是被配置以将阴极30电性地连接到一电气装置，所述电气装置是被电性地配线以由电化学电池10驱动。数个集电器22及/或32可以可选地被配置，以(例如，在商用装置中的)标准配置固定电性接触，所述标准配置是用以固定比如数个电池的数个电源。

电化学电池10是可选地不具有阴极过量，亦即，阴极30的所述电容量(例如，在实验误差中)并不超过阳极20的所述电容量，举例而言，如通过所述阳极及所述阴极(例如，相对于过量锂金属)的锂化及去锂化各自(也就是说，在电池10之外。)测定。在一些这样的实施例中，电化学电池10具有一阳极过量，阴极30的所述电容量是少于阳极20的所述电容量。

数个(未显示)电化学电池10可以可选地被在串联中被配置(例如，以获得对应于所述数个个别电池的数个电压的总和的一电压)，可选地被包裹在一单一外壳中以形成一电池组。

根据数个当前实施例的一电化学电池可以依循在任何本技艺中已知的设计，及可以包括一或更多阳极及/或阴极。数个示例性的设计包含，但不限于，数个旋转圆盘电极、数个超微电极或数个网版印刷电极。

如在图1中所呈现的电化学电池10的所述数个组件的所述配置仅是作为例证性的目的及非以任何方式被认作为限制性的。

在本文中所描述的任何个别实施例的一些中，一锂离子电池组的一能量密度是至少250瓦-小时每公斤(Wh/kg)，及可选地至少300瓦-小时每公斤(例如，自300至400瓦-小时每公斤)，或至少350瓦-小时每公斤，或甚至至少400瓦-小时每公斤。相较之下，商用锂离子电池的能量密度典型地是150至250瓦-小时每公斤。

在本文中所描述的关于一锂离子电池组的任何个别实施例的一些中，所述锂离子电池组是可再充电的，亦即，被设计及/或被识别，以当再充电所述电池组时再使用，所述再充电是通过应用一适当的电位。

如在本文中所使用的，“约(about)”一词意指±20％。在本文中所描述的任何使用“约”一词的实施例中，所述词汇意指±20％。

“包含(comprises)”、“包含(comprising)”、“包括(includes)”、“包括(including)”、“具有(having)”等词汇及它们的变化形式意指“包括但不限于(includingbut not limited to)”。

片语“由…组成(consisting of)”意指包括且限于(“including and limitedto)”。

片语“基本上由…组成(consisting essentially of)”意指所述组成、方法或结构可以包括数个额外成分、步骤及/或部分，但仅若所述数个额外成分、步骤及/或部分并不本质上改变所述被宣称的组成、方法或结构的基本及新颖特征。

如在本文中所使用的，所述单数形式“一(a)”、“一(an)”及“所述(the)”包括复数指称词，除非上下文明显另有要求。举例而言，“一化合物”或“至少一化合物”等词汇可以包括数个化合物，包括其数个混合。

遍及本申请，本发明的各种实施例可以以一范围格式被呈现。应被了解的是，范围格式的所述描述仅是为了便利及简洁及不应被视为在本发明的范围上的一非弹性的限制。因此，一范围的描述应被视为已特定地揭露了在该范围内的所有可能的子范围及个别数字数值。举例而言，比如自1至6的一范围的描述应被视为已特定地揭露了比如自1至3、自1至4、自2至4、自2至6、自3至6等的数个次范围，及在该范围内的数个个别数字，举例而言，1、2、3、4、5及6。这不论所述范围的宽度而适用。

每当一数值范围在本文中被指示，它是意在包括在所述被指示范围内的任何被列举的数字(小数或整数)。在一第一指示数字及一第二指示数字“之间的范围”及“自”一第一指示数字至一第二指示数字的“范围”在本文中被可互换地使用，及是意在包括所述第一及第二被指示数字及其间的所有小数及整数。

应被了解的是，为清楚起见，在分离的数个实施例中被描述的本发明的特定特征，可以也在一单一实施例中结合地被提供。反之，为简短起见，在一单一实施例的背景中被描述的本发明的各种特征，也可以在本发明的任何其他被描述的实施例中被分离地或在任何适当的次组合中或如适当地被提供。在各种实施例的背景中被描述的数个特定特征不应被视为这些实施例的必要特征，除非所述实施例没有这些元素便是无法运作。

如在上文中被描述的及如在下文中的权利要求段落中宣称的，本发明的各种实施例及方面，在接下来的示例中找到实验性的支持。

示例

现在参考接下来的数个示例，这些示例与上文的描述一并以非限定性的方式例证本发明的一些实施例。

材料及方法

材料：

氢氟酸(HF)是获得自西格玛奥瑞奇(Sigma-Aldrich)。

包含宽度25或50微米的纤维的不锈钢网状物(304或316L钢级)被使用。所述纤维之间的间隙在宽度上与所述纤维宽度相似。

包含沙维尼根黑碳(Shawinigan Black Carbon)及在甲苯中的聚苯乙烯丁二烯共聚物(poly(styrene-co-butadiene))的一9：1混合的碳墨是获得自西格玛奥瑞奇。

锂箔是获得自洛克伍德锂业股份有限公司(Rockwood Lithium Inc.)。

化学蒸气沉积：

数个不锈钢样本被放置在一石英管中，及所述腔室被排空至0.005托的一基础压力，接着以指示的数个气流速率导入指示的数种气体(例如，硅烷与氩及/或氢)。为了沉积P型硅，二硼烷亦(以6.25sccm的一速率)被导入。所述数个不锈钢样本在沉积前及在沉积后立刻被秤重，以决定硅的量及密度(每单位面积的量)。

电池组装：

数个电化学电池在一充满氩的手套箱中被组装。数个含硅样本被切割为数个10毫米直径的圆盘，及一滴被指示的碳墨被施加到一边，以便改善与所述集电器的电性接触。获得的所述经碳处理的阳极是典型地在50度中被放置在一真空烤箱中过夜，接着在组装前被加热至100度持续2小时。具有所述被指示的电极的一CR2032硬币型电池被组装，所述硬币型电池包含：2垫片、在不锈钢上的数个含硅纳米结构、分隔膜(2400)及一锂阴极(切割自锂箔，15毫米直径)。

X射线光电子光谱学(XPS)：

X射线光电子光谱学测量使用一5600多技术系统(5600Multi-Technique System)(PHI，美国)来执行。

示例1

氢氟酸处理对在不锈钢上的硅生长的效果

在所述不锈钢上生长数个硅结构的初始尝试是通过将一新鲜的，如接收的不锈钢网状物，插入至一CVD(化学蒸气沉积)系统而作出。所述如接收的不锈钢网状物被展示在图2A及2C中。如在其中所展示的，所述不锈钢基板几乎不具有瑕疵。然而，数个小瑕疵在所述基板被操作时被创造，例如，折痕、刮痕、镊夹瑕疵等等。

如在图4A中所展示的，被观察到生长在接近所述不锈钢网状物的所述数个接触点处的非常少的数个硅结构，显示他们生长自所述基板的所述数个瑕疵内部。

此结果表明尽管所述不锈钢在所述不锈刚的所述表面主要包含铁及铬元素，所述数个无意的瑕疵可以暴露许多其它金属元素，比如镍及铜，所述其它金属元素在所述数个硅结构在所述基板上的生长上具有正面效果。

将所述不锈钢沉浸在氢氟酸(HF)中强力地促进所述钢铁的开裂，至数个纳米岛(nano-islands)在所述基板的所述表面上形成的地步。此外，所述钢铁的所述颜色自灰色变为黑色。

经氢氟酸处理的不锈钢网状物被展示在图2B及2D中。

如在图2D中所展示的，氢氟酸处理增加所述钢铁表面的所述粗糙度，表示成核点的一可能的增加。

如在图4B中所展示的，数个硅纳米结构在经氢氟酸处理的不锈钢网状物上均匀地生长。

不被任何特定理论所限定，据信粗糙度及潜在成核点的一增加，对通过氢氟酸处理促进的所述均匀硅生长有相当的贡献。

数个不锈钢基板被用于XPS分析。所述数个基板在100瓦氧电浆中被清洁10分钟以移除碳及有机相关的污染物。

表1：如接收的，未经处理的316L不锈钢及以40％氢氟酸处理30分钟的316L不锈钢，通过XPS分析(仅表面，无溅击)测定的数个元素的原子百分率。

元素	未经处理不锈钢(％)	氢氟酸处理不锈钢(％)
			C	19.78	24.47
O	52.14	46.73
			N	1.32	无法被测量
F	5.31	5.17
			Fe	8.95	9.84
Cr	2.03	4.02
			Ni	1.18	4.75
Na	0.93	-
			Ca	0.94	-
Si	5.45	-
			S	1.96	-
Cu	-	2.73
			Mo	-	2.31

以40％氢氟酸处理30分钟的不锈钢的一样本的所述XPS光谱被描绘在图3A中，及通过XPS被测定的所述元素组成被呈现在表1中。

如在表1中所展示的，氢氟酸处理增加数个非铁元素，比如铬、镍及铜及钼，在所述不锈钢基板的所述表面的所述比例，同时也成功清洁掉所述基板的许多无机污染物比如钠、钙及硫。

类似地，如在图3B中所展示的，氢氟酸处理导致NiO₂的峰值大小一清楚的增加，如在与镍相关的所述XPS光谱的部分中所观察到的。

此外，如在图3A及3C中所展示的，与铜相关的数个峰值在氢氟酸处理时于所述XPS光谱中出现，及这样的数个峰值在氢氟酸处理前并不可见。

这些结果显示氢氟酸处理增加了在经处理的不锈钢的所述表面上的，不锈钢中存在的数种非铁金属的所述量。

如在表1中所进一步展示的，氢氟酸处理并未在所述基板表面增加氟的所述量。在所述未经处理样本中的所述可观量的氟可能与在不锈钢的生产过程中，在所述不锈钢上执行的一化学处理相关，因所述未处理的样本并未与任何被污染的物体接触(所述经处理的样本是被以不同镊子操作且从不与所述未经处理的样本接触)。

进一步的XPS分析显示，在所述氢氟酸处理后被暴露及被浓缩的所述数种金属中，没有任何一种含有金属-氟键结的任何迹象。仅所述铁XPS光谱显示FeF₂的一可能信号，它的参考能量在711.3-711.4电子伏特的一尺度上被观察到，及是与所述Fe₂O₃峰值相关。

这些结果显示受所述氢氟酸处理影响的所述唯一金属是在所述过程中被溶解的铁。这与表1的所述结果相一致，所述结果显示所有数种金属在所述表面上被浓缩(除了铁，所述水平维持基本上不变)。

(在氢氟酸中的)处理时间在硅密度上的所述效果，是通过以40％氢氟酸持续不同时间地处理一不锈钢网状物，接着在460度及25托的一压力下暴露于硅烷(流速5sccm(标准立方公分每分钟))及氩(流速20sccm)来沉积本征硅来衡量。25微米及50微米的网状物样本皆被测试。

表2：在将25及50微米不锈钢基板在40％氢氟酸中沉浸不同时间后测量的平均硅密度(在60分钟后，50微米不锈钢开始游离)。

如在表2中所展示的，氢氟酸前处理大幅增加了在不锈钢网状物上的硅密度。

如在表2中所进一步展示的，在数个未经处理的样本中，所述硅密度是接近于零，及所述数个25微米样本具有比所述数个50微米样本更多的硅。

此结果显示，在无氢氟酸处理时的硅生长与瑕疵点相关，及较厚的所述50微米样本比较薄的25微米样本在操作时更不易于变形。

表3呈现使用数个25微米不锈钢网状物样本的一实验的结果，所述数个25微米不锈钢网状物样本在一4吋CVD装置中被放置在彼此上。每个网状物样本以一不同的氢氟酸浓度处理，所述浓度自25％至40％，放置的所述顺序是自在顶端的40％向下。

如在表3中所展示的，以30％氢氟酸处理的所述样本较以数个较高氢氟酸浓度处理的数个样本展现一较高的硅密度，虽然所述30％氢氟酸样本是较少地被暴露于蒸气沉积。

30分钟因此被选为用于未来关于电极创造的数个实验的所述氢氟酸处理时间。

表3：作为氢氟酸浓度的一函数的平均硅密度(所有样本被沉浸30分钟及在一4吋CDV装置中于460度及10托，在200sccm氩气流，15sccm硅烷气流下，迭在彼此上方3小时)。

氢氟酸浓度	平均硅密度(毫克/平方公分)
		25％	0.84
30％	0.95
		35％	0.76
40％	0.71

此外，当所述氢氟酸处理时间超过2小时，低至5％的数个氢氟酸浓度促进了数个硅结构的生长(资料未显示)。

这些结果显示较高的氢氟酸浓度并不必然导致较高的硅密度，及表明在所述氢氟酸处理时被创造的金属-氟键结抑制所述表面的进一步溶解并创造某种形式的钝化层(passivation layer)。氢氟酸的数个较高浓度(>30％)在所述表面上更迅速地创造含氟键，因此在所述过程中降低了所述氢氟酸的效率，至于数个较低的浓度(<30％)由于较少酸接触所述表面，对所述表面具有一较弱的溶解效应。

表4：当使数个25及50微米不锈钢基板经受不同CVD时间时的平均硅密度(所有数个样本以40％氢氟酸前处理30分钟)。

如在表4中所展示的，硅密度在蒸气沉积的7至15分钟的所述期间显著地增加，及在蒸气沉积的15至60分钟的所述期间以一更和缓的速率持续增加(在所述数个50微米样本中，密度在30分钟及60分钟之间的所述明显减少是由于秤重错误，且可以被忽视)。

所述结果显示所述初级成核过程在多至约7分钟的所述期间中发生，且快速生长在其后开始。

如在表4中所进一步展示的，数个较厚(50微米)的基板较经受所述同样的数个沉积条件的数个较薄(25微米)的基板更倾向于造成较高的硅密度，虽然它们较所述数个较薄的基板更快达到一高原期。

此结果显示氢氟酸处理在数个50微米样本中更有效，因为这些样本较所述数个25微米样本具有较少的表面积，因此大大地促进硅结构生长，以致进一步的处理在所述生长阶段中并不影响所述硅覆盖率及成核。

类似地，由于氢氟酸在所述较厚的样本上较大的有效性，60分钟的纯40％氢氟酸开始完全解离所述不锈钢样本(但在所述较薄的样本中并无)。

合而观之，上述的数个结果显示硅密度可以通过改变比如暴露于氢氟酸的期间及化学蒸气沉积的期间的数个参数而被控制，允许高硅密度被获得。

在一经氢氟酸处理的不锈钢表面上被生长的数个硅结构通过电子显微术被成像。

图5A及5B使用扫描电子显微术，展示数个硅纳米结构，包括数个线状结构的存在。

不受任何特定理论的限制，据信此现象可能是由所述氢氟酸前处理创造(在之后的过程中作为催化剂的)所述数个纳米岛的方式所造成。在所述生长过程中，所述硅烷气被解离为纯硅接着扩散进入所述不锈钢。紧密间隔的数个催化岛可能导致许多成长中的硅结构的一体化，因此相较于更加隔绝的数个催化岛，创造较厚且较短的数个结构。

如在图5C及5D中所展示的，没有催化剂(通过高解析度透射电子显微术)在数个细长硅结构的上面被观察到。

类似地，图5A及5B展示催化剂自许多硅结构的一缺乏，通过扫描电子显微术测定。

这些结果显示所述数个硅结构通过一气固固(VSS)机制生长，而使所述硅是自所述不锈钢表面持续地延长。

然而，通过个别地检视具有硅的所述不锈钢包含的所述数种金属的每一种的一相图，对于低于约800度的一温度，没有共熔点被找到。因此假设硅生长是被硅烷在所述不锈钢网状物相上解离时的数个金属硅化物的所述行程所促进。

据信先前被报告的用于在不锈钢上生长数个硅纳米线的数个方法(例如，如由Chan等人，[Nat Nanotechnol,3:31-35，2008]；Kim等人[Materials Lett,64:2306-2309，2010]及Li等人[Adv Energy Mater,2:87-93，2012]所描述)并不容许以一简单且方便的方法，在相对低的数个温度下生长硅。

如在图6A至7D中所展示的，如通过光学显微术(图6A至6D)及扫瞄电子显微术(图7A至7D)所观察的，在以40％氢氟酸前处理30分钟的数个样本中，在数个不锈钢纤维之间的所述数个空洞随着硅生长进行而逐渐关闭。

这些结果显示所述数个硅线状结构可以生长到在长度上大至数十微米，及当使用在本文中所描述的数个方法实行硅生长时，孔隙率可以显著地减少。

举例而言，图7A展示一不锈钢网状物，所述不锈钢网状物具有0.5毫克/平方公分的一密度的硅。甚至在此密度下，所述数个硅结构生长到在长度上大至10微米，同时在直径上维持约30纳米。

相对之下，图7D展示一不锈钢网状物，所述不锈钢网状物具有5.11毫克/平方公分的一密度的硅。在此密度，所述潜在的阳极材料的所述孔隙率已大幅减少。

如在图8A中所展示的，如通过TOF-SIMS所测定的，在所述数个硅结构中的铜的所述水平达到约每立方公分硅10²⁰个铜原子，所述水平对应到高至约0.2％的原子比例，显示在所述生长阶段时，铜自所述不锈钢基板扩散入所述硅。

在新制造的不锈钢中的铜的量是极小的，但因为铜在硅中(即使在低温度下)的高扩散系数，硅是易受铜污染的[Istratov&Weber，J Electrochem Soc,149:G21-G130，2002年]。

如在图8B中所展示的，P型(掺硼)生长硅除了铜之外，也包含铁及硼。

此结果显示，由于铁在硅中的所述施体特征，铁的所述原子比例由于它的离子化天性而显著地被减少，因此大幅地增加它的扩散系数，即使在低温度下。

不被任何特定理论所限制，据信在本征硅中，铜具有一大许多的扩散系数，因而为在所述不锈钢中的任何其它元素创造了一扩散屏障；而在一高度掺硼的环境中，铁的所述溶解度由于铁与硼(FeB)非常强的配对而显著地增加，而此溶解度及扩散系数在低温度下是显著地增加的(举例而言，参见，Istratov等人，Appl Phys A,69:13-44，1999年)。

氢氟酸处理的一更进一步的优势是，它通过腐蚀而消除了在所述表面上的大部分污染物。数个硅结构因此可以不须清洁过程而被生长在所述3D不锈钢网络上。

以不同于氢氟酸的数种酸(例如，硝酸(65％)、硫酸(95％)、磷酸(85％)及氯酸(32％))，或以丙酮处理亦被尝试(资料未显示)。这些处理并未提供与氢氟酸相同的结果，例如，所述不锈钢外观的改变或在生长在所述不锈钢表面上的数个硅纳米结构的所述量。相反地，这样的处理可能经由数个薄氧化层的形成，促进不锈钢的钝化(所述钝化抑制硅纳米结构生长)。如由XPS研究揭露的，硝酸促进更多铬累积在所述不锈钢的所述表面上。然而，显然由于缺乏开裂及数个不同元素的暴露，硝酸处理导致与在如接收的不锈钢上类似类型的硅生长(如在上文中所描述的)。

合而观之，在本文中所描述的所述处理可以被用以使用相对低的温度(例如，350至450度)，在数个不锈钢表面上制造纳米孔洞海绵状硅网络，而不须诉诸昂贵的数种贵金属催化剂。

示例2

以氧化铝层披覆数个硅纳米结构

为了增加在锂化时的机械性支撑及对开裂的抗性，一层氧化铝被沉积在(根据在示例1中描述的方法而制备的)数个硅结构上。所述沉积是经由原子层沉积(ALD)，使用一种三甲基铝(TMA)催化剂及去离子水(dH₂O)的蒸气，如在图9中被示意地描绘的。

所述氧化铝沉积方法是使用“暴露”循环而被执行，亦即，所述TMA及dH₂O气体两者在打开所述真空阀之前，皆在它的各自的回合中，各自被留在所述腔室中7及25秒。因为所述壳形成的所述一致性是由两种气体的所述扩散限制速率，允许所述气体在高温(150度)下扩散据信会导致进入所述3D样本的更大的渗透度，因此允许氧化铝壳的共形排列直至所述不锈钢的所述核心，尽管硅具有相对高的密度(例如，如在图4B中所示例的)。

在一典型的过程中，数个样本被放置在一ALD系统中及被保持提高于所述系统的底表面，以便允许经所述整个3D网络的最大扩散。所述样本被暴露于三甲基铝(TMA)0.015秒，而所述真空阀被关闭7秒接着腔室真空25秒。所述样本接着被暴露于dH₂O蒸气0.02秒，而所述真空泵被关闭25秒，接着腔室真空30秒。所述样本暴露于氧化铝，接着暴露于dH₂O的每次暴露被界定为1ALD循环。

约5纳米厚度的一氧化铝披覆层在35ALD循环后被获得，所述披覆层共形地披覆所述暴露的SiNS表面区域。

经由透射电子显微术，数个代表性的氧化铝披覆线状硅结构在图10A至10D中被展示。

如在图10B及10C中所展示的，所述数个硅结构中的许多与彼此相连。

数个硅结构的彼此相连可以提供增加的机械性支持及对开裂的抗性(例如，除了所述氧化铝层的所述效果之外)。

此外，留在所述腔室中的气体(如在上文中讨论的)在氧化铝上披覆层共形性上的效果被测试。相对于在上文中被描述的所述过程，所述气体并未被允许留在所述腔室中，亦即，所述真空泵总是开启。此外，更多沉积循环被执行(每个过程200循环)。

当气体不被允许有时间进一步扩散，所述获得的氧化铝披覆层跟随所述硅结构的所述粗糙度；而在上文中被描述的所述“暴露”过程中，所述氧化铝披覆层在粗糙度方面是更一致的。

这些结果确认了在本文中被描述的所述数个实验的所述“暴露”过程的有效性。

数个硅纳米结构被生长在不锈钢网状物上(在460度及25托，5sccm硅烷及20sccm氩持续80分钟)及接着经受RTP(快速热处理)以促进所述硅的结晶化(提高温度约13秒，以50度/秒的一速率，将温度提高至650度，接着在650度4分钟)接着通过35ALD循环沉积氧化铝，以获得一结晶硅核心及无定形外壳。所述数个硅纳米结构接着经受两个锂化/去锂化循环，及由透射电子显微术检视。

如在图11中展示的，一些结构没有展示出结晶性及是被固态电解质界面(SEI)所披覆，所述固态电解质界面是无法被移除的。

一结晶硅核心至无定形硅的所述转变显示所述锂的所述穿透沿着所述整个纳米结构发生，包括经过所述氧化铝壳。

如在图12A及12B中所展示的，在两个循环的锂化/去锂化后，许多纳米线结构沿着所述纳米线展现出SEI形成及开裂；但数个氧化铝壳依然可见，显示它们并未被两个循环所移除。

在锂化前(数个控制组结构)的所述平均直径是85.56±16.21纳米，及(在去锂化状态中的)经循环的数个结构所述平均直径是108.40±13.93纳米，体积变化是相对小的(约27％)。

此结果显示，相对于硅典型的400％体积变化，所述氧化铝壳限制体积变化。

此外，一些氧化铝披覆的硅纳米结构在两个锂化/去锂化循环后没有展现出损伤，这可能指示不完全的可湿性。

示例3

数个硅纳米结构的电化学特征描述

经由使用一硬币型电池的电化学特征描述，(根据在示例2中所描述的过程被准备的)具有氧化铝披覆的数个硅结构的不锈钢网状物，为作为一阳极的潜在使用性被评估，所述硬币型电池被配置以具有数个10毫米阳极。数个电池在前三个循环，于30度使用0.1毫安培(mA)的一恒定电流被循环，以便获得所述电池的所述最大电容量，接着是使用1毫安培的一恒定电流的老化测试。

包含氧化铝披覆的硅，及具有1.18公克/平方公分的一硅密度的一代表性电池的结果，在图9A至9C中被展示。

如在图13A及13B中所展示的，在0.1毫安培电流下，所述受测电池的所述初始电容量达到约3.6毫安培小时/平方公分(约3000毫安培小时每公克硅)。

值得注意的是，这样的电容量值对于电动车会是可接受的。

如在图中所进一步展示的，在1毫安培的一更快速的充电/放电速率，测得的所述初始电容量是约2.6毫安培小时/平方公分(约2300毫安培小时每公克硅)及在200循环后衰减到约1毫安培小时/平方公分(约875毫安培小时每公克硅)及在500循环后衰减到约0.6毫安培小时/平方公分(约500毫安培小时每公克硅)。

上述的数个结果显示即使在500循环后，所述电容量仍是石墨电容量的约1.5倍。

如在图中所进一步展示的，(在0.1毫安培电流的区间测得的)所述电池的所述最大电容量在500循环后达到2.3毫安培小时/平方公分，这代表在500循环后的36％的一电容量损失。

不锈钢自身并不具有锂化容量，假定所述硅单独造成所述电池的所述整体电容量是合理的。

如在图13C中所展示的，所述电池的一稳定的衰退可以在所述电压图形中被观察到。电容量的一更显著的减少在循环150及循环250之间发生。

图14A及14B展示硅的数个个别的锂化及去锂化峰值，所述峰值在充电阶段逐渐加宽，上述图也展示在约0.25伏特处的数个尖锐的锂化峰值。

不被任何特定理论所限制，据信因为所述数个硅结构是大部分无定形的，数个被观察到的所述dQ/dV峰值代表在两个富含锂的阶段，SiLi_2.3及SiLi_3.25之间的一平衡。进一步地，据信在0.25伏特附近的所述数个更尖锐的锂化峰值可能与一扩散屏障相关联，所述扩散屏障由伴随所述氧化铝层的SEI(固态电解质界面)形成所造成。

在700循环(在0.5毫安培额外的200循环)后，所述数个硅纳米结构通过电子显微术被检视。

如在图15C及15D中所展示的，在700循环后，所述氧化铝层被自所述硅分离(可能是由于所述硅在锂化/去锂化时，随着它部分地扩张及收缩所施加的压力)，及被累积在所述SEI中。

此结果显示，所述氧化铝层可能对较一般更大的一扩散屏障有贡献。

Kim等人[Chem Mater,27:6929-6933，2015年]报告道，在经历锂化及去锂化的数个硅纳米线上的数个更厚的TiO₂披覆层(较大的披覆层厚度对核心直径比例，t/D)比起较薄的披覆层导致较少的径向扩张，但由于TiO_2-的多晶性，与所述数个硅纳米线的颗粒对颗粒键结是较弱的，增加了开裂的可能性。

在本文中所描述的所述氧化铝壳(考虑80纳米的一平均核心直径及5纳米壳厚度)具有约0.06的一t/D值，所述t/D值被预期在径向扩张上少有效果。然而，由于在本文中所描述的所述数个硅结构及所述氧化铝层的所述无定形天性，在所述两种材料之间的颗粒对颗粒键结是被预期较在Kim等人[Chem Mater,27:6929-6933，2015年]的所述数个纳米线中更强，及所述氧化铝的所述无定形天性被预期允许所述壳的更大的弹性[Chou等人，ScrMetall Mater,25:2203-2208，1991年]，因此使它较不易于开裂。

表5：通过电化学循环的具有各种硅密度的数个3D硅网络的特征描述(数个网络在所指示的数量的循环后不必然是无功能的)

如在表5中所展示的，虽然达到500循环的唯一一个电池是包含氧化铝披覆层的一个，氧化铝披覆层的存在或不存在对所述测得的数个电化学参数没有清楚的效果。

此外，图15B(经由透射电子显微术)展示在700循环后，一些硅纳米结构仍被完全密封在一氧化铝壳中，显示一硅纳米结构电极可以在所有所述硅被耗用之前到达它生命的尾声。

如在图15A中所展示的，在700循环后数个硅纳米结构开始自数个不锈钢纤维分离。

经循环后的数个硅纳米结构阳极的所述表面在被以水或DMC(碳酸二甲酯)清洗后，经受通过能量弥散X射线谱学的一元素分析，且所述结果被呈现在下方的表6中。

表6：在电化学循环后及以DMC或水清洗后的数个硅纳米结构的表面的元素分析

如在表6中所表示的，相对于以DMC清洗(所述清洗不被预期基本上地移除SEI)，以水清洗自所述表面移除碳、氧及磷，及导致被观察到的硅的一增加。

此结果显示含有磷、氧及有机材料的一SEI在数个硅纳米结构的电化学循环时被形成。

合而观之，上述的数个结果显示所述阳极的所述主要劣化机制是所述SEI的增厚(直到它变得对锂离子不可穿透)，所述增厚在主要是在所述表面及在所述数个不锈钢纤维之间，之后到达更深部的数个硅结构，直到所述电池完全失效。这样的一机制在图16中被示意地描绘。

如在表5中所进一步展示的，(具有如本文中所描述地制备的数个含硅阳极的)所述数个受测电池，在数百个循环间始终一般地展现高电容量以及低不可逆电容量。

这些结果显示如本文中所描述的含有数个硅纳米结构的数个阳极可以在数百个循环间始终展现非常低的电容量损失，而依然保持较目前可得的石墨阳极更高的电容量。

包含数个高度掺杂(1:4000硼:硅)P型硅结构的数个电池被与包含本征硅的数个电池相比，以便获得关于衰减的所述机制的进一步的洞见。(根据本文中所描述的过程)在不锈钢上被制备的，有或没有一随后的(在650度的)退火处理的数个P型硅结构的所述孔隙率，也被与使用数个黄金纳米粒子作为一催化剂生长的数个P型硅纳米线的所述孔隙率相比较。

如在示例1中(及特别是在图8B中)所展示的，铁在P型硅中以相对高的量(约0.2％)扩散，这显然减少了锂在所述硅中的扩散率，因此减少了所述电容量。虽然所述额外的铁可能减少电池的所述电容量，所述P型硅的所述直接导电性由于在所述硅结构中的所述铁的所述离子态而增加。

如在17A及17B中所展示的，在不锈钢上的所述数个P型硅纳米结构在无退火时展现极少的导电性；然而在退火后，导电性甚至比使用数个黄金纳米粒子生长的数个P型硅纳米线的导电性更高。

如在图17D中所展示的，退火导致数个硅结构成为多晶质的。

图17C展示在数个源极及数汲极之间的一示例性硅纳米结构。

这些结果显示在退火之前，所述硅的一无定形天性及一连续性的结晶核心的缺少导致导电性的缺少，而退火通过导入结晶性而增进导电性。

退火所述硅，无论是P型硅或本征硅，可能促进所述铜及铁向外扩散到所述硅的所述表面，因而减少所述硅用于电池组装置的一适合性。此问题可能透过迅速加热而被克服。

如在图18中所展示的，根据本发明的示例性实施例，在一不锈钢网络上的所述数个生长的3D纳米孔洞硅可以容易地被扩大至数个大样本(例如，在图18中为一公尺长)，所述数个大样本具有披覆在遍及各处的硅中，用于阳极制造的不锈钢。由于被使用的所述不锈钢的所述多孔天性，所述密度保持不受将数个样本轧制及/或放置在彼此上所影响—因此可以达到不限尺寸的硅披覆不锈钢阳极。

示例4

硅纳米结构生长及退火

根据在示例1中所描述的过程，数个硅纳米结构在经氢氟酸处理的不锈钢上被制造。

在10至60分钟之间的数个氢氟酸处理时间被测试，而数个良好结果在5至15％的数个氢氟酸浓度蚀刻20至30分钟被获得。

掺硼硅在一CVD反应器中，使用SiH₄气体作为前驱物(流速5sccm)，B₂H₆(流速6.25sccm)及以Ar气体载体稀释(流速10sccm)，在460度及25托下持续30至90分钟的一期间，经由VSS机制而被实现，从而控制所述硅纳米孔洞共形层的所述厚度及作为成品的数个所述阳极的所述硅负载。

硅纳米结构生长后，接着是在650至850度之间的数个温度下，在氢气的气氛的存在下或在真空环境中，持续2至8分钟的一时段的一高温度退火步骤。

图20A至20E及图23展示304不锈钢的一30分钟氢氟酸处理的所述蚀刻效果(相较于，举例而言，在图19中的未经处理不锈钢)。

图21及22展示作为304不锈钢的氢氟酸处理的一结果，蚀刻随时间的进程。

如在图25A至25F中所示的，数个硅纳米结构展现一结晶核心及一无定形硅壳。

图26A至26E展示示例P型硅在一不锈钢网状物上的所述生长。

如在图27中所展示的，通过热处理的退火导致数个硅纳米结构焊接在一起。

(经氢氟酸处理的)数个不锈钢样本可以可选地被便利地卷起来，以促进所述CVD处理，如在图28A至28D中所描绘的。

如在图29A及29B中所展示的，所述数个硅纳米结构有效地生长在一卷起的样本上。纳米结构生长在所述样本的数个不同部分中是相似的，除了所述最下游部分(硅浓度最低之处)外：在所述最下游部分，硅密度比在其它数个部分中稍低。

示例5

硅不锈钢核壳纳米孔洞海绵状网络

作为氢氟酸处理的一替代，数个不锈钢原生基板首先经热处理并在一含氢的气氛(在常压下的氮载体中的1至5％氢)中，在950至1100度之间的数个温度下经退火，持续自0.5至5小时的数个时段。此退火前处理步骤导致数个共形海绵状纳米孔洞不锈钢结构在所述数个平面原生基板上的所述形成，而除了所述H₂/N₂气体的所述气流，不需要提供至所述CVD生长腔室的任何化学反应物。

作为结果的，用于金属基底海绵状网络的所述形成的“无反应物”方法是由所述温度及在给定的数个条件下的数个退火时间所控制。

作为结果的数个海绵状金属基底网络是在上文所提及的数个温度及气体组成及压力的范围内被获得。在此数个条件的范围外没有观察到海绵状结构的形成。

如在图30A至30F中所展示的，所述“无反应物”生长方法导致与数个不锈钢导体表面相联系的数个金属基底海绵状纳米孔洞网络的所述形成。

如在图31B中所展示的，所述数个网络以(如通过EDX(能量色散X射线)所测定的)金属(比如铬及铜)及氧原子的存在为特征。

如在图31A及31D中所展示，所述数个网络含有数个金属基底结构，所述数个金属基底结构具有在约50至100纳米的一范围内的典型直径。

收获自所述数个海绵状层的数个单一金属基底纳米线的电性测量被执行，展现了相对高的数个导电性值。

在所述第一高温退火步骤时，与所述原始不锈钢基板相联系及机械性上高度稳定的一3D海绵状金属基底导电网络被获得。此3D导电海绵状层包含一显著增加的活性表面，因而作为用于数个薄厚度控制硅活性壳层的进一步沉积的一绝佳的候选物。

所述数个金属基底海绵状表面被用作进一步的一无定形硅共形层的热裂解沉积的基底。在所述第一退火步骤及所述金属基底海绵状网络结构层的所述形成后，无定形硅的一薄厚度控制层被共形地沉积在所述数个金属基底海绵状网络表面上，导致一介观大规模硅共形壳层披覆所述整个金属基底网络表面。

如一一般的过程，所述硅共形层是在视所欲的硅的负载程度(例如，基于最终电池应用)，而设置在380至550度的一范围内的数个温度下的所述CVD中，在30至180分钟的数个时段，在原位被创造。在1至25托的一范围内的数个压力下，在一氩或氢载体气氛中的硅烷气体前驱物分别以约5或约12sccm的一速率被流入。

此一般的过程导致数个一维导电金属基底核心的形成在所述第一高温退火步骤时被达成，被一负载控制硅层所共形地披覆的所述数个核心，适宜(例如，在一锂离子电池组阳极中)作为锂化/去锂化装置的活性材料。

在0.1至15毫克/平方公分的所述范围内的数个硅负载对具有6至200纳米的一范围内的一厚度的数个硅层是可获得的。

作为结果的金属硅海绵状核壳结构展现经控制负载的数个共形硅披覆层，高机械稳定性，经一硅壳层的短锂离子扩散长度，对锂化反应的高金属核心化学稳定度，数个金属基底核心网络的高导电性以及当作为电池组阳极元件表现时的高机械稳定度。

如在图32A至32F中所展示的，如使用高解析度透射电子显微术所测定的，一无定形硅壳被沉积在所述数个(结晶化)金属基底纳米结构上(作为对比，所述放大倍率与在图31A、31C及31D中的放大倍率相似)。

所述硅层的所述厚度典型地是在约10至20纳米的一范围内。

示例6

3D硅纳米结构在相对于锂金属阳极的半电池中的电化学特征描述

数个电极材料的一电化学研究通过阻抗频谱学的分析及数个电化学电池的循环而被执行。材料研究的第一阶段是所述被研究的电极对一锂金属计数参考电极的特征描述。这一组测试使所述数个电极材料参数的调查能够没有与一阴极的限制相关的复杂性而被进行。在此研究中，所述半电池是由包含在(根据在示例1中所描述的过程制备的)不锈钢网状物上的SiNS(硅纳米结构)的一电极相对于锂金属电极所组成。所述上文中描述的半电池配置使一硅纳米结构阳极的所述合金化-去合金化过程的评估可以被进行。

下列的数个参数被研究：

1.电容量─可逆、不可逆及微分分析(dq/dv)

2.阻抗—在1MHz至0.01mHz的EIS(电化学阻抗频谱)

3.在C/40至5C范围内的比率放电能力

4.在约1C速率循环的循环寿命

接下来的程序是被用来评估一电池是否可被接受为所述研究的一部分。一不可接受的电池通常是在SiNS阳极制备或在电池组装时受损的电池。

(a)EIS：测量通常每100循环(在充电及放电100后)，以一扫描器(例如，Solartron^TM或Bio-Logic^TM扫描器)，在1MHz至0.01mHz的一频率范围内及20Mv的振幅被执行。频谱分析被用于决定Rb、R_SEI、扩散、Rt。用于分析的所述兰德雷思电路模型被描绘在图33中。

(b)用于研究数个半电池的电化学循环过程被总结在表7至9中。

表7：用于初始电容量测量的循环过程

表8：用于决定半电池循环寿命的循环过程

表9：用于决定半电池的比率放电能力的循环过程

掺杂的效果：

数个阳极(根据在示例1中所描述的过程)通过生长(相对于本征硅的)P型硅而被制备，接着如在上文中所描述地被鉴定。所述数个阳极接着在相对于锂金属CE-RE电极的数个半电池中被测试。所述结果被呈现在图34A至35中。

如在图35中所展示的，掺磷硅的整体表现较本征硅的整体表现差。

鉴于这些结果，将来的研究使用本征硅阳极作为一基准点。

根据文献，掺杂被预期能增加稳定性，相反于上述的结果。不受任何特定理论的约束，据信在P型硅中的硼离子可能在锂化及去锂化时自所述数个结构的所述块体迁移至所述表面，形成抑制锂扩散的一玻璃状氧化物。

硅负载的效果：

具有数个不同程度的硅负载的数个硅纳米结构阳极使用在上文中描述的过程被鉴定。在相对于锂金属CE-RE电极(相对电极参考电极)的数个半电池中的，包含有在不锈钢网状物上的数个本征硅纳米结构的数个阳极的所述循环寿命(被界定为在所述电池达到它的初始电容量的70％之前的循环数)被测定。

如在图36及37中所展示的，当硅负载是0.9毫克/平方公分时，在于1.28毫安培/平方公分循环时，数个代表性样本的所述循环寿命长于100循环(图36)，但在1.8毫克/平方公分的一较高硅负载时显著地较短(图37)。

这些结果显示相对高的硅负载及相对高的电流密度的一组合促进劣化，可能是由于在循环时被促进的SEI生长。

在一额外的实验中，具有2毫克/平方公分的一硅负载的数个电极的所述循环寿命在相对于锂金属的一个半电池中被测试。

如在图38中所展示的，(具有2毫克/平方公分的硅负载的)所述数个受测电池的所述循环寿命显著地短于具有较低硅负载的数个半电池的所述循环寿命(例如，如在图36中所展示)。

然而，如在图49中所展示的，如在图38中所展示的来自所述相同系列的数个阳极在对NCA(锂镍钴铝氧化物)阴极的数个全电池中，展现超过400循环的一持久的循环寿命。

这些结果显示较高的硅负载与增加的循环不稳定性相关，所述循环不稳定性主要在半电池中展现。包含具有一相对高的硅负载的数个电极的数个半电池(例如，如在图37，以及在图41及43中所展示的)，展现较包含具有一较低的硅质量负载的数个电极的数个半电池(例如，如在图36中，以及在图40中所展示的)更短的循环寿命。

在数个半电池中，所述锂金属电极是过量的，而使所述硅阳极是被完全锂化及去锂化的。完全锂化，由于在充电及放电状态之间急遽的电压变化(与所述硅阳极的粉碎相关联)，可能是造成一短循环寿命的原因。

此外，典型地在数个半电池的事后分析(post mortem analysis)中，一黑色沉淀在所述锂金属表面上被发现，显示枝状晶体(dendrites)在所述锂上形成。一枝状锂阳极可能促进所述数个电池的快速劣化。然而，既然主要的最终目标是将一SiNS阳极整合入锂离子全电池中，此现象并不干扰开发。

集电器的效果：

为了为在不锈钢网状物上的所述SiNS创造一集电器，所述电极的所述背面，(除了当测试用于创造集电器的替代方法及材料时)根据下述过程被大致地披覆以碳糊：

所述集电器层通过在真空干燥前，在所述数个阳极的所述背面上涂布导电碳浆层(含有沙威尼根碳黑(Shawinigan Black)，黏合剂和甲苯)来制备。为了研究所述集电器的影响，所述数个阳极被无导电剂披覆层地及具有(来自PVP水溶液的)SWCNT披覆层地被测试。不具有碳披覆层的数个阳极的表现接着被评估。

如在图39中所展示的，所述被测试的数个未披覆阳极表现不佳，尤其是在1毫安培。

如在图40及41中所展示的，(仅在集电器的一侧被披覆的)数个碳披覆的SiNS电极，在相对于锂金属的数个半电池中，相对于相对应的未披覆SiNS电极展现出优越的表现。

此结果显示所述碳墨的确在电流传导性上扮演一重要角色，尤其是在所述SEI在所述阳极的所述背面建构及形成额外绝缘后。显然地，没有碳墨的电池在1毫安培提供高电容量的机会是较少的。

进一步的测试被执行，以评估一SWCNT(单壁碳纳米管)披覆层作为一集电器的表现。

图42展示四个(复制的)SWCNT披覆SiNS电极(1.15毫克硅/平方公分)在相对于锂金属的半电池中的循环。

图43展示SWCNT披覆SiNS电极(2.2毫克硅/平方公分)在相对于锂金属的半电池中的循环。

这些结果显示SWCNT披覆层是适合作为集电器的及可以取代碳披覆层。以SWCNT取代碳披覆层一般地是有利的，因为后者是具有对所述不锈钢网状物的改善的吸附力的一商用溶液；反之，所述碳披覆层对所述网状物的差劲的吸附力可能导致短路。

图40至43的所述结果也显示，如上文中所讨论的，相对高的硅负载与减低的循环稳定性相关联。

(获得自OCSiAl的)来自一N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)基底的一分散物的一SWCNT涂料的应用，接着在具有1毫克/平方公分硅负载的数个样本中被测试。

如在图44中所展示的，数个电极(约1毫克/平方公分硅负载)被使用一NMP基底分散物披覆的数个半电池，相对于(例如，如在图42中所展示的)类似的SWCNT披覆电极展现出增进的稳定性。数个受测样本中的一个(#3)在超过200循环后仍未达到循环寿命的尾声。

这些结果显示，应用使用一NMP基底分散物的一集电器，造成集电器的接触更紧密，导致所述阳极的所述稳定性的可观增进。

示例7

数个硅阳极的固态电解质界面(SEI)的形成及生长机制

图45A及45B呈现通过阻抗频谱学测定的，含有数个示例性本征硅纳米结构的一个半电池相对于锂金属的充电(图45A)及放电(图45B)的奈奎斯特图。

如在图45A中所展示的，在充电时的所述电阻随着电压增加而成长。

所述第一电路被归因于在所述SiNS阳极上的固态电解质界面(SEI)，这些结果显示所述SEI的所述厚度随着电压增加而成长。这样的一个现象与所述SEI在所述SiNS阳极上的，比如在Peled等人[Nano Lett,15:3907-3916，2015年]及Peled&Menkin[J ElectrochemSoc,164:A1703-A1719，2017年]中所描述的一瓦解及修复机制相一致。

如在图45A中所展示的，在放电时的所述阻抗随着电位的减少而减少。

在放电(所述SiNS电极与锂的合金化)时，所述锂被插入至所述硅电极，在所述SEI的所述第二多孔层中造成体积膨胀及开裂。所述较薄的初级SEI的暴露随着电位的减少而减少所述阻抗。在充电(所述硅电极与锂的去合金化)时，所述合金体积减少而相反的现象发生。

不被任何特定的理论所限制，据信电容量劣化主要源自于所述SEI的所述增厚及相伴随的阻抗增加。所述持续的SEI成长是起因于所述电解质盐及溶剂的减少导致固体的沉淀，及所述电池的干涸。进一步地，据信在锂上(或在其它基质上)一新形成的SEI的所述厚度是仅数纳米(在电子的所述穿隧范围内)，但在开放电路电压条件下，所述SEI的所述厚度及所述阻抗随时间增长，及此现象在循环时更为加重。电子自所述锂，或自所述锂化的阳极，扩散及迁徙经过所述SEI至所述电解质。所述电子还原所述溶剂及所述电解质，导致不可溶产物，包括碳酸锂、氧化锂、氟化锂及数种聚合物的形成。这些副产品沉淀在所述阳极上，显著地增加SEI的所述紧密层的厚度，或形成一多孔的第二层。

此外，通过(如文中所描述的)阻抗频谱学及光谱分析，测得了所述SEI阻抗(R_SEI)在锂化时减少，特别是在0.25伏特(对Li)附近发生的，硅至α-Li₂Si的所述第一相转变时。

此结果可能通过一新鲜的，及因此低电阻的SEI，由于所述SiNSs的所述膨胀而形成及通过所述SiNSs的所述表面积的增加而被解释。

这些结果显示，一不够稳定的SEI层是所述观察到的电容量损失的一主要贡献者。

示例8

在相对于商用锂离子阴极的全电池组电池中的3D硅纳米结构的电化学特征描述

数个完整的锂离子电池组电池被组装。所述数个电池由一商用NCA(锂镍钴铝氧化物)阴极(塔迪兰)及一SiNS阳极(根据在示例1中所描述的过程制备，在不锈钢网状物上的数个硅纳米结构，0.78平方公分面积及0.94毫克硅)。所述电解质是0.95M LiPF₆+在EMC:DMC:FEC:PC(碳酸甲乙酯:碳酸二甲酯:碳酸氟代乙酯:碳酸丙烯酯)[3:3:3:1]中的0.05MLIBOB(二草酸硼酸锂)(获得自3M)。所述数个电池在0.128毫安培及1.28毫安培，在4伏特及2.8伏特之间被循环。

如在图46A及46B中所展示的，所述受测电池展现差劲的表现，具有少于10循环的一循环寿命及非常低的效率。

上文中提及的所述数个电池是不平衡的，意指有由次优的硅负载所致的一阴极过量。在数个全电池中的阴极过量的动机是为了装载所述电池以足够的，源自所述阴极的锂，以在SEI形成后达成一平衡的电池。

然而，上述的结果显示阴极过量可能减短所述数个全电池的所述循环寿命。

不受任何特定理论的限制，据信下述的劣化机制在具有过量阴极材料及硅阳极的数个全电池中发生：所述硅阳极的所述电容量在循环时减少，造成在所述阳极上的所述最小电压增加及作为一结果，及造成在所述阴极上的所述最大电压的增加。增加在所述阴极上的所述最大电压超过所述稳定范围导致所述阴极材料的快速劣化，及作为一结果，缩短了所述全电池的所述循环寿命。

此外，执行了对所述阴极的一研究。NCA对锂金属的数个半电池在0.06毫安培/平方公分及0.6毫安培/平方公分的电流密度下，在4.4及3.5伏特之间及在4.2及3.5伏特之间被循环。

如在图47中所展示的，所述数个受测NCA半电池的所述不可逆电容量在4.4及3.5伏特的所述范围内较在4.2及3.5伏特的所述范围内高。

这些结果显示，当循环至较高的电压时，更多锂从所述阴极被抽取，导致更高的电容量。

如在图48中所展示的，数个示例性的NCA阴极使用不同受测电解质表现得同样良好。

因此，在4及3伏特之间循环具有一阳极过量的数个NCA-SiNS全电池被测试。

数个全电池使用SiNS阳极(2毫克硅/平方公分)及NCA阴极被建构。所述碳集电器是SWCNT碳墨；及所述电解质是在具有2％VC(碳酸亚乙烯酯)及15％FEC(氟代碳酸乙烯酯)的EC:DEC(碳酸乙二酯/碳酸二乙酯)中的0.85M LiPF₆。所述数个电池在0.88毫安培/平方公分，在4及3伏特之间被循环500循环，每100循环在0.088毫安培/平方公分循环4个循环。

如在图49中所展示的，在400循环，所述数个电池已失去所述初始电容量(在0.1毫安培电流密度被决定)的约44％，一相对低的电容量减少速率，及所述4个电池的数个系列展现出高再现性。

类似地，如在图50中所展示的，具有SiNS阳极(0.88毫克/平方公分)对

LFP(磷酸锂铁)阴极的一示例性电池展现具32％电容量损失的，超过400循环的一循环寿命。

所述LFP基底电池的所述增加的稳定性是归因于所述LFP阴极的所述增加了的稳定性。

为了研究在一全电池中的所述数个电极之间的所述电压分布，一个3电极电池被组装。所述电池是在一EL CELL REF装置中被组装及由作为工作电极(WE)的一NCA阴极、做为相对电极(CE)的一SiNS阳极，及一锂金属参考电极(RE)所组成。所述电压是在充电(锂与硅合金化/嵌入)时被记录。

在此实验中被观察到的是，当所述阴极过量时，所述硅阳极被锂化超过它的可用容量，且在锂化完成后，在所述硅阳极上有锂金属的一沉淀。

在充电的尾声，降低至约-0.01伏特的一电压在所述阳极(CE)上被观察到，在该时刻，在所述阴极上有约4伏特及在所述阳极上有约-0.01伏特。

如在上文中所示例的，所述阴极直到至少4.4伏特为止是稳定的。不受任何特定理论的限制，据信在所述硅基底阳极上的所述电压不应低于约50毫伏特。

此结果显示在所述硅阳极上的低电压可能造成所述数个全电池相较于所述数个SiNS锂金属半电池的快速劣化。

上述的结果表明，电池劣化由在两个电极上的所述电压升高所构成，及为了准确地测试在数个全电池中的所述数个SiNS阳极的所述实际循环寿命，有必要或者通过使用较高的硅负载，或通过使用具有较低电容量的数个阴极(例如，通过使用较薄的数个电极)建造数个平衡的电池。

在一2电极配置中的一完整NCA-SiNS电池被组装，及在0.128毫安培/平方公分(经每单位SiNS电极面积标准化)，在4及3伏特之间被循环。所述电池通过所述可接受标准及接着被循环以确立循环寿命。然而，既然到目前为止，被沉积的最高硅负载是2.2毫克/平方公分(约2毫安培小时/平方公分)及被使用的所述数个商用阴极具有2.6毫安培小时/平方公分的一电容量，这样的数个全电池依然具有阴极过量。

不受任何特定理论所限制，据信在阴极过量的所述案例中，先前被描述的所述失效机制发生：来自所述阴极的所述过量锂沉积在所述阳极上，及锂金属粒子及枝状晶体被形成，由于在新暴露的锂表面上的SEI生长而造成额外的不可逆电容量。一旦所述阳极的所述电容量被减少，当充电时在所述阳极上的所述最小电压上升，及作为结果，当充电时在所述阴极上的所述最大电压上升。结果，所述阴极过量造成所述电池的劣化及缩短所述循环寿命。

示例9

经由氧化铝沉积的硅纳米结构修饰的效果

数个本征硅纳米结构阳极被披覆以氧化铝ALD披覆层(35循环＝约5纳米厚度)及如在上文中的示例2中所描述地被鉴定。在相对于一锂金属CE-RE电极的数个半电池中的，在(披覆氧化铝的)不锈钢网状物上的所述数个硅基底阳极的所述循环寿命(被界定为在所述电池达到它的初始电容量的70％之前的循环数)被测定。具有数个不同硅负载的数个硅基底阳极被比较。

如在图51中所展示的，具有1.2毫克/平方公分的硅负载的一示例性电池在0.128毫安培/平方公分下，约500循环后，失去了它的电容量的30％；而在1.28毫安培/平方公分的一更高电流密度下，所述电池电容量在约200循环减至它的初始电容量的70％。

相对之下，如在图52中所展示的，具有2.2毫克/平方公分的硅负载的一示例性电池在0.128毫安培/平方公分下，约200循环后，失去了它的电容量的少于30％；而在1.28毫安培/平方公分的一更高电流密度下，所述电池电容量在约40循环减至它的初始电容量的70％。

上述的结果显示相对高的电流密度及相对高的硅负载两者皆与减少的循环稳定度相关联。

如上文中所述的，数个SiNS阳极(2.4毫克/平方公分)通过原子层沉积被披覆以氧化铝，及碳披覆层是通过使用SWCNTs实现。所述氧化铝披覆层厚度是5纳米(35披覆循环)或10纳米(70披覆循环)。

如在图55中所展示的，披覆以一10纳米氧化铝披覆层的一硅阳极较披覆以5纳米氧化铝披覆层的一硅阳极展现较好的稳定度。

这些结果显示，所述被沉积的氧化铝披覆层增进阳极表现，特别是在稳定性及循环寿命方面。

如在图56A及56B中所展示的，一被沉积的氧化铝披覆层，在电化学全电池中，相对于数个未披覆阳极减少了数个硅阳极的所述电容量，所述减少程度相关于披覆厚度，而在所述数个经披覆及未披覆阳极之间在稳定性上没有明显差异。

不受任何特定理论的限制，据信因为所述阳极容量几乎是所述数个受测电池的两倍，所述数个电池是被所述阴极所限制，而使所述硅可能未充分锂化以允许一限制保护层增进表现。进一步地，据信在这些样本中的不同电解质的使用并不对所述变异负责，因在过去它们被已证明是十分相似的。

示例10

热处理在硅纳米结构阳极表现上的效果

热处理被实现，以改善电极弹性及释放内部压力。所述数个热处理过程被呈现在下方的表10中。

表10：示例性的热处理过程

如在图57A及57B中所展示的，经退火的数个电极展现线状的形态(图57B)，而未经退火的数个电极展现更加粒子状的形态(图57A)。值得注意的是，图57A及57B呈现展现大形态变异的区域，不必然是代表性的。

然而，形态上的变异并非缘于所述退火处理，而是在退火之前就存在，由于所述数个电极被切割自(如上文中所描述的制备的)所述原始样本的数个不同区域。

各种经退火(实心点)及未经退火(空心点)阳极在循环时的所述电容量被呈现在图58中。

如在图58及59中所展示的，虽则所述数个受测的未经退火阳极典型地在循环4(当所述电流密度增加至约1C)至循环20(在此之后一般仅有中度劣化)之间展现一相对急遽的劣化，这样的劣化并未在所述数个受测的经退火阳极中被观察到。

此外，如在图59中所展示的，具有线状形态的所述经退火阳极展现一电容量损失，所述电容量损失较所述未经退火阳极的电容量损失少一个数量级(每循环0.0094％对0.26％)，虽然所述改善可能也与所述形态上的不同相关联。

这些结果显示所述退火过程以一种可能大幅延长循环寿命的方式改变所述劣化机制，虽然所述改变可能也与所述形态上的不同相关联。

进一步的实验可以通过分别地测试每个参数，确定是退火，还是所述形态，是在延长循环寿命中的主导因素。

示例11

聚合电解质湿披覆层在硅纳米结构阳极表现上的效果

为了增进数个硅纳米结构阳极的循环寿命，研究了通过聚合电解质湿披覆层的修饰。所述湿披覆层的目标是要形成一共形的聚合电解质层，所述共形的聚合电解质层将作为人工SEI。是溶于水的单离子导体(锂或钠)的LiPAA(聚丙烯酸的锂盐)、NaCMC(羧甲基纤维素钠)及海藻酸钠被选为聚合电解质。由于数个硅纳米结构的假定的亲水特性，水被选为溶剂。所述披覆通过经由所述电极转移1％聚合电解质而被实现。一“过滤”过程通过将所述数个电极放置在一布赫纳漏斗(Buchner funnel)中及通过以真空将所述数个聚合物汲引入数个孔中而被实现。

如在图60中所展示的，LiPAA、NaCMC或藻酸盐披覆层在阳极循环或电容量上没有展现明显效应。

阳极电容量虽未受影响，这样的数个披覆层可能对稳定在特定数个实施例中的所述数个阳极有用。

在水溶液中的更高浓度的数个聚合物电解质，及被溶解在有机溶剂中的其他数种聚合物(例如PVP)，及被测试作为湿式修饰的溶液。

示例12

二硅烷作为前驱物气体用于制备硅纳米结构

数个硅纳米结构在一钢铁网状物上被制备，根据比如在示例1中被描述的过程，除了硅烷(SiH₄)前驱物气体被以二硅烷(Si₂H₆)取代。二硅烷比起硅烷更重且更具反应性，导致制备所述数个阳极的所述必需温度及生长时间的一减少，及也给予了在所述不锈钢表面上的所述气体的所述催化反应，高于所述热裂解反应的偏好。这提升了所述整个生长过程的效率。

如在图61A至63B中所展示的，以二硅烷生长的所述SiNSs的所述形态视乎于所述数个生长条件。

这些结果显示使用二硅烷获得的形态(例如，较薄、较长及更一致的数个线)及硅负载可以基于，举例而言，在380至460度、压力1至25托，及低至1sccm二硅烷气流的一范围内的数个生长条件(例如，气体流速及/或温度)而被控制。

示例13

阴极类型在硅纳米结构阳极上的效果

为了进一步评估所述劣化机制及为了比较在具有不同类型的阴极的数个电池中的劣化，数个3电极电池在一硬币型电池中被组装，所述硬币型电池包含一硅纳米结构(SiNS)阳极及一NCA阴极或一LFP阴极。此新的硬币型电池组装是以一薄铜片被放置在2分隔膜之间，一端被披覆以金属锂做为参考及所述另一端自所述电池的所述顶端下方突出及由一上分隔膜绝缘而达成。

如在图64中所展示，如使用一个3电极电池对电池电容量所测定的，电池劣化是与在所述含硅阳极上的最小电压的一上升及所述阴极(NCA)的所述最大电压的一上升相关联的。

此结果显示在所述硅阳极上的所述最小电压的所述上升是由于所述硅阳极的劣化及电容量减少所造成，所述硅阳极的劣化及电容量减少是由于先前讨论过的数个劣化机制，及所述阴极的所述最大电压以与所述最小阳极电压相同的方式升高，导致所述阴极的进一步劣化及增加的电池劣化。

如在图65及66中所展示的，具有SiNS阳极及LFP阴极的一全电池比起具有SiNS阳极及NCA阴极的一全电池劣化得更迅速，虽然一LFP阴极通常被视为更稳定的阴极。

为了了解不同阴极的所述不同劣化速率的原因，检验了所述数个电极相对于所述对照组的所述数个电压。特别地，当所述电池在充电或放电时到达它的所述截止电压时的，所述阳极的所述数个端电压被相对于循环数而作图。

如在图67中所展示的，在具有LFP或NCA阴极的数个电池中，在所述阳极上的所述数个端电压在循环时稳定上升，一如它们在所述数个阴极上所为；但被与NCA配对的所述阳极展现了约0.45伏特的一电压窗口，被与LFP配对的所述阳极则展现了一0.55伏特窗口。此外，被与NCA配对的所述阳极在平均低于被与LFP配对的所述阳极的窗口约0.1伏特的一窗口运行。

这些结果显示被与NCA配对的所述数个硅纳米结构是被去锂化至一较少的程度，及因此较少开裂作为硅收缩的一结果而发生。

鉴于这些结果，以及所述NCA的较高的能量密度，数个NCA阴极被选择用于额外的研究中。

示例14

包含数个硅纳米结构阳极的1/3AAA全电池的扩大生产

全电池(圆柱形1/3AAA电池)的数个工业原型被制备及经受500循环。数个示例性电池被描绘在图68中。

如在图69中所展示的，虽然受测的所述三个电池中的一个自一开始便表现差劲，其他两个电池中的每个被循环了600循环，并在C/20速率循环500循环后展现少于50％的电容量损失，具有约3毫安培小时每平方公分及1200毫安培小时每公克硅的初始电容量。

在循环时的(经计算的及经测试的)所述电池表现被总结在下文的表11中，及被与一相对应的电池比较，所述相对应的电池仅相异在一商用石墨阳极的存在。

表11：具有SiNS阳极或商用石墨阳极的1/3AAA电池的表现参数

如在表11中所展示的，所述电池的所述经计算能量密度比具有一石墨阳极的(相同尺寸的)所述经计算的商用电池高出约30％。

虽然所述经由实验测定的能量密度由于稳定性问题(30％不可逆电容量)而降低了6％，据信这可通过最佳化而被克服。

在全电池中，3000毫安培小时每公克硅的所述硅电容量并未被达成，因为所述电压窗口及所述电池电容量被所述阴极限制。

(为了获得所述硅的更深的锂化)在更高电压循环所述阴极，将导致所述电池更快劣化。

所述阴极电容量是通过它的最大厚度而被决定，所述最大厚度受扩散限制。

组装了接着被用于组装十一个1/3AAA电池的一第二批次的数个阳极，其中九个在与所述第一批次相同的数个测试条件下被测试(C/20及C/60)，及两个在2.9至4伏特的一电压范围内，于C/3被循环。

如在图70及71中所展示的，所述数个电池(第二批)在C/6及C/20的所述稳定度次于所述第一批的所述数个电池的稳定度，虽然所述数个电池的所述初始电容量较高：约4毫安培/平方公分及1800毫安培小时/每公克硅。

所述数个实验使用一C/3速率作为一基本比率放电能力测试，并提供了令人振奋的结果。

如在图71中所展示的，在将所述电流密度自C/6加倍至C/3，及加宽所述电压范围0.1伏特时，所述数个电池依然展示出与在C/6(图70)观察到的相同的劣化速率。

这些结果显示在所述第二批次中的所述较高的劣化速率可能出于所述数个电池的不准确的平衡或所述数个阳极在组装时遭受的机械性损伤，所述机械性损伤减少有效活性硅的所述量。

示例15

以碳披覆层修饰硅纳米结构阳极

数个硅纳米结构的碳披覆层的效果被进一步研究。数个硅纳米结构的披覆因此在所述阳极具有一集电器的所述(相反)侧的所述披覆层之外，也在所述阳极面对所述阴极的所述侧被实现。这样的披覆因此在本文中被称作“双”披覆。

单壁碳纳米管由于它的较高导电性及较低重量百分率而被选择。活性材料负载是2.4毫克硅/平方公分，在标准条件下被测试。

如在图72中所展示的，双披覆以单壁碳纳米管并未显著影响所述数个阳极的所述循环稳定性；而双披覆以单壁碳纳米管接着在一氩气-氢气的气氛中，于750度热裂解1小时导致相对于所述未披覆对照组的增进的稳定性。

如在图73A及73B中所展示的，所述数个硅纳米结构被披覆以数个SWCNT的一网络，显示数个SWCNT在所述数个硅纳米结构周围形成一导电网络。

此外，如在图73B中所展示的，所述数个硅纳米结构在热裂解时展现结构稳定性。

不受任何特定理论所限制，据假设，所述热裂解在所述硅或硅氧化物及所述数个SWCNT之间形成较强的化学键。

合而观之，上述的结果显示，数个碳纳米管的并入导致所述碳的渗滤及增加所述阳极的导电性。所述导电性增加的被预期的结果是，所述阳极的能量容量的增进及在循环时的所述劣化率的减少。劣化的减少可能是由于所述硅被所述碳纳米管网络接枝，因而减少与体积变化相关的损伤；及/或是由于所述容量保存率的一增加，所述容量保存率的增加是通过减少所述数个硅纳米结构之间(例如，在所述数个纳米结构及所述网状物之间)的导电性的损失。

既然所述碳纳米管披覆的一目标是为了披覆数个商用尺寸的电极，数个样本被沉浸在于数个不同溶剂中的，处于数个不同浓度的数种稀释纳米管悬浮液中。鉴于悬浮液散布所述碳纳米管及浸湿所述硅的能力的重要性，水及水/乙醇(1:1)皆作为溶剂被测试。在两个案例中，具有0.2％SWCNT的商用TUBALL悬浮液以水或水/乙醇被稀释6倍。

如在图74中所展示的，水/乙醇悬浮液在具有一常规的1面披覆的数个半电池中导致较好的循环表现，而被披覆以水悬浮液的所述数个样本在不多于50个循环后崩溃。

如在其中所进一步展示的，所述碳纳米管披覆层的所述优势在于0.1毫安培循环至第101至103循环后减弱，显示在低电流密度的所述SEI沉淀并不被所述碳纳米管披覆层所缓和。

不被任何特定理论所限制，据信在低电流密度下形成的所述SEI将所述硅自所述数个碳纳米管分离，因而抵销了所述数个碳纳米管的所述效果。

数个全电池也使用被披覆以碳纳米管悬浮液作为一稳定剂的数个阳极而被组装。所述数个阳极或者是在两侧被以人工披覆，被披覆及在750度热裂解，或被沉浸在稀释的悬浮液中(在一水悬浮液中一次及在水/乙醇中一次)。

如在图75中所展示的，相对于在上文中被描述的在半电池中的结果，在数个全电池中的最佳表现缘于在两侧披覆所述数个阳极而无进一步处理(忽略由于设备问题的电容量峰值)，在所述半电池中的结果中，将所述阳极热裂解增进了表现，及以乙醇稀释所述纳米管悬浮液增进了表现。

合而观之，这些结果显示在所述阳极面对所述阴极的一侧，以碳，比如碳纳米管披覆数个硅纳米结构可以(例如，分离于在上文中讨论的，通过碳达成的电流收集的所述增进)增进包含数个硅纳米结构阳极的电池的表现。

示例16

硅纳米结构阳极的机械性质

在圆柱状锂离子电池组的所述生产中，所述数个阳极通常被卷成小直径(约2毫米)及通过所述卷对卷生产过程被延展。承受这样的机械性压力同时保存表现的能力因此被评价。此外，在所述验收测试计划中界定所述阳极的所述数个机械性质是可欲的。

下述的数个测试被用于评估所述数个机械性质：

卷曲测试：为了检验所述数个阳极层(不锈钢及数个硅纳米结构)在被卷曲至数个不同直径时的所述耐受度；在经历拉伸压力的一电极表面上的裂痕及剥离的外观被评估；

拉伸测试：为了评估支撑负载的能力(抗拉强度＝在破坏前的压力最大量，屈服强度＝塑性变形开始时的压力)；样本被抓握在一拉伸测试机中及被负载以单轴压力直到破坏；

剥离测试：胶带用于评估数个硅纳米结构自所述不锈钢的撕离。

拉伸测试使用一装置(在图76中被描绘)被执行，所述装置能够在一环境式扫描式电子显微镜(eSEM)中原地进行测试。

如在图77中及下述的表12中所展示的，氢氟酸处理增进所述数个不锈钢样本的所述延展性(在一给定程度的压力下有更高程度的形变，及破坏发生在更高的形变程度)；及数个硅纳米结构的沉积增进了脆性。

表12：有或无氢氟酸处理，及来自硅纳米结构(SiNS)(在氢氟酸处理后，以不同负载值)被披覆在所述网状物上的4个批次的数个316L不锈钢(SS)网状物样本的屈服强度、抗拉强度及延展。

如在表12中所进一步展示的，具有所述最高硅负载的所述数个样本(批次1及4)具有最高的杨氏模数，及具有所述最低硅负载的所述数个样本(批次3)具有最低的杨氏模数，显示硅负载与杨氏模数(及因此也和刚性)相关。类似的关系在硅负载及屈服强度及抗拉强度之间展现。

上述结果与在316L不锈钢的文献中被报告的值(极限抗拉强度＝485MPa，屈服强度(0.2％)＝170MPa)的比较，显示如将网状物相对于块状材料比较时被预期地，在本文中所描述的所述网状物显著地更具弹性及更脆弱。

如在图78A及78B中所展示的，在来自一个批次(图78A，批次1)的一样本中的所述数个钢铁纤维断裂时，所述硅及硅化物层并未被自所述数个纤维分离，显示与在图77中所展示的所述较高极限抗拉强度一致的良好附着；而在来自其他批次(图78B，批次2)的一样本中，所述硅及硅化物层在断裂时被自所述数个钢铁纤维分离，但保持完整，显示较差的附着，较高的延展性(所述钢铁纤维在所述硅壳下方被延展得细薄)及较低的机械性强度，也与展示在图77中的所述结果相一致。

如在图79A中所展示的，如通过一剥离测试所揭露的，在所述数个不锈钢纤维及所述数个硅纳米结构(“层次3”)之间，有两个不同层次的硅化物(一内层及一中间层)。

如在图79B中所展示的，如通过能量弥散X射线谱学所测定，所述内层(“层次1”)是硅化物贫乏的及所述中间层(“层次2”)是富于硅化物的。

数个阳极层(在不锈钢网状物上的数个硅纳米结构)被卷成不同直径的数个圆柱形，及通过扫描电子显微术而被检视。被观察到的所述数个瑕疵(例如，裂缝及/或剥离)及直径间的所述关联被决定。

数个经卷曲及未经卷曲阳极被对相对于锂进行电化学鉴定，以便评估卷曲在阳极表现上的所述效果。来自3个批次的数个阳极被比较。

如在图80A至80D中所展示的，(如在上文中，例如，关于图80A至80B被讨论的)展现硅对数个钢铁纤维的良好附着的批次1，亦在卷曲后展现最低的电容量减低。如在其中所进一步展示的，在卷曲后展现最高的电容量减低(及较差的硅附着)的批次2，亦在其后展现标准差的一减少；而批次1及3展现标准差的一增加。

这些结果显示所述强硅附着是与对卷曲的耐受性相关联的。

示例17

硅纳米结构及固态电解质的组合

为了发展一固态聚合物电解质(SPE)，聚氧化乙烯(PEO)及聚乙二醇(PEG)的一混合被与一锂盐(LiTFSI)及陶瓷填料结合，所述锂盐(LiTFSI)及陶瓷填料被用以增进所述SPE的所述离子导电性。

PEO(n＝20)及PEG(n＝2000)的一混合在一手套箱中被溶解在乙腈中12小时。所述陶瓷填料(Al₂O₃粉末，(体积对体积比))及所述盐(LiTFSI，与PEO的莫尔比例为1:20)被接着加入，接着所述混合物再被混合12小时。所述被制备的溶液的部分在一聚四氟乙烯模板中被模铸及被干燥以便作为一分隔膜被使用。每平方公分具有2毫克硅的数个阳极接着被披覆以70微升的所述混合物并干燥。数个阳极及数个分隔膜都先在所述手套箱中被干燥，接着在65度，在真空中隔夜。

图81A及81B展示各自披覆以具有(图81B)或不具有(图81A)氧化铝的一SPE的数个阳极。所述阳极的所述角落的所述角落被暴露以供比较。

如在图81A及81B中所展示的，数个硅纳米结构在所述被SPE披覆的部分中并不可见，显示所述SPE的彻底披覆。

类似地，通过EDX射线谱侦测到按重量计算不多于1％的硅，进一步确认了所述SPE的彻底披覆。

数个电池以所述数个经披覆阳极、所述数个被制备的分隔膜及数个锂电极被建构，没有任何液态电解质。所述数个电池接着在110度被循环。具有SPE的一示例性电池的第一循环被呈现在图82中。

一第二SPE使用气相二氧化硅(0.04％体积对体积比)而非Al₂O₃而被建构。数个电池使用此SPE被制备，及数个循环在上文中被描述。

如在图83中所展示的，所述含氧化铝SPE及含二氧化硅SPE各自展现足够的离子导电性以允许所述SiNS锂化及去锂化。

为了增进表现，使用了比如在上文中被描述的过程，测试了数种不同的锂盐(例如，LiFSi)、数种不同的陶瓷填料及数种不同的PEO:PEG比例。碳酸乙烯酯(EC)及/或氟代碳酸乙烯酯(FEC)在SEI性质上的效果亦被测试。

一弹性微电池接着使用(如在本文中被描述的)含有硅纳米结构的一阳极、(如在本文中被描述的)一SPE及一层阴极活性材料(例如，LFP)被建构。

虽然本发明连同其特定实施例而被描述，显然地，许多替换、修改及变化对于在本技艺中具有通常技术之人将是明显的。因此，它是意在包含所有落在所述随附的权利要求的精神及广范围内的这样的替换、修改及变化。

在本说明书中被提及的所有出版物、专利及专利申请通过引用，以其整体被并入说明书中，其程度如每个个别出版物、专利或专利申请是被特定地及个别地指示通过引用被并入本文中。此外，在此申请中的任何参考资料的引用或识别不应被理解为承认这样的参考文献可作为本申请的先前技术。若段落标题被使用，它们不应被认为是必然具限制性的。

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