多孔硅的制造方法与流程

1.本发明总体上涉及硅领域，并且更具体地涉及硅领域中新的且有用的系统和方法。
2.背景
3.硅(si)的高比容量使其成为有吸引力的电池电极材料。然而，大的体积膨胀和反应性仍然是开发si电极的障碍。多孔硅可以克服在电极中使用si的一些现有挑战。因此，在硅领域中存在对于新的且有用的系统和方法的需求。本发明提供了这样的新的且有用的系统和方法。
4.附图简述
5.图1是系统的示意性表示。
6.图2是方法的示意性表示。
7.图3a、图3b和图3c是硅材料的实例的自顶向下扫描电子显微照片。
8.图4a是包括形成簇的独立颗粒(freestanding particle)的硅材料的实例的示意性表示。
9.图4b是包括形成簇的互连的颗粒的硅材料的实例的示意性表示。
10.图4c是包括多孔颗粒的硅材料的实例的示意性表示。
11.图5是包括聚集在一起以形成团聚体(agglomer)的簇的硅材料的实例的示意性表示。
12.图6a、图6b和图6c是所包覆的硅材料的实例的示意性表示，其中包覆层分别覆盖三级结构、二级结构和一级结构。
13.图6d是具有硅氧化物包覆层的硅材料的实例的示意性表示。
14.图7a、图7b和图7c是硅材料的特征尺寸分布的实例的示意性表示。
15.图8a和图8b是制造硅材料的方法的实例的示意性表示。
16.图9a、图9b和图9c是包覆硅材料的实例的示意性表示。
17.图10a和图10b是将盐和二氧化硅组合的实例的示意性表示。
18.图11a和图11b分别是起始二氧化硅材料和所得的硅材料的实例的自顶向下扫描电子显微照片。
19.图12a和图12b分别是起始二氧化硅材料和所得的硅材料的实例的自顶向下扫描电子显微照片。
20.图13a和图13b分别是起始二氧化硅材料和所得的硅材料的实例的自顶向下扫描电子显微照片。
21.图14a和图14b分别是起始二氧化硅材料和所得的硅材料的实例的自顶向下扫描电子显微照片。
22.图15a和图15b分别是硅胶起始材料和所得的硅材料的实例的自顶向下扫描电子显微照片。
23.图16a和图16b分别是硅胶起始材料和所得的硅材料的实例的自顶向下扫描电子
显微照片。
24.图17a-图17e是示例性硅颗粒的示意性表示。
25.图18a-图18d是示例性硅颗粒的示意性表示。
26.图19是所包覆的硅颗粒的实例的示意性表示。
27.优选实施方式的描述
28.对本发明的优选的实施方案的以下描述不意图将本发明限制于这些优选的实施方案，而是使得本领域的任何技术人员能够制造并且使用本发明。
29.1.概述。
30.如图1中所示，硅材料10可以包括一级结构特征110和二级结构特征120。硅材料可以任选地包括三级结构特征130、一个或更多个包覆层140和/或任何合适的组分。
31.如图2中所示，用于制造硅材料的方法20可以包括将二氧化硅还原成硅s250。制造方法可以任选地包括纯化二氧化硅s210，将二氧化硅暴露于反应改性剂s220，纯化二氧化硅和反应改性剂的混合物s230，粉碎二氧化硅s240，纯化硅s260，包覆硅s270，对硅进行后加工s280，和/或任何合适的步骤。
32.在如图5中所示的说明性实例中，一级结构特征可以对应于多于一个纳米颗粒；二级结构特征可以对应于多于一个簇，每个簇包括一组纳米颗粒；并且三级结构特征可以对应于多于一个团聚体，每个团聚体包括一组簇。
33.在第一说明性实例中，如图8b中所示，用于制造硅材料的方法可以包括将诸如热解法二氧化硅的二氧化硅起始材料(例如，硅前体、二氧化硅前体、未纯化的二氧化硅、纯化的二氧化硅等)暴露于还原剂(例如，mg)，将二氧化硅起始材料还原为硅，以及任选地用洗涤溶液(例如，酸性溶液，诸如hf)洗涤所得的硅以除去一种或更多种反应副产物(例如，mgo、mgsi等)。在该说明性实例中，通过将二氧化硅和mg加热到还原温度(例如，在300℃-900℃之间)，将二氧化硅还原为硅。该说明性实例可以包括通过对聚合物进行碳化诸如使用cvd例如用碳质包覆层包覆(和/或负载)硅，和/或以其他方式向硅中添加导电添加剂。
34.在第二说明性实例中，如图8a中所示，用于制造硅材料的方法可以包括洗涤二氧化硅(例如，使用酸性溶液诸如hcl；使用溶剂诸如水、异丙醇、乙醇等；等等)；碾磨二氧化硅；将二氧化硅暴露于盐(例如，nacl)和还原剂(例如，mg)；加热二氧化硅、盐和还原剂以将二氧化硅还原成硅；以及洗涤所得的硅(例如，使用酸性溶液诸如hcl、hf等；使用溶剂诸如水、ipa、丙酮等；等等)。在该说明性实例中，盐和还原剂可以在同一时间(例如，同时地)暴露于二氧化硅，二氧化硅可以在暴露于还原剂之前暴露于盐，和/或二氧化硅可以在暴露于盐之前暴露于还原剂。在该说明性实例中，盐可以包覆二氧化硅，和/或盐可以与二氧化硅混合。该说明性实例可以包括例如使用cvd、聚合物来包覆硅，和/或以其他方式来包覆硅。
35.硅材料优选地被用作电池(例如，li离子电池)中的阳极材料(例如，阳极浆料)。然而，硅材料可以另外地或可选择地用作吸收材料(例如，用于油和油基介质吸收，诸如将油与水分离)、用于光伏应用(例如，作为光吸收剂、作为电荷分离器、作为自由载流子提取器(free carrier extractor)等)、热绝缘体(例如，在诸如高温、高压、电离环境、低温、低压等的极端条件下可操作的热绝缘体)、用于高灵敏度传感器(例如，高增益、低噪声等)、雷达吸收材料、绝缘体(例如，在建筑物、窗户、热损失系统和太阳能系统等中)、用于生物医学应用、用于制药应用(例如，药物递送)、气凝胶(例如，硅气凝胶)和/或用于任何合适的应用。
对于这些应用中的一些应用，包括但不限于制药应用，所得的硅材料可以被氧化成二氧化硅(例如，保持与硅材料的形态基本上相同的形态的sio2)，和/或被用作硅。硅可以被氧化，例如，通过将硅材料(例如，在开放环境中、在具有受控氧含量的环境中等)加热到200℃和1000℃之间持续1-24小时而被氧化。然而，硅可以使用氧化剂氧化，和/或以其他方式被氧化。
36.2.益处。
37.技术的变型可以赋予若干益处和/或优点。
38.第一，技术的变型可以用作电池中的阳极，以改进能量的存储和传输和/或减轻电池的重量(例如，与不包括硅材料的电池相比具有相同或相似的性质)。在具体的实例中，这种益处通过多孔基质能够实现，多孔基质使硅能够实现内部膨胀，而不是外部膨胀。通过内部膨胀，这种硅材料提供不破坏或不损坏si阳极和电池之间的固体电解质层(sei)层的额外的益处。
39.第二，技术的变型可以实现产生硅材料的“绿色化学”方法。在具体实例中，用于制造硅材料的工艺可以再利用废料(例如，用过的二氧化硅、用过的盐、用过的还原剂等)，从而减少所使用和/或所产生的废物的量。
40.第三，技术的变型可以使用来自其他工艺的废料，从而减少总体材料和制造成本。
41.第四，技术的变型可以实现大的内表面积(例如，多孔的内部的大于约10m2/kg的内表面的brunauer-emmett-teller(bet)表面积，不直接暴露于外部环境、被配置成实现低的外部硅膨胀诸如小于50％膨胀、配置成能够膨胀到内部体积内的空隙空间中的表面等)和低的外表面积(例如，直接暴露于外部环境的表面，bet表面积小于约150m2/kg，颗粒的所测量的bet小于约150m2/kg等)硅材料。在具体实例中，二氧化硅前体中碳掺杂剂的存在可以导致局部热效应和/或局部热点，局部热效应和/或局部热点可以熔化和/或熔合硅材料，这可以影响硅材料的表面积(例如，内表面积和/或外表面积)、形态和/或其他性质；和/或形成所述材料的工艺。
42.第五，技术的变型可以包括掺杂剂(例如，碳掺杂剂)，该掺杂剂可以影响(例如，增加、降低)硅材料的电导率(例如，电子电导率、离子电导率等)。
43.第六，技术的变型可以包括掺杂剂(例如，碳掺杂剂)，该掺杂剂可以改变(例如，抑制、促进等)硅结晶的形成和/或程度(例如，促进无定形硅的形成、促进结晶硅的形成等)。
44.第七，技术的变型可以增加硅材料的稳定性，这可以使硅材料能够用于使电池循环预定的次数(例如，比在不包含掺杂剂或不存在掺杂剂的情况下可能的次数更多的次数)。例如，当集成在电池中(例如，作为其阳极)时，硅材料可以实现高的循环性(例如，在两个电压之间充电和放电至少100次、200次、300次、500次、1000次、2000次、5000次、10000次、》10000次的能力；容量保持率(capacity retention)在预定的循环次数内是基本上恒定的，诸如大于约70％；库仑效率在整个循环中是基本上恒定的；在充电和放电期间插入到阳极中的锂和从阳极中提取的锂是基本上相等的；等等)。然而，硅材料可以实现任何合适的循环性。
45.然而，技术的变型可以赋予任何其他合适的益处和/或优点。
46.如本文所使用的，“基本上”或近似的其他词语可以在度量、分量或其他参考值的预定误差阈值或容差内(例如，在参考值的0.001％、0.01％、0.1％、1％、5％、10％、20％、
30％等内)，或者可以以其他方式解释。
47.3.硅材料。
48.硅材料10可以包括一级结构特征110和二级结构特征120。硅材料可以任选地包括三级结构特征130、一个或更多个包覆层140和/或任何合适的组分。硅材料可以作为粉末、粉尘、浆料、胶体、悬浮液、溶液、分散体提供，和/或以任何合适的形式(例如，在该工艺的一个或更多个步骤中)提供。
49.硅材料优选地由材料特征来表征。然而，硅材料可以另外地或可选择地由结构特征和/或其他性质来表征。所述特征可以被测量(例如，吸附测量、晶体学等)、推断(例如，基于图像，诸如透射电子显微照片图像、扫描电子显微照片图像等)、计算、建模和/或以其他方式确定。所述特征可以是固有性质(例如，固有性质、结构的结果、材料中存在的材料的结果、来自制造硅材料的工艺的结果等)和/或外在性质。材料特征的实例包括：孔隙率、孔径、孔径分布、表面积、弯曲度(tortuosity)、结晶度、元素组成、膨胀(例如，内部膨胀、外部膨胀等)、质量、体积、传导性(例如，电子电导率、热导率等)、机械性质(例如，杨氏模量)、形态(例如，分支、堆叠等)和/或任何合适的材料特征。
50.硅材料的孔隙率(例如，空隙分数，诸如空隙在材料内占据的体积的分数或百分比)可以起到为硅提供在其中膨胀的空间的作用。孔优选地是在一级结构特征之间的间隙或空间，但可以另外地或可选择地是在硅材料的一级结构特征和二级结构特征之间、在二级结构特征之间、在一级结构特征和三级结构特征之间、在二级结构特征和三级结构特征之间、在三级结构特征之间、在一级结构特征内和/或在其他结构特征内的间隙或空间。硅材料的孔隙率优选地在约25％和约99.99％之间，诸如30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％、97.5％、98％、99％、99.5％、99.9％，在其范围之间，小于25％，大于99.99％，和/或是任何合适的孔隙率。硅材料的孔体积优选地在约0.01cm3g-1
和5cm3g-1
之间(例如，0.02cm3g-1
、0.05cm3g-1
、0.07cm3g-1
、0.1cm3g-1
、0.2cm3g-1
、0.5cm3g-1
、0.7cm3g-1
、1cm3g-1
、2cm3g-1
等)，但是可以小于0.01cm3g-1
或大于5cm3g-1
。
51.孔可以是纳米孔、介观孔(mesopore)、微孔和/或宏观孔(macropore)。硅材料的孔径优选地是在约0.1nm和约5μm之间的值和/或范围，诸如0.2nm、0.5nm、1nm、2nm、5nm、10nm、20nm、25nm、30nm、40nm、50nm、75nm、100nm、150nm、200nm、300nm、400nm、500nm、750nm、1μm、1.5μm、2μm、3μm、4μm和/或5μm。然而，孔径可以在高于或低于这些值的范围内，小于1nm或大于1μm，和/或以其他方式设定尺寸。孔径优选地分布在孔径分布上。然而，孔径可以另外地或可选择地是基本上均匀的(例如，所有孔都在常见孔径的
±
1％、
±
2％、
±
5％、
±
10％、
±
20％、
±
30％等内)，孔径可以在整个样品中变化(例如，工程化的孔径梯度、偶然孔径变化等)，和/或硅材料可以具有任何合适的孔径。
52.孔径分布可以是单峰的(monomodal)或单峰的(unimodal)、双峰的、多峰的，和/或具有任何合适数量的模式。在具体实例中，孔径分布可以由以下项表示(例如，近似为以下项)：高斯分布、洛伦兹分布、voigt分布、均匀分布、平滑的均匀分布(mollified uniform distribution)、三角形分布、威布尔分布(weibull distribution)、幂律分布(power law distribution)、对数正态分布、对数双曲分布(log-hyperbolic distribution)、偏斜对数拉普拉斯分布(skew log-laplace distribution)、非对称分布、偏斜分布(skewed distribution)和/或任何合适的分布。
53.在一些变型中，硅材料可以具有多于一个孔径和/或孔径分布。在说明性实例中，硅材料可以包括第一孔径分布和第二孔径分布，第一孔径分布可以包括约1nm-100nm的孔(例如，对应于在一级结构特征之间产生的间隙)，第二孔径分布可以包括约0.1μm至5μm的孔(例如，对应于在二级结构特征之间产生的间隙)。在说明性实例中，一级结构可以在二级结构内协同地形成孔。在说明性实例的变型中，一级结构可以在二级结构内协同地形成一级孔，并且二级结构可以在三级结构内协同地形成二级孔。在第二说明性实例中，一级结构可以包括一级孔，并且可以在二级结构内协同地形成二级孔。然而，硅材料可以具有任何合适的孔和/或孔分布。
54.在整个硅材料内的孔分布可以是：基本上均匀的、随机的、工程化的(例如，沿着一个或更多个轴线形成梯度)，或以其他方式被配置。在整个硅材料内的孔径分布可以是：均匀的、随机的、工程化的(例如，沿着一个或更多个轴线形成梯度)，或以其他方式被配置。
55.表面积(例如，暴露的表面积，诸如与外部环境可接触的暴露的表面积，孔的外部的表面积，包括孔面积等)优选地在约0.01m2/g至1500m2/g之间(例如0.1m2/g、0.5m2/g、1m2/g、2m2/g、3m2/g、5m2/g、10m2/g、15m2/g、20m2/g、25m2/g、30m2/g、50m2/g、75m2/g、100m2/g、110m2/g、125m2/g、150m2/g、175m2/g、200m2/g、300m2/g、400m2/g、500m2/g、750m2/g、1000m2/g、1250m2/g、1400m2/g、在其范围之间，等等)。然而，表面积可以高于或低于上述值，或者可以小于0.01m2/g和/或大于1500m2/g。在一些变型中，表面积可以是指brunner-emmett-teller(bet)表面积。然而，可以使用表面积的任何定义、理论和/或测量结果。
56.硅材料的弯曲度优选地是基本上各向同性的(例如，弯曲度沿着不同的方向在1％、5％、10％、20％、30％等内相同)。然而，弯曲度可以是在平面内基本上各向同性的(例如，弯曲度沿着两个参考轴线是基本上相同的并且围绕第三参考轴线是不同的)、径向各向同性的、各向异性的和/或具有任何方向性。弯曲度可以被定义为以下项和/或从以下项估算：弧弦比，弧弦比除以拐点数、和/或曲率的平方的积分除以曲线长度；孔的质心的欧几里德距离总和除以孔的长度；和/或以其他方式定义。弯曲度可以取决于硅材料的形状(例如，一级结构特征、二级结构特征、三级结构特征等)、孔隙率和/或任何其他性质。弯曲度(例如，沿着一个或更多个参考轴线)优选地大于1，诸如2、3、4、5、7.5、8、8.6、10。然而，弯曲度可以小于1或大于10。
57.硅材料(和/或其每个一级结构单元、二级结构单元和/或三级结构单元)可以包括无定形硅、多晶硅和/或单晶硅。然而，硅材料可以具有任何合适的结晶度。
58.硅材料的元素组成优选地为至少60％的硅。例如，硅材料的元素组成(例如纯度百分比)可以是65％、70％、75％、80％、85％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％、99％、99.5％、99.9％、99.99％和/或99.999％硅，其间限定的范围、更多、更少或以其他方式与上述值相关。然而，硅材料可以具有小于60％的硅或大于99.999％的硅。元素组成的剩余部分可以包括以下项中的一种或更多种：碱金属(例如，li、na、k、rb、cs、fr)、碱土金属(例如，be、mg、ca、sr、ba、ra)、过渡金属(sc、ti、v、cr、mn、fe、co、ni、cu、y、zr、nd、mo、tc、ru、rh、pd、ag、hf、ta、w、re、os、ir、pt、au)、后过渡金属(post-transition metal)(例如al、ga、in、tl、sn、pb、bi、po、at、zn、cd、hg)、准金属(例如b、ge、as、sb、te)、非金属(例如h、c、n、p、o、s、se、f、cl、br、i、he、ne、ar、kr、xe、rn)、镧系元素(例如ce、pr、nd、pm、sm、eu、gd、tb、dy、ho、er、tm、yb、lu)、锕系元素(例如th、pa、u、np、pu、am、cm、bk、cf、es、fm、md、no、lr)和/
或其任何合适的组合。剩余部分可以均匀地或不均匀地分布在硅材料中。
59.在第一说明性实例中，硅材料可以包括高达约40％的氧(例如，按质量计、按体积计、按化学计量计等)，诸如在约3％-37％之间的氧。在该说明性实例中，氧可以作为硅氧化物(sio
x
，0≤x≤2)并入，所述硅氧化物诸如未反应的sio
x
，围绕si的芯的sio
x
包覆层；和/或以其他方式被并入。
60.在第二说明性实例中，特别地但不排他地涉及所包覆的硅材料，硅材料可以包括碳。在第二说明性实例中，碳与硅的比(例如，化学计量比、质量比、体积比等)优选地为约1至9。然而，碳与硅的比可以是10:1、5:1、2:1、1:1、1:2、1:3、1:4、1:5、1:7、1:8、1:9、1:10、1:20、1:50、1:100和/或任何合适的比。在第二说明性实例的变型中，碳含量可以是指有机材料(例如聚合物)的含量。碳含量可以包覆一级结构、二级结构、三级结构，填充孔体积的一部分，基本上保持在孔外部、进入硅基质(例如，形成合金或碳化硅)，和/或以其他方式布置。然而，碳含量可以是指无机碳含量和/或组合的有机和无机的含量。
61.在第三说明性实例中，硅材料可以包括锂。在第三说明性实例中，锂与硅的比(例如，化学计量比、质量比、体积比等)可以是15:4、3:1、2:1、1:1、1:2、1:3、1:5、1:10、1:100、1:1000、1:10000和/或任何比。
62.在本发明的一些变型中，可以添加特定元素(例如，化学元素、杂质)以识别硅材料，例如用作追踪制造地点、批号的手段，和/或以其他方式被使用。在这些变型中，待添加的元素优选地低于将引入硅材料的材料性质或材料特征的变化的量。然而，另外地或可选择地，可以以将引入材料性质或材料特征变化(例如，改变材料的颜色、孔形状、一级结构、二级结构、三级结构、折射等)的量来添加标识元素(identifier element)。
63.硅材料的膨胀优选地是指体积膨胀，但可以另外地或可选择地是指尺寸膨胀(例如，沿着硅材料的一个或更多个轴线的膨胀)，和/或硅材料的任何合适的膨胀。体积膨胀可以包括向内的体积膨胀(例如，以填充材料内的空隙空间，诸如以填充孔)、外部体积膨胀(例如，膨胀到材料附近的环境中)、其组合和/或任何合适的体积膨胀。膨胀的实例包括：热膨胀、溶胀(例如，由于溶剂或电解质的吸收引起的膨胀)、原子或离子置换、原子或离子插层(例如，金属化、锂化、钠化、钾化等)、静电效应(例如，静电排斥、静电吸引等)和/或任何合适的膨胀源。膨胀优选地小于临界膨胀，因为当膨胀(例如，外部膨胀)超过临界膨胀时，硅材料、其包覆层、sei层和/或其他系统或应用部件可能断裂或裂开。
64.膨胀可以是百分比变化(例如，相对于未膨胀的材料、相对于最大或最小的材料参数等)、绝对变化(例如，绝对体积变化、绝对尺寸变化等)，和/或可以以其他方式表示。负膨胀可以对应于材料的收缩，而正膨胀可以对应于材料的膨胀。然而，负膨胀或正膨胀可以以其他方式定义。
65.膨胀可以对应于一级结构特征、二级结构特征和/或三级结构特征的膨胀。对于一级结构特征，膨胀优选地不同于二级结构特征和/或三级结构特征，但可以是相同的；和/或结构特征可以以任何合适的方式膨胀。例如，在膨胀期间，簇或团聚体内的内部尺寸(或体积)可以改变，并且簇或团聚体的外部尺寸(或体积)可以保持基本上恒定(例如，在约-40％和40％之间)。
66.在第一具体实例中，膨胀排他性地是内部膨胀(例如，内部体积膨胀)，这可以是有益的，例如，因为这样，硅材料在膨胀期间对相邻材料(例如，包覆层、sei层等)产生很少外
力至不产生外力。膨胀可以在一级结构特征、二级结构特征、三级结构特征、其组合和/或材料的其他部分中。在该具体实例中，一级结构特征和/或二级结构特征可以膨胀，而三级结构特征保持基本上恒定。
67.在第二具体实例中，外部膨胀(例如，外部体积膨胀)为至多40％(例如，至多0.1％、0.5％、1％、2％、5％、10％、15％、20％、25％、30％、-40％、-30％、-25％、-20％、-15％、-10％、-5％、-2％、-1％、-0.5％、-0.1％等，或在其中限定的范围内)，其中任何其他膨胀为内部膨胀(例如，内部体积膨胀)。然而，外部膨胀可以是唯一发生的膨胀，和/或外部膨胀可以是任何合适的量。
68.在一些变型中，膨胀可以与孔隙率、孔径和/或孔径分布的减小相关和/或与之对应。这些变型可以是特别有益的，因为这些变型的电子电导率可以在硅材料膨胀的同时增加。然而，膨胀可以与孔隙率、孔径、孔径分布和/或其他材料特征不相关和/或负相关。
69.硅材料的一级结构特征110优选地是指最简单的单元(例如，大于单独的原子的最简单的单元)，其中可以从一级结构特征产生和/或构建更复杂的结构。然而，另外地或可选择地，一级结构特征可以是指硅材料的最可识别的特征、最常见的特征、最大的特征、最小的特征和/或其他合适的特征。
70.一级结构特征优选地是纳米颗粒115，但是可以另外地或可选择地包括纳米晶体、介观颗粒(mesoparticle)、宏观颗粒、分子簇、晶粒尺寸(grain size)、原子和/或任何合适的材料。纳米颗粒优选地为球状(例如，圆球状(spherical)、椭球状等)，但是可以另外地或可选择地包括棒；薄片(platelet)；星；柱；条；链；花；礁(reef)；须；纤维；盒(box)；多面体(例如，立方体、矩形棱柱、三角形棱柱等)；具有蠕虫状形态；具有泡沫状形态；具有如例如图11b、图12b、图13b、图14b、图15b和图16b中所示的形态；和/或其他合适的结构。纳米颗粒可以是多孔的或无孔的。
71.纳米颗粒的特征尺寸优选地在约1nm至约500nm之间，诸如2nm、5nm、10nm、20nm、25nm、30nm、50nm、75nm、100nm、125nm、150nm、175nm、200nm、250nm、300nm、400nm。然而，特征尺寸可以另外地或可选择地小于约1nm和/或大于约500nm。在具体实例中，特征尺寸可以包括纳米颗粒的半径、直径、周长、最长尺寸、最短尺寸、长度、宽度、高度、孔径和/或任何尺寸(size)或尺寸(dimension)。纳米颗粒的特征尺寸优选地分布在尺寸分布上。尺寸分布优选地是基本上均匀的分布(例如，盒式分布(box distribution)、平滑的均匀分布，如例如在图7a等中所示的)，使得给定特征尺寸的纳米颗粒的数量(或具有给定特征尺寸的纳米颗粒的数量密度)是近似恒定的(例如，最常见的特征尺寸与最不常见的特征尺寸相差小于5％、10％、20％、30％等)。然而，尺寸分布可以另外地或可选择地对应于威布尔分布、正态分布、对数正态分布、洛伦兹分布、voigt分布、对数双曲分布、三角形分布、对数拉普拉斯分布和/或任何合适的分布。
72.在如图4c中所示的第一说明性实例中，一级结构特征可以包括特征尺寸在约10nm-500nm之间的范围内的多孔纳米颗粒。在第二说明性实例中，一级结构特征可以包括特征尺寸在约2nm-150nm之间的范围内的纳米颗粒(例如，多孔纳米颗粒或无孔纳米颗粒)。然而，一级结构特征可以具有任何合适的形态。
73.如例如图4a和图4b中所示的，二级结构特征120优选地是指包括一级结构特征和/或由一级结构特征制成的结构。然而，二级结构特征可以另外地或可选择地是指和/或包
括：第二最常见的特征(例如，具有特征尺寸、材料、性质等的颗粒或包覆层)、预定尺寸范围的特征、第二高出现频率的特征、第二小的特征和/或材料的任何合适的结构或属性。
74.在优选的实施方案中，二级结构特征包括一级结构特征(例如，纳米颗粒)的簇125(有时被称为二级颗粒或二级结构)。簇内的一级结构特征可以可逆地和/或不可逆地关联。纳米颗粒可以是独立的(例如，如图4a中所示，独立的簇123或独立的球体)，连接到相邻的一级结构特征(例如，经由化学键，通过连接材料，经由物理结合等)，部分地或完全地熔合在一起(例如，在一起退火；熔化到彼此之中；在一起烧结；形成泡沫；互连的簇126，如例如图3a、图3b和图4b中所示；等等)，和/或以其他方式在簇内彼此联接。互连的网络的组成单元(例如，一级结构特征)可以是：永久地互连的(例如，退火、烧结、共价键合、粘附或以其他方式机械地连接)、可逆地互连的(例如，通过离子键、范德华键等结合)、邻接的(例如，没有颗粒间结合)和/或以其他方式连接在一起。在一些变型中，如例如图11a和图11b中所示，硅结构可以包括混合物独立和互连(例如海绵状)的特征。然而，硅结构可以包括任何合适的形态。一级结构特征优选地在簇内协同地形成孔(例如，空的空间)。然而，纳米颗粒可以被致密地填充(例如，防止或最小化簇内空的空间的量)，和/或可以以其他方式布置。
75.簇尺寸优选地在约300nm-5000nm之间(例如，更大、更小或等于300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm、1μm、1.5μm、2μm、3μm、4μm、5μm、或其中限定的范围等)。然而，簇尺寸可以小于300nm和/或大于5000nm。簇尺寸可以是不可逆地连接的纳米颗粒的跨度(extent)、相关尺寸、簇尺寸(cluster dimension)(例如，最长尺寸、最短尺寸等)和/或簇的任何合适尺寸。簇尺寸优选地分布在簇尺寸分布上。簇尺寸分布可以是正态分布、威布尔分布、对数正态分布、洛伦兹分布、voigt分布、对数双曲分布、三角形分布、对数拉普拉斯分布、基本上均匀的分布和/或任何合适的分布。
76.然而，二级结构特征可以包括任何合适的结构(例如，取决于一级结构特征)。
77.如例如在图5中所示，三级结构特征优选地是指包括二级结构特征和/或由二级结构特征制成的结构。然而，三级结构特征可以另外地或可选择地是指和/或包括：第三最常见的特征、预定尺寸范围的特征、第三最高出现频率的特征、第三最小的特征、由一级结构特征和二级结构特征的混合制成的结构、由一级结构特征制成的结构和/或材料的任何合适的结构或属性。
78.在优选的实施方案中，三级结构特征140包括一级结构特征(例如，纳米颗粒)的二级结构特征(例如，簇)的团聚体135(有时被称为三级颗粒或三级结构，如例如图3c中所示)。团聚体内的二级结构特征可以可逆地和/或不可逆地关联或连接。二级结构特征可以是独立的、连接到相邻的簇(例如，经由化学键，通过连接材料，经由物理结合等)、部分地或完全地熔合在一起(例如，在一起退火；熔化到彼此之中；在一起烧结等)，和/或以其他方式在团聚体内彼此联接。二级结构特征优选地在团聚体内协同地形成孔(例如，空的空间)。然而，二级结构特征可以被致密地填充(例如，防止或最小化团聚体内空的空间的量)，和/或可以以其他方式布置。
79.团聚体尺寸优选地在约1μm-100μm之间(例如，更大、更小或等于1μm、2μm、5μm、10μm、20μm、30μm、50μm、70μm、80μm、90μm、95μm、100μm或其中限定的范围等)。然而，团聚体尺寸可以小于1μm和/或大于100μm。团聚体尺寸可以是不可逆地连接的簇的跨度、相关尺寸、团聚体尺寸(例如，最长尺寸、最短尺寸等)和/或团聚体的任何合适尺寸。团聚体尺寸优选地
分布在团聚体尺寸分布上。团聚体尺寸分布可以是正态分布、威布尔分布、对数正态分布、洛伦兹分布、voigt分布、对数双曲分布、三角形分布、对数拉普拉斯分布、基本上均匀的分布和/或任何合适的分布。
80.然而，三级结构特征可以包括任何合适的结构(例如，取决于一级结构特征，取决于二级结构特征等)。
81.尽管一级结构特征、二级结构特征和三级结构特征被分开地描述，但是在一级结构特征、二级结构特征和/或三级结构特征之间可以没有区别。例如，如图7b和图7c中所示，硅材料可以包括跨过在从纳米到毫米范围内的概率分布而分布的结构。在第二具体实例中，材料可以包括跨越几十个值的特征尺寸(例如，在从1nm到100μm的范围内的特征尺寸)。然而，可以另外地或可选择地定义结构特征。
82.在一些实施方案中，硅材料的表面(例如，在一级结构特征、二级结构特征和/或三级结构特征之间或之上)可以部分或完全地熔合在一起(例如，熔化，形成固体共延表面等)。表面优选地是指外表面(例如，多孔网络外部的表面)，但可以是指内表面(例如，在多孔网络内)、与内表面和外表面共延的表面和/或任何合适的表面。表面可以包括结构(例如，岛、硅或其他材料的固化池、无定形结构，例如如图12b中所示等)，可以是光滑的(例如，具有小于阈值粗糙度的表面粗糙度)，可以是粗糙的(例如，具有超过阈值粗糙度的表面粗糙度)，和/或具有任何形态。熔合的表面的厚度可以是在约1nm至1μm之间(例如，1nm、2nm、5nm、10nm、20nm、30nm、50nm、100nm、200nm、300nm、500nm、1000nm等)、小于1nm和/或大于1μm的值或范围。在(熔合的)表面下，硅材料优选地是多孔的(例如，具有如上文描述的结构)，但可以具有任何合适的结构。
83.任选的添加剂140可以用于改进硅材料的电子电导率、为硅材料提供机械稳定性(例如，保持二级结构特征、保持三级结构特征、阻碍或防止硅材料的膨胀等)、在制造期间改变材料的反应速率和/或以其他方式改变硅材料的性质。添加剂可以覆盖硅材料的整个暴露的表面和/或下面的添加剂(例如，是包覆层)、覆盖硅的暴露的表面的子集(例如，硅材料的特定区域，是多孔的、穿孔的等)和/或下面的添加剂、覆盖硅材料的预定跨度和/或下面的包覆层、填充一些或全部的孔体积、进入硅晶格(例如，形成合金)和/或以其他方式与硅材料和/或下面的包覆层界面连接。在优选的实施方案中，添加剂(例如，包覆层)优选地不进入硅材料的孔(例如，包覆层覆盖或包覆较高级的特征诸如二级结构特征和/或三级结构特征，而不包覆较低级的特征诸如一级结构特征，如例如图6a和图6b等中所示)。在该实施方案的具体实例中，添加剂可以包覆二级颗粒(例如，簇)和/或三级颗粒(例如，团聚体)，而不包覆一级颗粒(例如，纳米颗粒)。然而，添加剂可以部分地进入孔(例如，延伸到孔的边缘中；锚定和/或支撑在孔的边缘处，在孔中形成悬链(catenary)形状或悬链状形状，等等)；共形地包覆硅材料的表面或与硅材料的表面相互作用(例如，包覆一级结构特征，如例如图6c中所示，等等)；和/或以其他方式与硅材料相互作用。在添加剂进入孔(例如，包覆一级颗粒)的实施方案中，添加剂负载量(例如，内部体积填充的程度)优选地在约1％和80％之间。例如，空隙体积(例如，孔体积)可以填充有在约1％和80％之间的碳。然而，添加剂负载量可以小于1％或大于80％。添加剂可以锚定(例如，结合到、粘附到、连接到等)硅材料和/或其他包覆层，不锚定到、不集成到硅材料和/或其他包覆层，和/或以其他方式联接到硅材料和/或其他包覆层。
84.至少一种添加剂优选地是导电的(例如，电子电导率至少约10,000西门子/米(s*m-1
)、电阻率至多约10-4
ωm等)。然而，添加剂可以另外地或可选择地是半导体的、电绝缘的、介电的，和/或具有任何电子电导率。
85.添加剂优选地传导li
+
和/或能够实现li
+
扩散。然而，一种或更多种添加剂可以是不可穿透的或差地传导li
+
或差地实现li
+
扩散。
86.在添加剂包括包覆层的变型中，包覆层厚度是优选地在约1nm-10nm之间的其值或范围，诸如1nm、2nm、2.5nm、3nm、4nm、5nm、6nm、7nm、8nm、9nm。然而，包覆层厚度可以小于1nm或大于10nm。包覆层厚度可以是基本上相同的和/或在硅材料的跨度内变化。包覆层厚度优选地被选择成允许离子(例如，li
+
离子)和/或其他材料(例如电解质)穿透包覆层。然而，包覆层可以是离子不可穿透的；可以包括一个或更多个孔和/或穿孔，以使材料能够穿过(例如，在预定的位置处)和/或电解质和/或以其他方式可渗透一种或更多种物质。包覆层厚度可以取决于包覆层材料、一种或更多种其他包覆层的材料，和/或以其他方式取决于硅材料。
87.当添加剂是碳质的(例如，碳包覆层)时，碳与硅材料的比(例如，包覆层材料与硅材料的比，包括可能存在于硅材料中的任何碳，诸如掺杂剂或添加剂中的任何碳，硅材料中的碳与硅的比，硅材料中的碳与其他元素的比，等等，诸如质量比、化学计量比、体积比)可以是约1:8、1:7、1:6、1:5、1:4、1:3、1:2、2:1、3:1、4:1、5:1、6:1、7:1、8:1和/或任何其他比。然而，可以使用任何碳与硅的比。碳与硅的比(例如，基于包覆层厚度、包覆层均匀度等控制的)可以取决于稳定剂浓度(例如，硅材料内的氧浓度)、目标容量、掺杂剂浓度、颗粒尺寸(例如，特征尺寸)、簇尺寸、团聚体尺寸、表面积(例如，外表面积等)，和/或取决于任何合适的性质。
88.在一些实施方案中，包覆层可以包括一种或更多种结构，诸如纳米结构、介观结构(mesostructure)、微观结构和/或宏观结构。结构可以被选择(例如，工程化)以改变一种或更多种包覆层和/或硅材料性质，诸如硅材料的光学外观(例如，光的反射、透射、吸收和/或散射)、通过包覆层的物质扩散或渗透性和/或其他性质。结构的实例包括孔、凹槽、路径、穿孔和/或其他结构。
89.添加剂材料优选地是碳质的，但可以另外地或可选择地包括金属(例如，锂、镁等)、氧化物(例如，sio
x
)、无机聚合物(例如，聚硅氧烷)、金属聚合物(metallopolymer)和/或任何合适的材料。碳质材料的实例包括：有机分子、聚合物(例如，聚乙烯(pe)、聚丙烯(pp)、聚氯乙烯(pvc)、聚苯乙烯(ps)、聚氨酯(pu)、聚酰胺、聚丙烯腈(pan)、聚丙烯酰胺、聚乳酸、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、酚醛树脂、聚吡咯、聚对苯乙炔(polyphenylene vinylene)、聚乙炔、聚芴、聚亚苯基(polyphenylene)、聚芘(polypyrene)、聚薁、聚萘、聚咔唑、聚吲哚、聚氮杂环庚三烯(polyazepine)、聚苯胺、聚噻吩、聚苯硫醚、聚(3,4-亚乙基二氧基噻吩)，再循环的聚合物等)；无机碳(例如，无定形碳、木炭、金刚石、石墨、石墨烯、纳米棒等)，和/或任何合适的碳质材料。当添加剂是碳质的时，碳与硅的比可以是约1:8、1:7、1:6、1:5、1:4、1:3、1:2、2:1、3:1、4:1、5:1、6:1和/或任何其他比。然而，可以使用任何碳与硅的比。
90.在第一说明性实例中，硅材料可以包覆有约1nm-5nm厚的碳包覆层。碳包覆层可以包覆硅材料的二级结构特征和/或三级结构特征(例如，包覆或不包覆硅材料的一级结构特
征)。
91.在如图6d中所示的第二说明性实例中，硅材料可以包括硅氧化物包覆层。在该说明性实例中，硅材料可以包括硅芯和硅氧化物壳。在该说明性实例中，壳可以在约1nm-5nm之间厚。壳可以包括sio
x
的梯度(例如，径向梯度，具有更靠近外部环境的较高的氧浓度和更靠近材料的中心的较低的氧含量)、均匀的sio
x
和/或任何合适的sio
x
分布。
92.硅材料优选地是大部分硅(例如，至少约50％的si，例如60％、65％、70％、75％、80％、90％、95％、97.5％、99％、99.9％、85-93％、50-95％、80-95％，其间的值或范围等)。硅材料的硅浓度(例如，作为百分比)可以是指质量百分比、纯度百分比、体积百分比、化学计量比(例如，化学计量百分比)和/或任何合适的百分比。然而，硅材料可以是多于一种硅(例如，比任何其他成分更多的硅，但不大于50％硅)，和/或具有任何合适的硅浓度。
93.硅材料(和/或其游离硅)可以是无定形的、结晶的(例如，多晶的、单晶的、假晶的等)，和/或具有任何合适的结构。在具体实例中，硅材料(或其颗粒)可以包括为无定形的区域和结晶区域。在相关的实例中，结晶度可以受掺杂剂、稳定剂、杂质和/或其他成分的存在(和/或不存在)、特性(identity)(例如类型)、浓度(例如局部浓度、平均浓度等)和/或任何合适性质的影响(例如，控制)。作为说明性的实例，包含碳质掺杂剂可以导致无定形硅的区域和/或更大程度的无定形硅。
94.掺杂剂200可以用于改变硅材料的结晶度、改变(例如，增加、降低)电导率和/或传输(例如，热传导性、电子传导性、离子传导性、原子传导性等)、改变(例如，增加、降低)(例如，通过吸收在硅材料的膨胀和/或收缩期间的应力或应变等)硅材料的稳定性(例如，热稳定性、机械稳定性等)、改变(例如，增加、降低等)硅材料形成sei(固体电解质界面)层的能力(例如，在电池操作之前和/或期间)、改变sei层的品质(例如，稳定性、均匀性、拉伸应力适应(tensile stress accommodation)、压缩应力适应(compressive stress accommodation)等)、改变(例如，增强、降低、均质化等)生长在硅材料上的包覆层，和/或可以以其他方式改变硅材料的性质。例如，掺杂剂(诸如，碳、碳质掺杂剂等)可以吸收应力，这可以帮助或使硅材料(例如，颗粒)能够保持更完整，适应膨胀应力(例如，基本上不破坏sei层，基本上不降解颗粒等)，和/或可以以其他方式影响硅材料。在另一个实例中，掺杂剂可以改善通过硅材料的电导率和/或传输(例如，离子的传输、电的传输等)。例如，相对于未掺杂的硅材料，掺杂剂可以将电导率和/或传输增加小于0.01％、约0.01％、约0.05％、约0.1％、约0.5％、约1％、约5％、约10％、约50％、约100％、约500％、其间的值、大于500％，和/或增加任何合适的量。掺杂剂对硅材料的性质和/或其应用(例如，在由硅材料形成的电池阳极中)具有的影响的量或程度可以取决于掺杂剂分布、掺杂剂材料、掺杂剂浓度和/或任何合适的掺杂剂性质。
95.硅材料优选地包括至多约45％的掺杂剂(例如，45％、40％、30％、25％、20％、15％、10％、5％、2％、1％、0.5％、0.1％、2-10％等)。然而，硅材料可以另外地或可选择地包括大于45％的掺杂剂。掺杂剂浓度可以是指总掺杂剂浓度(例如，当包括多于一种掺杂剂时，对于所有掺杂剂)、特定掺杂剂的掺杂剂浓度和/或任何合适的浓度。掺杂剂浓度可以取决于目标电导率(例如，目标电子电导率、目标离子电导率等)、特征颗粒尺寸、稳定剂浓度、硅材料的目标机械性质(例如，目标机械顺从性(mechanical compliance)、在膨胀和/或收缩期间对机械应力和/或机械应变的目标弹性等)、目标容量(其可以通过硅的容量和掺杂
剂的容量之间的线性插值(linear interpolation)来估计)、掺杂剂的功能和/或任何合适的性质。浓度可以是质量浓度、纯度、原子浓度、化学计量浓度、体积浓度和/或任何合适的浓度。
96.掺杂剂优选地为晶族元素(crystallogen)(也被称为第14族元素、金刚烷属元素(adamantogen)、iv族元素等，诸如碳、锗、锡、铅等)。然而，掺杂剂可以另外地或可选择地包括：硫属元素(例如，氧、硫、硒、碲等)、磷属元素(例如，氮、磷、砷、锑、铋等)、第13族元素(还被称为iii族元素，诸如硼、铝、镓、铟、铊等)、卤素(例如，氟、氯、溴、碘等)、碱金属(例如，锂、钠、钾、铷、铯等)、碱土金属、过渡金属、镧系元素、锕系元素和/或任何合适的材料。
97.掺杂剂可以是间隙掺杂剂(interstitial dopant)(例如，占据间隙位点)、取代掺杂剂(例如，取代晶格或其他结构内的原子)、表面掺杂剂(例如，占据表面位置)、晶粒、颗粒(例如，其中颗粒尺寸小于硅材料的颗粒，放置于颗粒之间的空隙空间内，其中特征尺寸在约1nm至1μm之间，等等)和/或任何合适的掺杂剂。掺杂剂可以另外地或可选择地与颗粒一起形成区域(例如，晶粒、岛等)，其中区域可以被相分离、可以与硅材料形成键(例如，化学键，诸如以形成合金)、占据颗粒内的空隙空间，和/或可以以其他方式存在于硅材料中。例如，当掺杂剂是碳质的时，碳可以作为石墨、石墨烯、纳米管、纳米带、纳米点、氧化石墨烯、还原的氧化石墨烯、氧化石墨、聚合物、无定形碳、金刚石、富勒烯存在和/或具有任何合适的结构和/或同素异形体。碳作为石墨(和可能地纳米碳同素异形体)存在的该实例的变型可以有益于对硅材料的容量做出贡献，并且因此优选地代表至少约90％的掺杂剂百分比(例如，其中剩余的10％可以是任何形式的碳)。例如，如果存在1克的碳质材料，则至少0.9g优选地是石墨的(或其他形式的纳米碳)。在其他变型中，特别地但不排他地，当碳质材料对硅材料的容量没有贡献时，碳质材料在硅材料中的总浓度优选地小于约10％(例如，按质量计、按体积计、按元素组成计等)。
98.掺杂剂可以均质地分布(例如，如例如图17a-图17e或图18d中所示)和/或非均相地分布(例如，如例如图18a-图18c中所示)。非均相分布的实例可以包括：靠近硅材料的外表面的较大掺杂剂浓度、在硅材料的外表面远侧的大的掺杂剂浓度(例如，在硅材料的中心或中心区域内的较大浓度)、图案化的掺杂剂分布(例如，径向分布、方位角分布，具有取决于颗粒形状和/或目标颗粒形状的分布等)、岛(例如，掺杂剂和/或高的掺杂剂浓度的区域)和/或任何合适的非均质分布。在变型中，掺杂剂可以以与稳定剂相同(例如，与稳定剂搭配，具有与稳定剂类似的分布概况等)或与稳定剂不同(例如，具有与稳定剂不同的分布概况)的方式分布。
99.在第一说明性实例中，硅材料的颗粒可以包括一个或更多个包括掺杂剂的晶粒(例如，具有在约10nm和10μm之间的晶粒尺寸(grain size)；具有取决于颗粒、簇、团聚体等的尺寸的晶粒尺寸；等等)和一个或更多个没有掺杂剂(例如，包括小于阈值量，诸如小于1％、5％等的掺杂剂；没有可检测到的掺杂剂；等等)的晶粒(例如，具有在约10nm和10μm之间的晶粒尺寸；具有取决于颗粒、簇、团聚体等的尺寸的晶粒尺寸；等等)。在第二说明性实例中，硅材料的第一颗粒可以包括掺杂剂，并且硅材料的第二颗粒可以基本上没有掺杂剂(例如，包括小于阈值量，诸如小于1％、5％等的掺杂剂；没有可检测到的掺杂剂；等等)。在第三说明性实例中，与在靠近硅材料的中心区域(例如，大于距暴露的表面的阈值距离的区域)(诸如超出阈值距离没有掺杂剂)相比，在靠近硅材料的暴露(例如，暴露于外部环境、暴
露于内部空隙空间等)的表面(例如，在阈值距离诸如0.1纳米、0.5纳米、1纳米、2纳米、5纳米、10纳米、20纳米、50纳米等内)，掺杂剂可以具有更大的浓度。在第三说明性实例的变型中，可以存在掺杂剂的梯度，例如随着距硅材料的暴露的表面的距离增加，掺杂剂浓度降低。在第四说明性实例中(如例如图18a-图18d中所示)，可以组合第一说明性实例至第三说明性实例中的任何一个或全部。然而，掺杂剂可以以任何方式分布。
100.硅材料可以包括一种或更多种掺杂剂类型(例如，两种掺杂剂、三种掺杂剂、四种掺杂剂、五种掺杂剂、十种掺杂剂等)和/或任何合适的掺杂剂。
101.掺杂剂可以被有意地添加到硅材料中，可以偶然存在于硅材料中(例如，存在于二氧化硅前体中的掺杂剂仍然存在于所得的硅中)，和/或可以以其他方式引入或存在于硅材料中。
102.稳定剂300优选地用于增加硅材料的稳定性(例如，抗化学磨损的化学稳定性；抗机械磨损的机械稳定性；硅材料对膨胀/收缩、充电/放电和/或其他可循环过程的循环性；等等)。稳定剂可以另外地或可选择地改变硅材料的电性质(例如，容量)或其他性质，和/或可以以其他方式起作用。稳定剂通常不同于掺杂剂，但可以与掺杂剂是相同的。
103.稳定剂优选地为氧(例如，在硅材料内形成硅氧化物)，但是可以另外地或可选择地包括其他硫属元素(例如，硫、硒、碲、钋等)、磷属元素(例如，氮、磷、砷、锑、铋等)和/或任何合适的元素和/或分子(例如，一种或更多种掺杂剂材料)。稳定剂可以另外地或可选择地包括碳(例如，作为碳包覆层；诸如单层石墨烯、多层石墨烯、石墨、炭黑、无定形碳等)、锗、锡、铅和/或其他合适的元素、分子和/或材料。用作稳定剂的碳可以是纯碳和/或可以形成掺杂的物质或官能化的物质。掺杂的碳和/或官能化的碳的实例包括：碳的氧化物(例如，氧化石墨烯、氧化石墨等)、有机硫属元素(organochalcogens)(例如，有机硫属元素材料；包含硫、硒、钋等的碳材料；等等)、有机磷属元素(organopnictogen)(例如，有机磷属元素材料；包含氮、磷、砷、锑、铋等的碳材料)和/或形成掺杂的碳材料和/或官能化的碳材料的其他合适的元素和/或分子(例如，一种或更多种掺杂剂材料)。
104.稳定剂可以是天然的(例如，当硅材料暴露于包括氧的环境时在硅材料上形成的天然氧化物)、受控的(例如，以预定的量和/或方式引入)和/或可以以其他方式引入或存在(例如，作为来自二氧化硅前体的未反应的二氧化硅存在，存在于二氧化硅前体中，等等)。
105.硅材料中的稳定剂浓度(例如，质量浓度、体积浓度、化学计量浓度等)优选地为至多50％(例如，0％、1％、2％、5％、10％、20％、25％、30％、40％、50％，其间的值等)，但是可以大于50％。稳定剂浓度可以是指总稳定剂浓度(例如，当存在多于一种稳定剂时，对于所有稳定剂)、特定稳定剂浓度(例如，对于特定稳定剂)和/或任何合适的浓度。
106.稳定剂通常非均质地分布在硅材料内，但可以均质地分布和/或以任何方式分布。在第一说明性实例中，硅材料的颗粒可以包括一个或更多个包括稳定剂的晶粒(例如，具有在约10nm和10μm之间的晶粒尺寸；具有取决于颗粒、簇、团聚体等的尺寸的晶粒尺寸；等等)，和一个或更多个没有稳定剂(例如，包括小于阈值量，诸如小于1％、5％等的稳定剂；没有可检测到的稳定剂；等等)的晶粒(例如，具有在约10nm和10μm之间的晶粒尺寸；具有取决于颗粒、簇、团聚体等的尺寸的晶粒尺寸；等等)。在第二说明性实例中，硅材料的第一颗粒可以包括稳定剂，并且硅材料的第二颗粒可以基本上没有稳定剂(例如，包括小于阈值量，诸如小于1％、5％等的稳定剂；没有可检测到的稳定剂；等等)。在第三说明性实例中，与在
靠近硅材料的中心区域(例如，大于距暴露的表面的阈值距离的区域)相比，在靠近硅材料的暴露(例如，暴露于外部环境、暴露于内部空隙空间等)的表面(例如，在阈值距离诸如0.1纳米、0.5纳米、1纳米、2纳米、5纳米、10纳米、20纳米、50纳米等内)，稳定剂可以具有更大的浓度。在第三说明性实例的变型中，可以存在稳定剂的梯度，例如随着距硅材料的暴露的表面的距离增加，稳定剂浓度降低。在第四说明性实例中(如例如图18a-图18d中所示)，可以组合第一说明性实例至第三说明性实例中的任何一个或全部。然而，稳定剂可以以任何方式分布。
107.稳定剂的分布可以取决于和/或独立于掺杂剂的分布。例如，高掺杂剂浓度(例如，局部掺杂剂浓度)的区域可以具有高稳定化浓度。在另一个实例中，掺杂剂可以均匀地分布在颗粒中，并且稳定剂可以集中在晶粒中，在表面附近(例如，靠近外部环境的表面、暴露的表面等)，和/或可以以其他方式分布。
108.硅材料(和/或其颗粒)的外部膨胀(例如，体积膨胀、面积膨胀、沿着一个或更多个方向的线性膨胀等，诸如由锂化、热膨胀、金属化等引起)优选地小于约50％(例如，压缩诸如负膨胀，0％、5％、10％、20％、30％、40％、50％，其间的值或范围等)，但是可以大于50％。例如，可以通过在硅材料内实现内部膨胀(例如，内部空隙空间)来实现外部膨胀，其中硅材料可以在内部膨胀(例如，在外部膨胀之前、除了在外部膨胀之外、替代在外部膨胀等，诸如膨胀到靠近硅材料的外部环境中)。然而，可以以其他方式实现外部膨胀(例如，通过修改硅材料的晶格常数、密度或其他性质，通过适应应力，例如使用掺杂剂或掺杂剂颗粒来适应膨胀应力等)。在一些变型中，可以适应较大的外部膨胀。例如，颗粒内掺杂剂的存在可以使得能够适应较大的外部膨胀。
109.硅材料的外表面(例如，颗粒的外表面、颗粒的簇的外表面、颗粒和/或簇的团聚体的外表面等)的表面积优选地是小的(例如，小于约0.01m2/g、0.5m2/g、1m2/g、2m2/g、3m2/g、5m2/g、10m2/g、15m2/g、20m2/g、25m2/g、30m2/g、50m2/g、其值或在其范围之间)，但可以是大的(例如，大于10m2/g、15m2/g、20m2/g、25m2/g、30m2/g、50m2/g、75m2/g、100m2/g、110m2/g、125m2/g、150m2/g、175m2/g、200m2/g、300m2/g、400m2/g、500m2/g、750m2/g、1000m2/g、1250m2/g、1400m2/g、其间的范围或值、》1400m2/g)和/或任何合适的值。
110.硅材料的内部的表面积(例如，暴露于内部环境的表面，该内部环境通过外表面与外部环境隔开；暴露于内部环境的表面，该内部环境跨过外表面、内表面等与外部环境流体连通，诸如在颗粒内、协同地界定在颗粒之间、在颗粒的簇之间、在团聚体之间等)优选地是大的(例如，大于10m2/g、15m2/g、20m2/g、25m2/g、30m2/g、50m2/g、75m2/g、100m2/g、110m2/g、125m2/g、150m2/g、175m2/g、200m2/g、300m2/g、400m2/g、500m2/g、750m2/g、1000m2/g、1250m2/g、1400m2/g、其间的范围或值、》1400m2/g)，但可以是小的(例如，小于约0.01m2/g、0.5m2/g、1m2/g、2m2/g、3m2/g、5m2/g、10m2/g、15m2/g、20m2/g、25m2/g、30m2/g、50m2/g、其值或在其范围之间)。然而，内部的表面积可以高于或低于上述值，和/或可以是任何合适的值。
111.颗粒的形状可以另外地或可选择地是球状的(例如，圆球状、椭球状、如例如在图17a或图17c中所示等)；棒；薄片；星；柱；条；链；花；礁；须；纤维；盒；多面体(例如，立方体、矩形棱柱、三角形棱柱，如例如图17e中所示等)；具有蠕虫状形态(如例如图17b中所示，蛆型(verminform)等)；具有泡沫状形态；具有蛋壳形态；具有碎片状形态(例如，如例如图17d中所示)；和/或具有任何合适的形态。
112.颗粒100可以是纳米颗粒、微粒、介观颗粒、宏观颗粒和/或任何合适的颗粒。颗粒可以是离散的和/或连接的。在变型中，颗粒可以形成簇、聚集体、团聚体和/或任何合适的结构(例如，更高级的结构)。颗粒的特征尺寸优选地在约1nm至约2000nm之间，诸如2nm、5nm、10nm、20nm、25nm、30nm、50nm、75nm、100nm、125nm、150nm、175nm、200nm、250nm、300nm、400nm、500nm、1000nm或1500nm。然而，特征尺寸可以另外地或可选择地小于约1nm和/或大于约2000nm。在具体实例中，特征尺寸可以包括颗粒的半径、直径、周长、最长尺寸、最短尺寸、长度、宽度、高度、孔径、壳厚度和/或任何尺寸(size)或尺寸(dimension)。颗粒的特征尺寸优选地分布在尺寸分布上。尺寸分布可以是基本上均匀的分布(例如，盒式分布、平滑的均匀分布等，使得具有给定特征尺寸的颗粒的数量或颗粒的数量密度是近似恒定的)、威布尔分布、正态分布、对数正态分布、洛伦兹分布、voigt分布、对数双曲分布、三角形分布、对数拉普拉斯分布和/或任何合适的分布。
113.颗粒可以是独立的、成簇的、聚集的、团聚的、互连的，和/或具有任何合适的关联或连接。例如，颗粒(例如，一级结构)可以协同地形成二级结构(例如，簇)，二级结构可以协同地形成三级结构(例如，团聚体)。一级结构的特征尺寸(例如，半径、直径、最小尺寸、最大尺寸、周长、纵向跨度(longitudinal extent)、横向跨度、高度等)可以在约2nm-150nm之间。二级结构的特征尺寸可以是100nm-2μm。三级结构的特征尺寸可以在约1μm和10μm之间。然而，一级结构、二级结构和/或三级结构可以具有任何合适的跨度。
114.颗粒可以另外地或可选择地是实心的、中空的、多孔的，如例如图17a-图17e中所示，和/或具有任何结构。在一些实施方案中，颗粒可以在簇内协同地形成孔(例如，开放的内部体积、空隙空间等)。例如，由于不完美的填充效率(例如，小于最佳填充效率的填充效率)、由于颗粒的特征尺寸分布(例如，分布形状、分布尺寸等)，孔可以由在颗粒填充之后保留的空隙空间产生；和/或孔可以以其他方式产生。在相关的实例中，硅材料可以包括多孔颗粒，并且多孔颗粒可以协同地形成孔。颗粒内的孔分布可以与在颗粒之间协同地界定的孔基本上相同和/或不同(例如，不同的尺寸、不同的尺寸分布、不同的形状等)。孔分布(例如，在多孔颗粒内，协同地界定在孔之间等)可以具有在约0.1nm和约5μm之间的孔径(例如，平均尺寸(average size)、平均尺寸(mean size)等)，诸如0.2nm、0.5nm、1nm、2nm、5nm、10nm、20nm、25nm、30nm、40nm、50nm、75nm、100nm、150nm、200nm、300nm、400nm、500nm、750nm、1μm、1.5μm、2μm、3μm、4μm和/或5μm。然而，孔径可以小于0.1nm和/或大于5μm。孔径分布可以是单峰的(monomodal)或单峰的(unimodal)、双峰的、多峰的，和/或具有任何合适数量的模式。在具体实例中，孔径分布可以由以下项表示(例如，近似为以下项)：高斯分布、洛伦兹分布、voigt分布、均匀分布(例如，所有孔都在常见孔径的
±
1％、
±
2％、
±
5％、
±
10％、
±
20％、
±
30％等内)、平滑的均匀分布、三角形分布、威布尔分布、幂律分布、对数正态分布、对数双曲分布、偏斜对数拉普拉斯分布、非对称分布、偏斜分布和/或任何合适的分布。然而，孔可以通过任何合适的分布来描述。
115.每个颗粒可以与其他颗粒相同(例如，相同性质、在于共同性质分布的性质等)和/或不同(例如，包括由第一性质分布界定的第一多于一个颗粒和由第二性质分布界定的第二多于一个颗粒，其中第一分布和第二分布可以是不同的，诸如不同的特征值)。示例性的性质分布包括：尺寸分布(例如，特征尺寸、平均尺寸等)、形态(例如，形状)、组成(例如，硅、掺杂剂、稳定剂等的百分比)、表面积、外部膨胀和/或任何合适的性质。
116.硅材料可以任选地包括包覆层400，包覆层400可以用于改变(例如，调整、改善、改变、降低等)硅材料的物理性质、化学性质、电性质和/或其他性质。包覆层优选地设置在硅材料的外表面上，但是可以另外地或可选择地形成在硅材料的内表面上。包覆层优选地是均质的(例如，基本上均匀的表面覆盖；基本上均匀的厚度，诸如跨过硅材料变化至多1％、2％、5％、10％、20％等；如例如图19中所示；等等)，但可以是非均质的(例如，图案化，在给定的颗粒上、在颗粒之间、在给定的簇上、在簇之间、在团聚体上、在不同的团聚体之间等)。
117.在一些变型中，硅材料的掺杂剂可以导致(例如，促进)更加均质的包覆层。在说明性实例中，碳掺杂剂(特别是在颗粒表面附近的掺杂剂)可以充当包覆层生长位点(其中包覆层生长然后可以从生长位点传播)。在另一个说明性实例中，非均质的掺杂剂分布可以导致非均质的包覆层(例如，其中包覆层可以与掺杂剂分布部分地匹配)。在另一个说明性实例中，碳掺杂剂可以扩散到硅材料的表面(例如，靠近硅材料的表面，在硅材料的表面的阈值距离内等)，这可以促进共形碳包覆层(例如，具有石墨烯、石墨、无定形碳等)。
118.包覆层厚度优选地是优选地在约0.3nm-10nm之间的值或其范围，诸如0.3nm、0.345nm、0.7nm、1nm、2nm、2.5nm、3nm、4nm、5nm、6nm、7nm、8nm、9nm、10nm和/或其间的值。然而，包覆层厚度可以小于1nm或大于10nm。包覆层厚度可以是基本上相同的，和/或在硅材料的跨度内变化。包覆层厚度可以被选择成允许离子(例如，li
+
离子)和/或其他材料(例如电解质)穿透包覆层；是离子不可穿透的；可以包括一个或更多个孔和/或穿孔，以使材料能够穿过(例如，在预定的位置处)和/或电解质和/或以其他方式可渗透一种或更多种物质。包覆层厚度可以取决于包覆层材料、硅材料(例如，掺杂剂浓度、稳定材料浓度、掺杂剂材料、稳定剂材料、稳定剂层或包括稳定剂的层的厚度等)、硅材料的目标阳极性质(例如，容量)、硅材料的目标应用和/或以其他方式取决于硅材料。
119.包覆层材料优选地是碳质的，但可以另外地或可选择地包括金属(例如，锂、钠、镁等)、氧化物(例如，sio
x
)、无机聚合物(例如，聚硅氧烷)、金属聚合物和/或任何合适的材料。碳质材料的实例包括：有机分子、聚合物(例如，聚乙烯(pe)、聚丙烯(pp)、聚氯乙烯(pvc)、聚苯乙烯(ps)、聚氨酯(pu)、聚酰胺、聚丙烯腈(pan)、聚丙烯酰胺、聚乳酸、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、酚醛树脂、聚吡咯、聚对苯乙炔、聚乙炔、聚芴、聚亚苯基、聚芘、聚薁、聚萘、聚咔唑、聚吲哚、聚氮杂环庚三烯、聚苯胺、聚噻吩、聚苯硫醚、聚(3,4-亚乙基二氧基噻吩)，再循环的聚合物等)；无机碳(例如，无定形碳、木炭、金刚石、石墨、石墨烯、纳米棒等)，和/或任何合适的碳质材料。
120.包覆层材料可以任选地被环化(例如，交联)，这可以用于提高包覆层的稳定性，形成碳纤维，和/或可以以其他方式起作用。例如，当包覆层材料包括pan时，pan可以被环化(例如，热环化，诸如在约100℃-500℃之间的温度，持续在约0.5小时和24小时之间的持续时间)。然而，任何合适的包覆层材料都可以被环化。
121.在一些实施方案中，硅材料可以具有与针对在标题为“porous silicon and method of manufacture”并于2021年5月17日提交的美国专利申请第17/322,487号中公开的硅材料所描述的结构基本上相同的结构(特别地但不排他地为内部结构)，该美国专利申请通过引用以其整体并入。然而，硅材料可以具有任何合适的结构。
122.在说明性实例中，颗粒可以包括大部分的硅(例如，按质量计、按体积计、按化学计量计、按原子数计等至少50％的si)、碳掺杂剂(例如，其中颗粒可以具有按质量计、按体积
计、按化学计量计、按原子数计等在约0％和45％之间的碳浓度)和氧稳定剂(例如，其中颗粒可以具有按质量计、按体积计、按化学计量计、按原子数计等在约5％和50％之间的稳定剂浓度)。然而，颗粒可以包括以任何合适浓度的任何合适的成分(例如，杂质、另外的或可选择的掺杂剂等)，并且可以用于任何合适的目的(例如，稳定剂可以用作添加剂，诸如以稳定颗粒或分散体；用于改变颗粒的机械性质、电性质或其他性质；等等)。
123.在第二说明性实例中，硅材料可以是或可以包括多孔碳注入的硅、多孔碳装饰的硅结构、多孔硅碳杂化物、多孔硅碳合金、多孔硅碳复合材料、硅碳合金、硅碳复合材料、碳装饰的硅结构、碳注入的硅、金刚砂、碳化硅，和/或硅、碳和/或氧的任何合适的同素异形体或混合物。例如，硅材料的元素组成可以包括sioc、sic、si
xox
c、si
xoxcy
、sio
xcy
、si
xcy
、sio
x
、si
x
oy、sio2c、sio2c
x
、siocz、sicz、si
x
oycz、si
xoxcxzx
、si
xcx
zy、sio
xzx
、si
xox
zy、sio2cz、sio2c
x
zy，和/或具有任何合适的组成(例如，包括另外的元素)，其中z可以是指周期表中的任何合适的元素，并且x和/或y可以是相同的或不同的，并且可以各自在约0.001和2之间(例如，0.001、0.005、0.01、0.05、0.1、0.5、1、2、0.001-0.05、0.01-0.5、0.01-0.1、0.001-0.01、0.005-0.1、0.5-1、1-2，其间的值或范围等)、小于0.001或大于2。
124.4.方法.
125.用于制造硅材料的方法20可以包括将二氧化硅还原为硅s250。制造方法可以任选地包括纯化二氧化硅s210，将二氧化硅暴露于反应改性剂s220，纯化二氧化硅和反应改性剂的混合物s230，粉碎二氧化硅s240，纯化硅s260，包覆硅s270，和/或任何合适的步骤。制造方法优选地用于制造多孔硅材料(例如，海绵硅材料)，诸如上文描述的硅材料。然而，制造方法可以用于产生任何合适的材料。
126.制造方法优选地使用不纯的二氧化硅(例如，具有小于约99％的sio2含量的二氧化硅)作为起始材料。然而，制造方法可以使用纯化的二氧化硅(例如，具有大于约99％的sio2含量的二氧化硅)和/或任何合适的硅氧化物起始材料。起始材料优选地是来自不同工艺的废料剩余物(waste material leftover)。然而，起始材料可以是开采的、预加工的二氧化硅、再循环的二氧化硅、采集的二氧化硅和/或任何合适的起始材料。二氧化硅起始材料可以作为粉末、粉尘、浆料、胶体、悬浮液、溶液、分散体提供，和/或以任何合适的形式提供(例如，在该工艺的一个或更多个步骤中)。起始材料的实例包括：热解法二氧化硅、热解法二氧化硅、二氧化硅分散体(例如，分散在溶剂诸如水中的热解法二氧化硅；热解法二氧化硅；等等)、热解法二氧化硅、二氧化硅、硅灰、沉淀二氧化硅、硅胶、热解法二氧化硅、orisil热解法二氧化硅、热解法二氧化硅、热解法二氧化硅、zandosil热解法二氧化硅、焦化二氧化硅(pyrogenic silica)、二氧化硅气凝胶、分解的硅胶、二氧化硅珠、硅砂、玻璃纤维和/或任何合适的二氧化硅源。
127.二氧化硅起始材料优选地包括纳米颗粒(例如，按纳米颗粒接收)。然而，二氧化硅起始材料可以被转化成纳米颗粒，包括介观颗粒、微粒、宏观颗粒，和/或具有任何形态。二氧化硅起始材料的特征尺寸(feature size)(例如，特征尺寸(characteristic size))优选地在1nm和500nm之间，但可以小于1nm或大于500nm。制造方法优选地将二氧化硅(例如，二氧化硅纳米颗粒)转化为硅(例如，硅纳米颗粒)。从二氧化硅到硅的转化可以基本上保持
原始起始材料的结构(例如，硅材料特征诸如一级结构特征可以具有与二氧化硅起始材料基本上相同的形状、尺寸和/或互连性)，和/或可以改变原始起始材料的结构(例如，硅纳米颗粒可以熔合，而初始二氧化硅纳米颗粒可以是独立的)。然而，转化可以以其他方式将二氧化硅转化为硅(例如，二氧化硅结构可以蒸发、溶解，和/或以其他方式分解并重新形成为硅结构)。
128.二氧化硅起始材料的颗粒优选地在约1nm和10μm之间，但可以包括小于1nm或大于10μm的颗粒。二氧化硅颗粒的尺寸分布可以是如上面针对硅的一级特征尺寸分布所描述的任何尺寸分布，和/或任何尺寸分布。颗粒可以是球状的(例如，圆球状、椭球状等)、不规则的、板、蠕虫状、海绵状、泡沫状、互连的球体，具有如针对硅颗粒所描述的形状，具有如例如图11a、图12a、图13a、图14a、图15a和图16a中所示的形态，和/或具有任何形状。在一些变型中，具有不同形态的二氧化硅颗粒可以组合(例如，混合)在一起，以在二氧化硅起始材料或所得的硅中提供混合或组合的结构(如例如图11a和图11b中所示)。
129.在变型中，二氧化硅颗粒可以聚集成簇、团聚体、二级颗粒和/或三级颗粒。二氧化硅聚集体可以具有在约20nm和100μm之间的聚集体尺寸，但聚集体尺寸可以小于20nm或大于100μm。聚集体尺寸分布可以是如上面针对二级结构特征和/或三级结构特征所描述的尺寸分布，和/或具有任何聚集体尺寸分布。当二氧化硅颗粒聚集成大于预定尺寸的聚集体时，方法可以任选地包括粉碎聚集体(例如，使用s240中描述的方法)以产生更小的起始材料。
130.起始二氧化硅的纯度优选地在约80％至95％二氧化硅和/或硅氧化物之间(例如，大于、小于或等于80％、82％、85％、87％、90％、92％、94％、95％或其间的范围等)。然而，起始二氧化硅的纯度可以小于80％和/或大于95％。起始材料的剩余部分可以包括碱金属、碱土金属、过渡金属、后过渡金属、准金属、镧系元素、锕系元素、非金属、其组合和/或任何合适的杂质。杂质(例如，剩余部分)的具体实例可以包括：氧化物(例如，硫氧化物，诸如so、so2、so3、s7o2、s6o2、s2o2等；氧化钠；氧化钾；氧化铝；铁氧化物诸如feo、fe3o4，fe2o3等；氧化镁；水；氮氧化物诸如no、no2、no3、n2o、n2o2、n2o3、n2o4、n2o5等；等等)、氯化物(例如，氯化钠、氯化钾、氯气等)、碳质材料(例如，有机碳、无机碳、无定形碳等)、硅和/或其他杂质。二氧化硅起始材料的纯度水平可以影响所得的硅产物(例如，特征尺寸诸如一级特征尺寸、二级特征尺寸和/或三级特征尺寸；形态；等等)。例如，起始材料的熔点可以取决于杂质类型(例如，特定元素)和/或量。在说明性实例中，当硅原子百分比为1.45％时，mg-si合金的熔点(共晶点)为637.4℃，并且当硅原子百分比为54.12％时，mg-si合金的熔点(共晶点)为946.5℃。当一种或更多种杂质被并入到起始材料中时，各个共晶点可以将起始材料的熔点进一步降低(或增加)(例如，基于合金空间分布在空间上或局部地改变熔点；改变整个起始材料的熔点；等等)。因此，在一些变型中，一种或更多种杂质可以被引入(和/或可以不除去)以控制(例如，降低、增加)加工温度、控制(例如，降低或增加)加工时间、改变多孔结构，和/或以其他方式影响所得的硅。
131.二氧化硅起始材料可以具有低表面积(例如，小于约1m2g-1
、2m2g-1
、5m2g-1
、10m2g-1
、25m2g-1
、50m2g-1
等)或高表面积(例如，大于约25m2g-1
、30m2g-1
、50m2g-1
、75m2g-1
、100m2g-1
、150m2g-1
、200m2g-1
、500m2g-1
、750m2g-1
、1000m2g-1
、1500m2g-1
、2000m2g-1
等)。在一些变型中，具有低表面积的起始材料可以提供对加工参数(例如，温度、压力等)要求不太严格的控制的
益处。在一些变型中，具有高表面积的起始材料可以提供具有较大表面积的成品材料的益处。在变型中，具有高表面积的起始材料可以通过严格控制加工参数(例如，温度、温度梯度、压力、反应完成、反应容器设计、材料的混合程度等)来生产更好的加工的材料。然而，成品材料在任何加工参数的情况下可以具有合适的性质。
132.二氧化硅起始材料的孔隙率优选地在约5％和90％之间，但可以小于5％或大于90％。孔隙率可以取决于二氧化硅形态(例如，颗粒尺寸、特征尺寸、形状等)、二氧化硅源、二氧化硅中的杂质和/或任何合适的性质。二氧化硅起始材料的孔体积优选地在约0.02cm3g-1
和2cm3g-1
之间，但可以小于0.02cm3g-1
或大于2cm3g-1
。二氧化硅起始材料的孔径优选地在约0.5nm和200nm之间，但孔径可以小于0.5nm或大于200nm。孔径分布可以与上面针对硅材料所描述的相似和/或相同，和/或可以是任何合适的孔径分布。
133.二氧化硅起始材料的振实密度(tap density)优选地在约0.01g cm-3
和5g cm-3
之间(例如，0.02g cm-3
、0.05g cm-3
、0.1g cm-3
、0.2g cm-3
、0.5g cm-3
、1g cm-3
、2g cm-3
等)，但振实密度可以小于0.01g cm-3
或大于5g cm-3
。
134.方法可以作为分批工艺、连续工艺、辊对辊工艺、桶式工艺(barrel process)、实验室规模和/或以任何合适的规模和/或加工方法进行。方法优选地在反应容器(例如，将内部发生的反应与靠近反应容器的外部环境分开的容器；在容器内保持基本上均匀的反应条件诸如温度、压力、试剂浓度等的容器；等等)中进行。然而，方法可以暴露于大气进行和/或在任何合适的容器中进行。反应容器优选地，但不是必须地，被配置成能够在反应期间实现散热。反应容器可以包括搅拌机构或搅动机构，搅拌机构或搅动机构用于在还原期间移动一种或更多种反应物(例如，二氧化硅、反应改性剂等)。搅拌机构或搅动机构的实例包括：鼓风机、风扇、叶片、桨、搅拌棒(例如，磁力搅拌器)、摇动器、扬声器(speaker)和/或任何合适的机构。在第一说明性实例中，该方法和/或其步骤可以在600升或更大的桶(例如，不锈钢桶)中进行，其中所述桶可以被打开或密封。在第二说明性实例中，该方法和/或其步骤可以在炉(例如，管式炉)内的托盘中进行，其中托盘的深度可以在约1mm至约5英寸之间。在第三说明性实例中，该方法和/或其步骤可以使用带式炉(例如，其中材料在带上铺展)来进行。在第四说明性实例中，该方法和/或其步骤可以在烘箱(例如，炉)中进行，其中二氧化硅起始材料可以从开口(例如，在烘箱的顶部中，在烘箱的侧面中)加入到烘箱中，并且一种或更多种反应改性剂(例如，还原剂，诸如镁或铝)可以作为蒸气设置在烘箱室内。在该说明性实例中，二氧化硅可以在反应期间移动(例如，搅拌、吹送等)。然而，该方法可以以任何合适的规模和/或以任何方式进行。
135.任选地，纯化二氧化硅起始材料s210用于从二氧化硅起始材料中除去一种或更多种杂质。杂质可以包括分子杂质(例如，非硅衍生的材料、有机材料等)、粉尘、油、溶剂、金属、污垢、加工化学品(例如，来自上游工艺)和/或任何合适的材料。纯化二氧化硅起始材料可以包括洗涤起始材料、蚀刻起始材料(例如，选择性地蚀刻杂质)、使用相变(例如，使起始材料和/或杂质熔化、冷冻、蒸发、升华、冷凝、失去升华等)、离心起始材料和/或以其他方式纯化起始材料。
136.纯化起始材料可以在纯化温度进行。纯化温度优选地在约0℃和100℃之间，但可以小于0℃或大于100℃。纯化温度优选地小于二氧化硅的临界温度(例如，熔化温度、退火温度、相变温度等)，但可以大于临界温度。
137.纯化工艺可以进行持续在约1分钟至约72小时的纯化时间。然而，纯化工艺可以进行持续少于一分钟或超过72小时。
138.纯化工艺可以被重复(例如，2x、3x、5x、10x等)，其可以用于进一步改进起始材料的纯度、除去另外的杂质，和/或以其他方式起作用。重复的纯化工艺可以是相同的(例如，相同的工艺、相同的温度、相同的持续时间、相同的溶剂等)和/或不同的(例如，在不同的温度进行，持续不同的持续时间，使用不同的工艺，不同的溶剂等)。
139.在优选的实施方案中，纯化起始材料可以包括用溶剂洗涤(例如，冲洗、浸泡等)起始材料。可以使用的溶剂的实例包括：水、醇(例如，甲醇、乙醇、1-丙醇、2-丙醇、1-丁醇、2-丁醇、异丁醇、叔丁醇、二醇、三醇、糖醇等)、醚(例如，二甲醚、二乙醚、甲基乙醚等)、酯、醛、酮(例如，丙酮)、卤化的溶剂(例如，氯甲烷、二氯甲烷、氯仿、四氯化碳、溴甲烷、二溴甲烷、溴仿、四溴化碳、碘甲烷、二碘甲烷、碘仿、四碘化碳、二氯乙烷、二溴乙烷等)和/或任何合适的溶剂。
140.在该实施方案的一些变型中，起始材料可以用酸性溶液和/或碱性溶液洗涤(例如，除了使用溶剂之外或代替使用溶剂)。可以使用的酸的实例包括：氢氟酸、盐酸、氢溴酸、氢碘酸、硫酸、硝酸、亚硝酸、乙酸、碳酸、草酸、磷酸、柠檬酸、三氟乙酸、高氯酸、高溴酸、高碘酸、食人鱼酸(acid piranha)(例如，硫酸和过氧化氢的混合物)和/或任何合适的酸。碱性溶液的实例可以包括：氢氧化锂、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化铷、氢氧化铯、氢氧化铍、氢氧化镁、氢氧化钙、氢氧化锶、氢氧化钡、氢氧化铵、食人鱼碱(basic piranha)(例如，氢氧化物和过氧化氢的混合物)和/或任何合适的碱。酸溶液或碱溶液优选地具有在约1m和12m之间的浓度。然而，溶液可以具有小于1m的浓度、大于12m的浓度，可以是完全地浓缩的(例如，浓度为18.4m的硫酸、溶解在水中至17.6m的浓度的氢氧化钠等)，和/或具有任何合适的浓度。在这些变型中，洗涤起始材料可以包括中和起始材料。中和可以包括加入酸(例如，弱酸诸如柠檬酸、低浓度酸等)、加入碱(例如，弱碱诸如氢氧化钠、低浓度碱等)、稀释起始材料(例如，用溶剂诸如水连续稀释)和/或以其他方式中和起始材料。
141.在一些变型中，s210可以包括干燥起始材料，其用于从起始材料中除去残余溶剂。干燥起始材料可以包括加热起始材料(例如，高于溶剂沸点，在溶剂沸点的50℃内等)、降低靠近起始材料的大气压(例如，施加真空)、在起始材料上方吹空气或另一种气体(例如，干燥空气)、用具有较低的蒸气压的溶剂(例如，与第一溶剂混溶并且具有比第一溶剂低的蒸气压的第二溶剂)冲洗和/或以其他方式干燥起始材料。在说明性实例中，起始材料可以在80℃在真空中(例如，压力在约10-10
毫巴至约1000毫巴之间)干燥持续在约1小时和24小时之间。然而，起始材料可以在约0℃和100℃之间、小于0℃和/或大于100℃的温度干燥。然而，起始材料可以以任何方式干燥。
142.在s210的第一示例性实例中，起始材料可以在约20℃和75℃之间的温度用浓度在约6m和12m之间的盐酸溶液洗涤。
143.在s210的第二示例性实例中，可以用诸如水、乙醇、异丙醇和/或丙酮的溶剂洗涤起始材料。可以用溶剂依次地(例如，以极性增加和/或降低的顺序)和/或同时地(例如，使用溶剂混合物)洗涤起始材料。在该具体实例中，起始材料可以在约60℃和100℃之间的温度的烘箱中干燥持续在1-24小时之间。
144.然而，起始材料可以以任何方式纯化。
145.将二氧化硅暴露于一种或更多种反应改性剂s220用于引入一种或更多种反应改性剂，反应改性剂影响和/或引导二氧化硅还原为硅。反应改性剂可以改变反应动力学、改变反应热力学、增强反应的均匀性、改变反应温度、改变反应产物或副产物、改变反应压力和/或以其他方式改变反应。暴露二氧化硅可以包括：混合、组合、沉积(例如，滴铸、旋涂、化学气相沉积(cvd)、溅射沉积等)和/或以其他方式将二氧化硅暴露于反应改性剂。未纯化的二氧化硅(例如，二氧化硅起始材料)和/或纯化的二氧化硅(例如，通过s210加工的二氧化硅)可以暴露于反应改性剂。s220优选地在s210之后进行，但s220可以在s210之前和/或与s210同时进行。反应改性剂的实例包括盐、催化剂、还原剂、氧化剂、聚合物、导电添加剂和/或其他物质。
146.反应改性剂和二氧化硅可以均质地混合或非均质地混合。反应改性剂可以部分地或完全地包覆二氧化硅中的一些或全部，填充(例如，二氧化硅一级结构、二级结构和/或三级结构的)预定比例的二氧化硅孔，保持在二氧化硅结构之外和/或以其他方式与二氧化硅连接。然而，反应改性剂和二氧化硅可以以其他方式彼此暴露和/或彼此界面连接。非均质的混合物可以通过不完全混合、分层材料来提供和/或以其他方式实现。在说明性实例中，层状反应材料可以包括还原剂层，其中盐层在还原剂层上，其中二氧化硅层在盐层上方。然而，不同的材料可以以任何顺序提供。可以使用较小的还原剂颗粒尺寸、更完全的混合(例如，更长的混合时间)促成均质混合物和/或可以以其他方式提供均质混合物。
147.反应改性剂和二氧化硅可以干法混合(例如，涡流、球磨等)或湿法混合(例如，溶解和/或悬浮在水或另一种合适的溶剂中)。反应改性剂和二氧化硅的相对量和/或混合程度可以影响最终的硅产物(例如，形态、均匀性、结构等)。在第一说明性实例中，当使用较大目数的还原剂和/或不使用盐包覆层时，与当使用较小目数的还原剂和/或盐包覆层时相比(例如，较小的目数可以导致更多独立的硅颗粒)，所得的硅材料可以包括更加互连的颗粒网络和/或更大的硅颗粒尺寸(例如，更大的特征尺寸)。在相关的实例中，当使用较大目数的还原剂和/或较大的颗粒尺寸的还原剂时，硅的收率和/或还原效率可以比当使用较小目数的还原剂和/或较小的颗粒尺寸的还原剂时更小。在第二说明性实例中，当盐包覆二氧化硅时，所得的硅颗粒可以包括比不使用盐和/或盐和二氧化硅的固体混合物时更多的独立的颗粒和/或更小的硅颗粒。在相关的实例中，当使用较小的盐颗粒(例如，盐包覆层、粉碎的盐等)时，硅收率和/或反应效率可以比使用较大的盐颗粒(例如，按原样收到的盐，无盐)时大。然而，最终的硅产物和/或反应收率可以独立于反应改性剂和二氧化硅的相对量和/或混合程度。
148.二氧化硅与反应改性剂的比(例如，质量比、体积比、化学计量比等)可以是在约1000:1至约0.001:1之间的任何值或范围，诸如100:1、10:1、5:1、4:1、3:1、2:1、1:0.7、1:1、1:1.2、0.9:1、0.8:1、0.75:1、0.7:1、0.6:1、0.5:1、0.4:1、0.3:1、0.25:1、0.2:1、0.1:1、0.01:1，和/或其间的任何范围。该比可以是二氧化硅与每种反应改性剂、所有反应改性剂、特定反应改性剂的比，或者可以以其他方式定义。然而，一种或更多种反应改性剂与二氧化硅可以具有的比大于约1000:1或小于约1:1000。然而，二氧化硅与反应改性剂的比可以是任何合适的比。
149.在s220的第一实施方案中，二氧化硅可以暴露于一种或更多种盐。盐可以用于产生更均匀的还原环境(例如，在s250期间；诸如均匀的温度、均匀的压力、均匀的试剂浓度
等)。盐可以包括任何合适的阳离子和阴离子。阳离子的实例包括：金属离子、铵、季铵、吡啶鎓、组氨鎓(histidinium)和/或任何合适的阳离子。阴离子的实例包括：卤化物、乙酸根、碳酸根、柠檬酸根、氰化物、硝酸根、亚硝酸根、硫酸根、亚硫酸根、磷酸根、氢氧根、硫属化物、磷属化物(pnictogenide)和/或任何合适的阴离子。盐的具体实例包括但不限于：licl、libr、lii、nacl、nabr、nai、kcl、kbr、ki、rbcl、rbbr、rbi、cscl、csbr、csi、becl2、bebr2、bei2、mgcl2、mgbr2、mgi2、cacl2、cabr2、cai2、srcl2、srbr2、sri2、bacl2、babr2、bai2和/或其组合。
150.在第一实施方案的第一变型中，如例如图10a中所示，盐和二氧化硅可以混合(例如，以固态混合)，以形成盐和二氧化硅的基本上均质的固体混合物。在相关的变型中，盐和二氧化硅可以在溶剂中混合，其中盐和二氧化硅基本上是不溶的(例如，溶解1质量份的盐或二氧化硅所需的溶剂大于约1000质量份)；并且可以除去溶剂(例如，通过倾析、离心、蒸发等)。
151.在第一实施方案的第二变型中，如例如图10b中所示，盐可以包覆二氧化硅，这可以具有以下益处：针对二氧化硅提供更均匀的还原环境(例如，比无盐的还原环境更均匀，比盐和二氧化硅的固态混合物更均匀，等等)。在具体实例中，盐包覆的二氧化硅可以通过以下步骤来制备：在溶剂中混合盐和二氧化硅，其中二氧化硅基本上是不溶的并且盐是可溶的(例如，溶解1质量份的盐所需的溶剂少于约1000质量份)；以及蒸发溶剂。然而，盐可以另外地或可选择地使用沉积(例如，溅射、cvd、ald等)和/或任何包覆方法来包覆。
152.在s220的第一实施方案的第三变型中，样品可以包括盐包覆的二氧化硅和游离的盐的混合物(例如，s220的第一实施方案的第一变型和第二变型的组合)。然而，二氧化硅可以以任何方式暴露于一种或更多种盐。
153.在s220的第二实施方案中，二氧化硅可以暴露于一种或更多种还原剂。还原剂可以用于将二氧化硅还原成硅。还原剂的实例包括：碱金属、碱土金属、准金属、过渡金属、氢化物(例如，lih、nah、kh、lialh4、nabh4、n2h2等)、羧酸(例如，草酸、甲酸、抗坏血酸等)、磷属元素(例如，氮、磷、砷、锑、铋、亚磷酸(phosphite)、次亚磷酸、亚磷酸(phosphorous acid)等)、其组合，和/或任何合适的还原剂。还原剂优选地与二氧化硅均质地混合(例如，以固态混合)，但可以与二氧化硅非均质地混合、包覆二氧化硅和/或以其他方式暴露于二氧化硅。还原剂优选地为粉末，但可以另外地或可选择地为片材、纳米材料、固体(例如，网格、表面等)、液体、气体和/或具有任何合适的形态和/或相。例如，还原剂可以包括镁、铝、钙、锂和/或钛。还原剂可以作为这样的颗粒提供，所述颗粒具有在约20μm和400μm(分别对应于635至40的目数)之间的任何合适的尺寸。然而，颗粒可以小于20μm、大于400μm和/或具有任何合适的尺寸和/或尺寸分布。还原剂颗粒(和/或任何还原材料)的尺寸可以用于改变和/或影响最终硅材料(例如，s250的产物)。例如，当使用较小目数的还原剂时，所得的硅颗粒可以包括比使用较大目数的还原剂时更多的独立的颗粒(例如，较大的目数可以导致更加互连的硅材料)。然而，还原剂的尺寸可以对所得的硅材料产生任何合适的结果。然而，可以使用任何合适的还原剂。
154.在s220的第三实施方案中，二氧化硅可以包覆有保护性添加剂和/或包括保护性添加剂。保护性添加剂可以用于抑制或减慢还原剂扩散到二氧化硅表面。保护性添加剂的实例可以包括：钠、碳质材料(例如，无定形碳、多孔碳、纳米碳等)、聚合物(例如，聚吡咯、聚
丙烯腈、树脂等)和/或任何合适的材料。保护性添加剂可以使用cvd、喷涂、浸涂、旋涂、如s270中所描述的包覆工艺和/或以任何方式施加和/或产生。
155.在s220的第四实施方案中，二氧化硅可以暴露于添加剂或添加剂前体。将二氧化硅暴露于添加剂和/或添加剂前体可以用于提供一种或更多种物质，所述物质可以经历还原(例如，在步骤s230至步骤s280中的任一步骤期间)以向硅材料提供包覆层和/或其他添加剂。添加剂前体的实例包括碳源(例如，聚合物、碳质材料等)、锂源(例如，锂盐)、氧源(例如，氧化剂)和/或任何合适的添加剂源。添加剂和/或添加剂前体可以与二氧化硅混合、包覆二氧化硅、与二氧化硅接触、邻近二氧化硅和/或以其他方式联接到二氧化硅。
156.在s220的第五实施方案中，二氧化硅可以暴露于盐、还原剂、保护性添加剂和/或添加剂前体(例如，s220的第一实施方案、第二实施方案、第三实施方案和第四实施方案不相互排斥)。
157.然而，二氧化硅可以暴露于任何合适的反应改性剂。
158.纯化二氧化硅和反应改性剂s230可以用于从来自s220和/或s240的二氧化硅和反应改性剂混合物中除去一种或更多种杂质。s230可以以如s210中所描述的任何方式和/或以任何方式来进行。
159.粉碎二氧化硅s240用于改变二氧化硅和/或反应改性剂的尺寸和/或尺寸分布。s240可以另外地或可选择地用于混合二氧化硅和反应改性剂，将二氧化硅的二级颗粒和/或三级颗粒(例如，以与上文针对硅的方式相似的方式定义)分离成一级二氧化硅颗粒，和/或执行任何合适的功能。s240可以在s210、s220和/或s230之前、期间和/或之后进行。在说明性实例中，s240可以在二氧化硅已经被暴露于盐之后进行，例如，以粉碎二氧化硅和盐两者。在第二示例性实例中，s240可以在二氧化硅已经被暴露于还原剂之前进行。然而，s240可以在相对于s220的任何时间进行。粉碎二氧化硅的实例包括：研磨、切割、压碎、振动、碾磨和/或改变二氧化硅和/或反应改性剂的尺寸的其他工艺。
160.s240的变型可以包括球磨(例如，棒磨机、艾砂磨机(isamill)、行星式球磨机等)、研磨、压碎(例如，ag磨机、sag磨机、pebble磨机等)、声处理、冲压碾磨、使用碎金研磨机(arrastra)和/或其他碾磨技术。在说明性实例中，二氧化硅可以以在约100rpm和600rpm之间的速度以在约0.25mm和约20mm之间的珠尺寸(bead size)被球磨持续在约1和12小时之间的持续时间。然而，二氧化硅可以以小于0.25mm的珠尺寸或大于20mm的珠尺寸被球磨；二氧化硅可以被球磨持续小于1小时或大于12小时的持续时间；和/或二氧化硅可以以小于100rpm或大于600rpm的速度球磨。在第二说明性实例中，二氧化硅(具有或不具有反应改性剂)可以用在约1w和3000w之间的声处理功率进行声处理(例如，使用超声浴、喇叭超声器等)。第二说明性实例可以提供在二氧化硅起始材料中均质地分散二氧化硅和/或破碎聚集体(例如，簇、团聚体等)的益处。然而，s240可以包括任何合适的工艺。
161.还原二氧化硅s250用于将二氧化硅还原成硅。s250可以另外地或可选择地用于氧化和/或还原反应改性剂(例如，还原聚合物以形成碳)、起始材料的其他组分(例如，杂质、添加剂等)和/或执行另一种功能。所得的硅优选地基本上保持二氧化硅和/或起始材料的形态(例如，硅具有与二氧化硅基本上相同的尺寸、球形度、圆度、孔隙率等)，但可以可选择地具有不同的形态(例如，相邻的颗粒合并成互连的网络；不同的孔隙率等)，或者可以以其他方式关联。
162.在二氧化硅和反应改性剂被还原的变型中，还原条件优选地是相同的以还原二氧化硅和反应改性剂，但还原条件可以是不同的以还原二氧化硅和反应改性剂。二氧化硅优选地在还原剂的存在下被还原，但也可以在没有还原剂的情况下被还原。s250可以包括还原纯化的二氧化硅(例如，来自s210或s230)、未纯化的二氧化硅、暴露于盐的二氧化硅、暴露于还原剂的二氧化硅、二氧化硅起始材料和/或任何合适的二氧化硅。在包括s220的方法20的变型中，s250优选地在s220之后进行(例如，在s230或s240之后进行)，但可以与s220同时进行。s250优选地在反应容器中进行，但可以在任何合适的容器中进行和/或暴露于周围环境。
163.还原可以达到在约50％和100％之间的任何完成程度(例如，转化为硅的初始二氧化硅材料的分数)，诸如60％、70％、75％、80％、85％、90％、95％、97.5％、98％、99％、99.5％、99.9％或99.99％。然而，完成程度可以低于50％。残余氧含量(例如，诸如摩尔含量、质量含量、体积含量等；作为sio
x
；作为游离氧；作为氧化物副产物诸如mgo、na2o等；等等)可以在0％和50％之间。然而，残余氧含量可以大于50％。硅收率(例如，质量百分比)可以在5％和80％之间(例如，在9％和79.4％、17％和58.2％、23％和46.7％等之间)。然而，硅收率可以小于5％或大于80％。
164.在还原期间，靠近二氧化硅的环境优选地是惰性的(例如，反应容器内的环境是惰性的，邻近二氧化硅的气幕(gas curtain)保持惰性气氛，等等)。惰性气氛的实例包括氮气、二氧化碳、氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氡气、其组合、真空环境(例如，真空压力小于约1个大气压，诸如10-10
毫巴、10-9
毫巴、10-8
毫巴、10-7
毫巴、10-6
毫巴、10-5
毫巴、10-4
毫巴、10-3
毫巴、10-2
毫巴、10-1
毫巴、1毫巴、10毫巴、100毫巴、1000毫巴等)和/或任何合适的惰性气体或惰性环境。然而，环境可以另外地或可选择地是还原环境(例如，包括还原气体，诸如氢气、二氧化硫、一氧化碳、二硼烷、气化的金属等)、氧化环境(例如，包括一种或更多种氧化剂，诸如以使一种或更多种还原剂再生)和/或具有任何合适的气氛。
165.反应容器内的压力可以小于大气压(例如，小于1个大气压，诸如10-10
毫巴、10-9
毫巴、10-8
毫巴、10-7
毫巴、10-6
毫巴、10-5
毫巴、10-4
毫巴、10-3
毫巴、10-2
毫巴、10-1
毫巴、1毫巴、10毫巴、100毫巴、1000毫巴等)、大于大气压(例如，大于1个大气压，诸如3000毫巴、5000毫巴、10巴、30巴、50巴、100巴、300巴、500巴、1000巴等)和/或等于大气压。在一些变型中，压力可以循环和/或改变。在这些变型中，压力可以逐渐地(例如，连续地、半连续地)和/或突然地(例如，不连续地)变化。例如，压力可以从高于大气压开始(例如，具有引入的一种或更多种气体)，并且随着还原进行而下降到低于大气压(例如，通过抽真空)，或者反之亦然。在另一个实例中，气体产物的释放可以引起反应容器内压力的变化。然而，反应容器中的压力可以是任何合适的压力。
166.在一些变型中，压力可以包括还原剂(例如，镁蒸气、铝蒸气等)的压力，其中还原剂以气体形式提供。在这些变型中，还原剂的压力优选地在约0.001毫巴至0.1毫巴之间(例如，0.002毫巴、0.005毫巴、0.007毫巴、0.01毫巴、0.02毫巴、0.05毫巴、0.07毫巴等)。然而，还原剂的压力可以小于0.001毫巴和/或大于0.1毫巴。还原剂的压力可以取决于总压力、温度、反应容器设计和/或任何合适的参数。在这些变型中，被还原的二氧化硅混合物可以排除还原剂或包括还原剂。
167.还原条件和/或还原环境优选地保持持续在约0.5小时和24小时之间(例如，1小
时、1.5小时、2小时、3小时、4小时、5小时、6小时、7小时、8小时、9小时、10小时、12小时、15小时、18小时、20小时、22小时等)，但可以保持持续少于0.5小时或长于24小时。
168.在优选的实施方案中，还原二氧化硅优选地包括加热二氧化硅。然而，还原二氧化硅可以另外地或可选择地包括：电解还原(例如，施加阈值电压)、化学还原(例如，添加酸、碱、还原剂、催化剂等以促进或驱动还原)、压力变化、照射二氧化硅(例如，进行光驱动的反应)和/或以其他方式还原二氧化硅。加热二氧化硅可以包括对二氧化硅颗粒或硅颗粒(例如，一级颗粒、二级颗粒、三级颗粒)进行退火或烧结以形成互连的结构，和/或任何合适的步骤。
169.可以使用热元件、红外元件、激光加热和/或任何合适的加热源来加热二氧化硅。热可以被传导性地、对流地和/或辐射地传递到二氧化硅。
170.二氧化硅优选地被加热到至少还原温度。然而，二氧化硅可以被加热到低于还原温度的温度(例如，以驱动第二反应以释放热以驱动还原，以控制还原动力学等)和/或任何合适的温度。还原温度优选地在约300℃和1200℃之间(例如，400℃、500℃、600℃、650℃、700℃、750℃、800℃、850℃、900℃、1000℃、1100℃、1200℃等)。然而，还原温度可以低于600℃或高于1200℃。在说明性实例中，较低的温度(例如，300℃-500℃)可以有益于减慢反应速率和避免局部热效应。该较低的温度可以是指初始处理步骤，并且可以保持持续在约1-6小时之间和/或持续任何合适的时间量。在初始处理步骤之后，可以将反应温度升高至最终还原温度(例如，600℃-1000℃)，其中最终还原温度可以保持持续在1-18小时之间和/或任何合适的时间量。至初始处理步骤和最终还原温度的斜升速率可以是相同的或不同的。然而，还原可以在单个温度、以更多的步骤和/或以任何方式进行。
171.二氧化硅优选地被基本上均匀地加热(例如，不产生热点；在整个反应容器中的温度保持在目标温度诸如还原温度的
±
1℃、
±
5℃、
±
10℃、
±
20℃等内；在反应容器内任何两个位置之间的温差或温度梯度小于约1℃、2℃、5℃、10℃、20℃、50℃、100℃、200℃等；等等)。然而，二氧化硅可以被非均匀地加热(例如，图案化的加热、不受控制的加热等)。在一些变型中，加热的均匀性可以取决于反应物的形态。例如，使用圆球状二氧化硅和互连的二氧化硅(例如，具有蠕虫状形态的二氧化硅)可以导致不同的热点和/或局部热效应，这可以影响所得的硅结构。然而，加热的均匀性可以与反应物形态无关。
172.在第一变型中，在还原环境中包含盐(例如，与二氧化硅混合、包覆二氧化硅等)可以促进二氧化硅和/或反应容器的更均匀加热，例如通过降低、减少或减慢靠近二氧化硅材料的还原剂扩散来促进二氧化硅和/或反应容器的更均匀加热。在第二变型中，可以通过缓慢地斜升反应容器的温度来实现均匀的温度概括。例如，斜升速率优选地在约0.01℃/min和10℃/min之间(例如，0.01℃/min、0.1℃/min、0.5℃/min、1℃/min、5℃/min、10℃/min等)。然而，斜升速率可以大于10℃/min(例如，20℃/min、25℃/min、30℃/min、50℃/min、100℃/min等)、在其范围内和/或小于0.01℃/min。在第二变型的实例中，斜升速率可以变化(例如，跨过时间、跨过斜升步骤等变化)。例如，可以使用快速斜升速率来初始地加热样品(例如，直到样品达到温度阈值)，并且当样品高于温度阈值时，可以使用较慢的斜升速率(例如，直到样品达到还原温度)。然而，斜升速率可以是恒定的和/或遵循任何斜升速率曲线。在第三变型中，平坦化和/或以其他方式确保基本上均匀的二氧化硅厚度和/或确保二氧化硅厚度不超过阈值厚度可以促进样品的均匀加热。在第四变型中，二氧化硅与反应改
性剂(例如，盐、还原剂)的相对比可以促进均匀的加热和/或以其他方式影响二氧化硅的还原。在第四变型的第一实施方案中，反应改性剂的尺寸和/或尺寸分布可以促进温度的均匀性(和/或以其他方式影响二氧化硅还原)。在第五变型中，反应容器可以包括一个或更多个辐射器或绝缘体，所述辐射器或绝缘体被布置成控制反应容器内的热概括。在第六变型中，可以提供还原剂的混合物以帮助控制和/或限制热点的存在。在第六变型的实施方案中，还原剂可以包括镁和铝。镁与铝的比可以基于目标还原时间、目标温度、目标均匀性来确定，和/或以其他方式确定。镁与铝的比的实例包括10:1、5:1、4:1、2:1、1.1:1、1:1、0.9:1、0.75:1、0.5:1、0.2:1、0.1:1、其间的任何比、大于10:1或小于0.1:1。在第七变型中，加热二氧化硅可以包括前述六种变型的任何组合，以促进均匀加热。类似地，如所描述的情形、相反情形、反向情形或对换情形的任何组合可以用于促进和/或控制反应容器内的非均匀温度概括。
173.在说明性实例中，当二氧化硅和/或反应物的特征尺寸(或特征尺寸分布)小时，当二氧化硅具有大的表面积时和/或二氧化硅聚集时，加热二氧化硅和/或反应物可以导致反应环境和/或二氧化硅内的局部热点。局部化的热点可以引起靠近热点的熔化，导致非均匀结构和/或海绵状(例如，互连的)结构。然而，可以以其他方式获得非均匀结构和/或海绵状结构，和/或局部化的热点可以以其他方式影响所得的硅结构。
174.纯化硅s260优选地用于纯化在s250中产生的硅。s260可以另外地或可选择地用于除去残余(例如，未反应的)二氧化硅；改变颗粒尺寸(例如，硅的一级颗粒、二级颗粒和/或三级颗粒的特征尺寸)；除去残余盐、残余还原剂和/或还原的副产物；和/或以其他方式起作用。s260可以以如在s210或s230中描述的任何方式和/或以任何方式进行。在s260的第一具体实例中，硅可以用hcl(例如，1-12m hcl)洗涤，这可以具有从还原中除去残余盐和/或其他副产物(例如，mg、mgsi、盐、mgo等)的益处。在第一实例的变型中，可以收集盐和/或副产物，例如以在步骤s220中重复使用(例如，有或没有进一步的加工和/或纯化)。然而，盐和/或副产物可以被处置掉和/或以其他方式使用。在第二具体实例中，硅可以用hf(例如，2％-20％ hf水溶液)洗涤，这可以具有除去未反应的二氧化硅或部分反应的二氧化硅的益处。第二具体实例可以具有减小硅的颗粒尺寸的额外益处。
175.包覆硅s270用于在硅(例如，来自s250或s260)上提供一个或更多个包覆层。s270可以另外地或可选择地包括负载硅(例如，负载硅材料的孔)。包覆层优选地包覆硅的二级颗粒和/或三级颗粒(例如，不直接包覆每个一级颗粒)，但可以另外地或可选择地包覆一级硅颗粒。当还原发生在不同的反应容器中时，硅可以在相同的反应容器中被包覆。硅可以在形成之后立即被包覆(例如，在s250完成之后立即包覆，因为硅是在s250期间形成的，等等)，和/或在硅被形成之后的任何时间被包覆。
176.包覆工艺优选地在包覆温度进行。包覆温度可以是指材料(例如，包覆前体)的自动燃烧温度、脱水温度、系统操作温度、气化温度、熔化温度和/或促进包覆硅样品的任何合适的温度。包覆温度可以在约0℃和1400℃之间(例如，0℃、20℃、50℃、80℃、100℃、150℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃、1100℃、1200℃、1300℃等)。然而，包覆温度可以小于0℃或大于1400℃。
177.包覆工艺优选地被进行持续预定的持续时间。包覆持续时间优选地在5分钟和120分钟之间，但可以小于5分钟或大于120分钟。在一些变型中，包覆工艺进行直到实现预定的
包覆层参数(例如，包覆层厚度、包覆层机械性质、包覆层电性质、锂扩散、包覆层与硅的比、包覆层组成等)。在这些变型中，可以监测预定的包覆层参数。一旦实现预定的包覆层参数，就可以停止包覆工艺。在具体实例中，目标包覆层厚度可以在约3nm和5nm之间。然而，包覆工艺可以进行持续任何时间量。
178.s270可以包括使用以下项中的一种或更多种来包覆硅：化学气相沉积(cvd)、溅射包覆、原子层沉积、聚合、碳化、混合、生长、前体还原、化学相互作用或物理相互作用，和/或可以使用其他包覆方法。包覆工艺优选地保持试剂(例如，碳源、锂源、氧化剂等)的浓度和/或量，以保持预定的包覆层参数或目标包覆层参数。包覆层参数的实例包括包覆层与硅的比、包覆层厚度、包覆层均匀性、包覆层材料、电子电导率、机械性质和/或任何合适的包覆层参数。例如，对于碳质包覆层，目标碳与硅的比优选地为约1:8，但可以是任何比。预定的包覆层参数或目标包覆层参数可以基于预定的配方(例如，用于制备目标包覆层参数的已知程序)、基于用户输入，使用闭合反馈环路(例如，包覆层传感器诸如碳传感器可以在硅材料被包覆时测量包覆层参数，并且更新包覆工艺以实现目标包覆层参数)来控制和/或监测；和/或以其他方式控制和/或监测目标包覆层参数被实现。
179.在一些变型中，s270可以包括还原添加剂和/或添加剂前体(例如，在s250期间，与s250分开地，在s250之前，在s250之后)以包覆和/或负载硅。在说明性实例中，当二氧化硅暴露于碳源(诸如聚合物)时，聚合物可以与二氧化硅还原基本上同时地还原(例如，在s250期间的任何时间或定时；在二氧化硅还原反应之前、期间或之后；等等)。
180.在如例如图9a中所示的第一变型中，s270可以包括用气相碳源诸如甲烷、乙烷、乙烯、乙炔和/或任何合适的碳源使用cvd生长碳质包覆层。在第一变型的说明性实例中，硅在流量在50标准立方厘米/分钟(sccm)-500sccm之间的氩气和流量在20sccm-100sccm之间的氢气(h2)下被加热到约700℃和950℃之间。压力可以保持在约300托-700托之间。然后可以将硅加热到高于900℃，并且可以以在20sccm-200sccm之间的流量引入c2h2或ch4持续5分钟和2小时之间，以使碳包覆(或碳负载)硅。然而，碳包覆层可以使用cvd工艺以其他方式形成。
181.在如例如图9b中所示的第二变型中，s270可以包括在硅(例如，硅表面)上沉积和/或形成聚合物。聚合物优选地是传导性聚合物，但可以是任何合适的聚合物。在该变型的一些变化中，聚合物可以被部分或完全地碳化(例如，通过将聚合物加热到预定的温度诸如聚合物降解温度被部分或完全地碳化)。
182.在第三变型中，s270可以包括将生长催化剂(例如，氯化铁、钴、钼、铁等)与硅组合(例如，混合、沉积等)，以及在硅上生长碳包覆层(例如，由生长的催化剂介导和/或与生长催化剂搭配)。这些变型可以具有向包覆层(例如，具有不同的厚度、电性质、机械性质、锂扩散等的区域)提供受控的结构(例如，纳米结构、介观结构、微观结构、宏观结构等)的益处。
183.在如例如图9c中所示的第四变型中，s270可以包括使硅部分地氧化以在硅的外表面(例如，环境上暴露的表面)上产生sio
x
的包覆层。硅可以通过引入氧化剂(例如，o2)并加热硅而被氧化。然而，硅可以以其他方式被氧化。氧化的程度(例如，包覆层厚度、所形成的氧化物诸如x的值、氧化物梯度等)可以基于温度、氧化剂、氧化剂的浓度或分压、反应时间来确定，和/或可以以其他方式控制。
184.在第五变型中，s270可以包括将硅暴露于一种或更多种碳源和/或锂源，并使碳源
和/或锂源与酸(例如，hcl、hf等)在硅处反应。碳源的实例包括醇、糖(例如，葡萄糖、蔗糖、果糖、半乳糖、乳糖等)、单体(例如，苯胺)、聚合物(例如，pe、pp、pet、酚醛树脂等)、其组合和/或任何合适的碳源(例如，有机碳源或无机碳源)。锂源的实例包括：li金属、lioh、lino3、licl、lif、libr、lii、li2co3、lihco3、硅酸锂(例如，li2si2o5、li2sio3、li2sio4等)、其组合和/或任何合适的锂盐。
185.在第六变型中，通过进行s270的第一变型至第五变型的任何组合(包括在相同或不同的条件下重复相同的变型)，可以形成两个或更多个包覆层。
186.然而，s270可以包括任何合适的步骤。
187.对用于使用的硅进行后加工s280优选地用于制备用于在应用中使用的、用于运输的、用于进一步反应的硅，和/或以其他方式制备硅。s280优选地在s270之后进行，但可以在s270之前或期间和/或在任何合适的时间进行。s280的实例可以包括：形成硅材料的浆料(例如，通过将硅材料与诸如水的溶剂混合到预定的浓度)、添加一种或更多种添加剂(例如，粘合剂、电解质等)、包装硅材料、粉碎硅(例如，以类似于s240中的方式的方式)，和/或任何合适的后加工步骤。
188.5.具体实例
189.在第一具体实例中，多孔硅材料可以包括特征尺寸在约2nm和约150nm之间的无孔一级结构、特征尺寸在约100nm和1000nm之间的二级结构以及特征尺寸在约2微米(μm)和50μm之间的三级结构。
190.在第一具体实例的变型中，一级结构可以是互连的(例如，二级结构可以包括互连的一级结构)。在第一具体实例的第二变型中，一级结构可以是独立的(例如，二级结构可以包括独立的一级结构)。
191.在第二具体实例中，多孔硅材料可以包括特征尺寸在约2nm和约150nm之间的无孔一级结构、特征尺寸在约100nm和1000nm之间的二级结构以及特征尺寸在约2微米(μm)和50μm之间的三级结构；其中二级结构和三级结构中的至少一个被包覆有碳质材料(例如，无定形碳、传导性碳、聚合物等)。
192.在第三具体实例中，多孔硅材料可以包括特征尺寸在约2nm和约150nm之间的无孔一级结构、特征尺寸在约100nm和1000nm之间的二级结构以及特征尺寸在约2微米(μm)和50μm之间的三级结构；其中在1％和80％之间的孔体积负载有碳。
193.在第四具体实例中，多孔硅材料可以包括二氧化硅和/或锂包覆层。
194.在第五具体实例中，多孔硅材料可以包括特征尺寸在约1nm和约500nm之间的多孔一级结构。多孔硅材料可以包括一级结构的聚集体的二级结构。
195.在第五具体实例的变型中，一级结构可以是独立的。在第五具体实例的第二变型中，一级结构可以是互连的。
196.在第六具体实例中，多孔硅材料可以包括特征尺寸在约1nm和约500nm之间的多孔一级结构。多孔硅材料可以包括一级结构的聚集体的二级结构。多孔硅材料可以包括包覆层(例如，碳包覆层、聚合物包覆层、二氧化硅包覆层、锂包覆层等)，其中包覆层不进入孔。
197.在第七具体实例中，多孔硅材料可以包括特征尺寸在约1nm和约500nm之间的多孔一级结构。多孔硅材料可以包括一级结构的聚集体的二级结构。多孔硅材料可以包括包覆层(例如，碳包覆层、聚合物包覆层、二氧化硅包覆层、锂包覆层等)，其中包覆层进入孔。
198.在第八具体实例中，多孔硅材料可以具有在30％和99％之间的孔隙率、在0.5纳米(nm)和200nm之间的平均孔径、在0.02m2/g和1500m2/g之间的表面积、在约3％和37％之间的按质量计的氧含量百分比和至多40％的外部体积膨胀。
199.在第九具体实例中，多孔硅材料可以包括特征尺寸在约10nm和约500nm之间的多孔一级结构，其中多孔一级结构的孔直径(例如，平均孔直径)在约2nm和20nm之间。多孔一级结构可以被聚集成二级结构(例如，特征尺寸在约100nm和1000nm之间的簇)和/或三级结构(例如，特征尺寸在约2微米μm和50μm之间的聚集体)。多孔硅材料可以包括在二级结构或三级结构内的一级结构之间界定的第二孔分布，其中第二孔分布的平均孔径可以在约0.5nm和200nm之间。
200.在第九具体实例的变型中，一级结构可以是互连的(例如，二级结构可以包括互连的一级结构)。在第一具体实例的第二变型中，一级结构可以是独立的(例如，二级结构可以包括独立的一级结构)。
201.在第一具体实例中，制造方法可以包括在金属还原剂的存在下还原二氧化硅起始材料(例如，未纯化的二氧化硅起始材料、热解法二氧化硅、硅灰、硅胶、再循环的二氧化硅起始材料、废二氧化硅等)以制备多孔硅材料。
202.在第二具体实例中，制造方法可以包括用盐(例如nacl)包覆二氧化硅起始材料，以及在金属还原剂的存在下还原未纯化的二氧化硅起始材料(例如，包覆层内的材料)以制备多孔硅材料。
203.在第三具体实例中，制造方法可以包括在金属还原剂的存在下还原二氧化硅起始材料以制备多孔硅材料，以及用包含氢氟酸的酸性溶液洗涤所得的硅。
204.在第四具体实例中，制造方法可以包括用盐(例如nacl)包覆二氧化硅起始材料，在金属还原剂的存在下还原二氧化硅起始材料(例如，包覆层内的材料)以制备多孔硅材料，以及用包含氢氟酸的酸性溶液洗涤所得的硅。
205.在第五具体实例中，制造方法可以包括在金属还原剂的存在下还原二氧化硅起始材料以制备多孔硅材料，以及包覆多孔硅材料(例如，用碳质包覆层包覆)。
206.在第六具体实例中，制造方法可以包括用盐(例如nacl)包覆二氧化硅起始材料，在金属还原剂的存在下还原二氧化硅起始材料(例如，包覆层内的材料)以制备多孔硅材料，以及包覆多孔硅材料(例如，用碳质包覆层包覆)。
207.在第七具体实例中，制造方法可以包括在金属还原剂的存在下还原二氧化硅起始材料以制备多孔硅材料，用酸性溶液(例如，包括氢氟酸)洗涤所得的硅，以及包覆经洗涤的硅(例如，用碳质包覆层包覆)。
208.在第八具体实例中，制造方法可以包括用盐(例如nacl)包覆二氧化硅起始材料，在金属还原剂的存在下还原二氧化硅起始材料(例如，包覆层内的材料)以制备多孔硅材料，用酸性溶液(例如，包括氢氟酸)洗涤所得的硅，以及包覆经洗涤的硅材料(例如，用碳质包覆层包覆)。
209.在第九具体实例中，制造方法可以包括用碳源(例如聚合物)暴露(例如包覆)二氧化硅起始材料，在金属还原剂的存在下还原二氧化硅起始材料和碳源，以制备具有碳质包覆层的多孔硅材料。碳包覆的硅可以任选地用酸性溶液(例如，包括氢氟酸)洗涤。
210.在第十具体实例中，制造方法可以包括用碳源(例如聚合物)暴露(例如包覆)二氧
化硅起始材料，在金属还原剂的存在下还原二氧化硅起始材料以制备具有碳包覆层的多孔硅材料。在该具体实例中，碳源可以被还原、被部分地还原，和/或可以不被还原。该具体实例可以任选地包括洗涤碳包覆的二氧化硅(例如，用酸性溶液)，这可以还原碳源(例如，将碳源转化为碳)。
211.在第十一具体实例中，制造方法可以包括在金属还原剂的存在下还原热解法二氧化硅以制备多孔硅材料。
212.在第十一具体实例中，制造方法可以包括在金属还原剂的存在下还原硅胶以制备多孔硅材料。
213.系统和/或方法的实施方案可以包括多种系统部件和多种方法工艺的每种组合和排列，其中本文描述的方法和/或工艺的一个或更多个实例可以通过和/或使用本文描述的系统、元件和/或实体的一个或更多个实例来异步地(例如，依次地)、同时地(例如，平行地)或以任何其他合适的顺序进行。
214.如本领域技术人员将从先前的详细描述以及从附图和权利要求中认识到的，可以在不偏离在所附权利要求中限定的本发明的范围的情况下对本发明的优选的实施方案进行修改和改变。

技术特征：
1.一种用于制造电池阳极材料的方法，包括：将热解法二氧化硅暴露于盐以形成所述热解法二氧化硅和所述盐的混合物；将热解法二氧化硅和所述盐的所述混合物暴露于还原剂；以及通过将所述热解法二氧化硅、所述盐和所述还原剂加热到所述混合物的还原温度，将所述热解法二氧化硅还原成硅，其中所述硅包括在30％和99％之间的孔隙率。2.根据权利要求1所述的方法，其中将所述热解法二氧化硅与所述盐混合包括：将所述盐溶解在溶剂中；以及蒸发所述溶剂以使所述热解法二氧化硅包覆有所述盐。3.根据权利要求2的方法，其中所述盐包括氯化钠。4.根据权利要求1所述的方法，还包括通过使用酸性溶液洗涤所述硅来除去所述还原的副产物。5.根据权利要求1所述的方法，还包括用导电包覆层包覆所述硅。6.根据权利要求5所述的方法，其中所述导电包覆层包括无定形碳。7.根据权利要求1所述的方法，还包括在将所述热解法二氧化硅和所述盐的所述混合物暴露于还原剂之前碾磨所述混合物。8.根据权利要求1所述的方法，其中所述还原剂包括镁。9.根据权利要求1所述的方法，还包括在将所述热解法二氧化硅与所述盐混合之前纯化所述热解法二氧化硅。10.一种包括在金属还原剂的存在下还原未纯化的二氧化硅以制备多孔硅材料的方法，所述多孔硅材料包括硅纳米颗粒的互连的网络，其中所述硅纳米颗粒的尺寸在约2纳米(nm)和500nm之间。11.根据权利要求10所述的方法，还包括在还原所述未纯化的二氧化硅之前将所述未纯化的二氧化硅暴露于盐。12.根据权利要求11所述的方法，其中所述盐包覆所述未纯化的二氧化硅。13.根据权利要求10所述的方法，其中所述硅纳米颗粒包括基本上均匀的颗粒尺寸分布。14.根据权利要求10所述的方法，还包括用碳质材料包覆所述硅材料。15.根据权利要求14所述的方法，其中使用化学气相沉积来包覆所述硅材料。16.根据权利要求14所述的方法，其中所述多孔硅材料内的碳负载量在约1％和80％之间。17.根据权利要求14所述的方法，其中所述碳质材料包覆纳米颗粒的簇，而不包覆单独的纳米颗粒。18.根据权利要求14所述的方法，其中所述包覆所述硅材料包括控制碳源添加以保持目标碳与硅的比。19.根据权利要求10所述的方法，其中所述未纯化的二氧化硅包含至多约94％的硅氧化物。20.根据权利要求10所述的方法，其中还原所述未纯化的二氧化硅包括将所述未纯化的二氧化硅加热到600℃和1000℃之间。21.根据权利要求20所述的方法，还包括在将所述未纯化的二氧化硅加热到600℃和
1000℃之间之前，将所述未纯化的二氧化硅加热到在300℃-500℃之间的初始温度，持续约1-6小时之间。22.根据权利要求10所述的方法，其中所述多孔硅材料包括与所述未纯化的二氧化硅基本上相同的结构。23.根据权利要求10所述的方法，其中所述多孔硅材料包括在50m2/g和1500m2/g之间的表面积。24.一种硅材料，包括：一级结构，其包含硅纳米颗粒，所述硅纳米颗粒具有在约2纳米(nm)和约150nm之间的一级尺寸；二级结构，其包含所述硅纳米颗粒的簇，所述簇具有在约100nm和1000nm之间的簇尺寸；以及三级结构，其包含所述簇的团聚体，所述团聚体具有在约2微米(μm)和50μm之间的团聚体尺寸；其中所述纳米颗粒在所述簇内协同地形成一级孔。25.根据权利要求24所述的硅材料，其中所述硅纳米颗粒包括球状形态。26.根据权利要求24所述的硅材料，其中所述硅纳米颗粒的尺寸分布是基本上均匀的。27.根据权利要求24所述的硅材料，其中所述硅纳米颗粒在所述簇内形成互连的网络。28.根据权利要求27所述的硅材料，其中所述硅纳米颗粒被烧结在一起。29.根据权利要求24所述的硅材料，还包括碳质包覆层，所述碳质包覆层包括无定形碳、聚合物或石墨碳中的至少一种。30.根据权利要求29所述的硅材料，其中所述碳质包覆层包覆所述簇或所述团聚体中的至少一种。31.根据权利要求30所述的硅材料，其中所述碳质包覆层基本上在所述簇外部。32.根据权利要求24所述的硅材料，其中所述硅纳米颗粒由热解法二氧化硅制成。33.根据权利要求24所述的硅材料，其中所述一级孔的孔径在0.5nm和200nm之间。34.根据权利要求24所述的硅材料，其中在膨胀期间，所述团聚体内的内部尺寸改变，并且所述团聚体的外部尺寸保持基本上恒定。35.一种电池阳极，所述电池阳极包括多孔硅材料，所述多孔硅材料包括在30％和99％之间的孔隙率、在0.5纳米(nm)和200nm之间的平均孔径、在0.02m2/g和1500m2/g之间的表面积、按质量计在约3％和37％之间的氧含量百分比以及至多15％的外部体积膨胀。36.根据权利要求35所述的电池阳极，其中所述多孔硅材料还包括具有在约2nm和150nm之间的特征尺寸的硅纳米颗粒。37.根据权利要求36所述的电池阳极，其中所述硅纳米颗粒是球状的。38.根据权利要求36所述的电池阳极，其中所述硅纳米颗粒由热解法二氧化硅制造。39.根据权利要求35所述的电池阳极，其中所述多孔硅材料的孔包含在约1％和80％之间的碳负载量。40.根据权利要求35所述的电池阳极，其中所述多孔硅材料还包括基本上保持在孔的外部的表面包覆层。41.根据权利要求40所述的电池阳极，其中所述表面包覆层包含碳、二氧化硅和锂中的
至少一种。42.根据权利要求35所述的电池阳极，其中所述多孔硅材料响应于负载有锂而膨胀。43.根据权利要求35所述的电池阳极，其中所述多孔硅材料还包括基本上各向同性的弯曲度。44.一种多孔硅材料，包括至多40％的外部体积膨胀。45.根据权利要求44所述的多孔硅材料，还包括根据权利要求23-43的任何特征或特性。46.一种硅材料，包括：一级结构，其包含硅纳米颗粒；以及二级结构，其包含所述硅纳米颗粒的聚集体，其中所述聚集体包括非球状形态；其中所述硅纳米颗粒在所述聚集体内协同地界定孔。47.根据权利要求46所述的硅材料，其中所述硅纳米颗粒由热解法二氧化硅制造。48.根据权利要求46所述的硅材料，其中所述非球状形态包括蛆型形态。49.根据权利要求46所述的硅材料，其中所述聚集体包括在约300nm和1000nm之间的聚集体尺寸。50.根据权利要求46所述的硅材料，还包括三级结构，所述三级结构包括所述硅纳米颗粒的所述聚集体的团聚体。51.根据权利要求50所述的硅材料，其中在膨胀期间，孔径减小并且所述三级结构的外部尺寸变化小于40％。52.根据权利要求46所述的硅材料，其中所述孔的孔径在约0.2nm和500nm之间。53.根据权利要求46所述的硅材料，还包括传导性包覆层。54.根据权利要求53所述的硅材料，其中所述传导性包覆层包覆所述硅纳米颗粒。55.根据权利要求53所述的硅材料，其中所述传导性包覆层包括以下项中的至少一种：聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚丙烯酸、羧甲基纤维素、苯乙烯-丁二烯橡胶、聚丙烯腈、海藻酸盐、聚酰亚胺、聚酰胺、聚苯胺、聚吡咯、聚(噻吩)、聚(3,4-亚乙基二氧基噻吩)、无定形碳或石墨碳。56.根据权利要求46所述的硅材料，其中所述硅纳米颗粒是互连的。57.根据权利要求46所述的硅材料，其中所述硅纳米颗粒包括非球状形态。58.一种硅材料，包含具有在约10nm和500nm之间的颗粒尺寸的多孔硅纳米颗粒，其中所述多孔硅纳米颗粒形成具有在约300nm和10μm之间的聚集体尺寸的聚集体，其中所述多孔硅纳米颗粒在所述聚集体内协同地界定孔。59.根据权利要求58所述的硅材料，其中所述多孔硅纳米颗粒由硅胶制造。60.根据权利要求58所述的硅材料，其中协同地界定的孔的孔径在0.5nm和200nm之间。61.根据权利要求60所述的硅材料，其中所述多孔硅纳米颗粒的孔径在约1nm和30nm之间。62.根据权利要求58所述的硅材料，其中所述聚集体的外部体积膨胀是至多40％。63.根据权利要求58所述的硅材料，还包括基本上不穿透所述协同地界定的孔的包覆层。64.根据权利要求63所述的硅材料，其中所述包覆层是离子导电的。
65.根据权利要求63所述的硅材料，其中所述包覆层的厚度在约1nm和10nm之间。66.根据权利要求58所述的硅材料，其中所述多孔硅纳米颗粒是球状的。67.一种包括在金属还原剂的存在下还原硅胶以制备包含硅纳米颗粒的网络的多孔硅材料的方法，所述硅胶包含具有在约10nm和500nm之间的纳米颗粒尺寸的多孔二氧化硅纳米颗粒。68.根据权利要求67所述的方法，还包括在还原所述硅胶之前将所述硅胶与盐混合。69.根据权利要求68所述的方法，其中将所述硅胶与所述盐混合包括：将所述盐溶解在溶剂中；以及蒸发所述溶剂以使所述二氧化硅纳米颗粒包覆有所述盐。70.根据权利要求69所述的方法，还包括在将所述硅胶和所述盐的混合物暴露于还原剂之前碾磨所述混合物。71.根据权利要求67所述的方法，其中所述硅纳米颗粒是多孔的。72.根据权利要求71所述的方法，其中所述硅纳米颗粒的孔分布与所述多孔二氧化硅纳米颗粒的孔分布是基本上相同的。73.根据权利要求67所述的方法，其中还原所述硅胶包括将所述硅胶加热到在约600℃和1000℃之间的还原温度，其中所述硅胶保持在所述还原温度持续2小时和10小时之间。74.根据权利要求73所述的方法，其中用于加热所述硅胶的斜升速率在0.1℃/min和30℃/min之间。75.根据权利要求74所述的方法，还包括在将所述硅胶加热到所述还原温度之前，将所述硅胶加热到在约300℃和500℃之间的中间温度，其中所述硅胶被保持在所述中间温度持续约1小时和6小时之间。76.根据权利要求67所述的方法，其中所述金属还原剂包括镁或铝中的至少一种。77.根据权利要求67所述的方法，还包括从所述多孔硅材料中除去盐、镁、还原副产物或二氧化硅中的至少一种。78.一种硅材料，包括：一级结构，其包含硅纳米颗粒，所述硅纳米颗粒具有在约2纳米(nm)和约150nm之间的一级尺寸；二级结构，其包含所述硅纳米颗粒的簇，所述簇具有在约100nm和1000nm之间的簇尺寸；以及约1％-10％的碳、约5％-10％的氧和约80％-94％的硅的组成。79.根据权利要求78所述的硅材料，其中所述硅纳米颗粒包括非球状形态。80.根据权利要求78所述的硅材料，其中所述硅纳米颗粒的尺寸分布是基本上均匀的。81.根据权利要求78所述的硅材料，其中所述硅纳米颗粒在所述簇中形成互连的网络。82.根据权利要求78的硅材料，其中所述组成的所述碳包括石墨。83.根据权利要求78所述的硅材料，还包括碳质包覆层，所述碳质包覆层包含无定形碳、聚合物或石墨碳中的至少一种。84.根据权利要求83所述的硅材料，其中所述碳质包覆层包含pan，其中所述pan是环化的。85.根据权利要求78所述的硅材料，其中所述硅纳米颗粒在所述簇内协同地形成一级
孔，其中所述一级孔的孔径在0.5nm和200nm之间。86.根据权利要求78所述的硅材料，其中所述硅纳米颗粒由硅灰制造。87.根据权利要求78所述的硅材料，其中所述碳的组成基于所述硅材料的目标电子电导率或目标离子电导率中的至少一个来选择。88.一种电池阳极，包括具有至少50％硅和在1％-45％之间的碳的组成的多孔硅材料，其中所述多孔硅材料的外部体积膨胀为至多40％。89.根据权利要求88所述的电池阳极，其中所述多孔硅材料包括在约50m2/g-1500m2/g之间的内表面积。90.根据权利要求89所述的电池阳极，其中所述多孔硅材料的外表面积在约1m2/g-50m2/g之间。91.根据权利要求88所述的电池阳极，其中所述多孔硅材料还包括至多约5％的氧。92.根据权利要求91所述的电池阳极，其中所述硅纳米颗粒是非球状的。93.根据权利要求92所述的电池阳极，其中所述硅纳米颗粒由热解法二氧化硅制造。94.根据权利要求92所述的电池阳极，其中所述硅纳米颗粒协同地形成具有在约100nm-1000nm之间的特征尺寸的簇。95.根据权利要求88所述的电池阳极，其中所述多孔硅材料包括碳质包覆层。96.根据权利要求95所述的电池阳极，其中所述碳质包覆层包含聚丙烯腈。97.根据权利要求95所述的电池阳极，其中包覆的多孔硅材料的元素组成取决于所述多孔硅材料内硅与氧的比。98.根据权利要求88所述的电池阳极，其中所述多孔硅材料还包括基本上各向同性的弯曲度。99.一种用于制造根据权利要求78-98所公开的硅材料的方法。

技术总结
用于制造多孔硅的方法可以包括在还原剂的存在下还原未纯化的二氧化硅以制备多孔硅材料。多孔硅材料可以包括一级特征、二级特征和/或三级特征，所述一级特征、二级特征和/或三级特征可以包括孔和/或协同地形成孔。三级特征可以包括孔和/或协同地形成孔。三级特征可以包括孔和/或协同地形成孔。


技术研发人员：罗伯特
受保护的技术使用者：约诺贝尔公司
技术研发日：2021.11.12
技术公布日：2023/7/22