CN112072072A - 预循环的硅电极 - Google Patents

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Abstract

在一实施例中，电极包括电流收集器和位于电流收集器的至少一侧上并与电流收集器电连通的活性层。活性层包括粘合剂和膨胀硅。其中活性层在使用时膨胀小于或等于10体积％。在另一实施例中，一种形成电极的方法包括由预循环的膨胀硅形成电极。

Description

预循环的硅电极
背景技术
用于商业锂离子电池的负电极的当前材料通常依赖于石墨作为活性层。遗憾地是，石墨的理论比容量仅为372毫安小时/克(mAh/g)，这不能满足新一代高容量锂离子电池的开发要求。在开发用于负电极的新材料时，已经提出了硅，因为硅的理论锂存储容量明显更高，为4,200mAh/g，并且锂脱锂电压平台较低(相对于Li参考电极约为0.4伏)。尽管已经准备了一些硅电极，但是仍然有许多障碍需要克服。
因此，期望提供一种改进的硅电极。
发明内容
在一个示例性实施例中，膨胀硅电极包括电流收集器和位于该电流收集器上并与该电流收集器电连通的活性层。活性层包括粘合剂、膨胀硅和可选的锂。膨胀硅具有分子式(formular)LixSi，其中0≤x≤3.75。相对于使用前的活性层的初始体积，活性层在使用时膨胀小于或等于10体积％。
除了本文所述的一个或多个特征之外，基于膨胀硅的总体积，膨胀硅具有60至90体积％或70至80体积％的孔体积。
除了本文所述的一个或多个特征之外，膨胀硅具有为10至600m2/g或150至500m2/g的每单位质量的BET表面积。
除了本文所述的一个或多个特征之外，基于活性层的总重量，活性层包括60至99重量％或70至95重量％的膨胀硅。
除了本文所述的一个或多个特征之外，膨胀硅还包括碳涂层或氧化铝涂层中的至少一种。
除了本文所述的一个或多个特征之外，粘合剂包含含氟聚合物、橡胶、聚(酰胺酸)、聚酰亚胺、聚酰胺、酚醛树脂、纤维素基粘合剂、聚(丙烯酸)、聚丙烯腈、藻酸盐基粘合剂或环氧树脂中的至少一种。
除了本文所述的一个或多个特征之外，活性层还包括锡、碳、锰、铁、锌或铝中的至少一种。
除了本文描述的一个或多个特征之外，电极是负电极。
在另一个示例性实施例中，电池包括正电极、膨胀硅负电极以及位于正电极和膨胀硅负电极之间的隔板。膨胀硅负电极包括电流收集器和位于电流收集器的至少一侧上并与电流收集器电连通的活性层。活性层包括粘合剂、膨胀硅和可选的锂，其中膨胀硅具有分子式LixSi，其中0≤x≤3.75。相对于使用前的活性层的初始体积，活性层在使用时膨胀小于或等于10体积％。
除了本文所述的一个或多个特征之外，电池是锂离子电池。
在又一示例性实施例中，一种形成用于电极的活性层的方法包括将初始硅对锂从第一电压电化学循环到第二电压至少两次以形成膨胀硅。在电化学循环之后，膨胀硅具有分子式LixSi，其中0≤x≤3.75。膨胀硅可以用惰性溶剂洗涤。形成包括膨胀硅、粘合剂和可选的溶剂的混合物，并且由该混合物形成活性层。相对于使用前的活性层的初始体积，活性层在使用时膨胀小于或等于10体积％。
除了本文所述的一个或多个特征外，电化学循环发生在电化学电池中，该电化学电池包括两个并联的工作电极电流收集器、锂对电极；其中两个工作电极电流收集器定位为使得它们保持与初始硅的电连通，并且在电化学循环期间增加它们之间的相对距离以形成膨胀硅。
除了本文所述的一个或多个特征之外，电化学电池还包括分散在初始硅中的导电惰性颗粒。
除了本文描述的一个或多个特征之外，电化学循环还包括从高电压循环到低电压并回到高电压两次或更多次。
除了本文描述的一个或多个特征之外，电化学循环包括以恒定电流从高电压循环到低电压，并且其中电化学循环包括将低电压保持一时间量以允许电流从低电压循环回高电压之前下降。
除了本文所述的一个或多个特征之外，循环包括最终循环，其中最终电压达到使得一定量的锂保留在膨胀硅中，使得0<x≤3.75。
除了本文描述的一个或多个特征之外，基于初始硅的总重量，初始硅包含大于或等于95重量％的硅。
除了本文描述的一个或多个特征之外，该方法包括蚀刻初始硅或膨胀硅中的至少一个以浸出杂质。
除了本文所述的一个或多个特征之外，混合物还包括锡、碳、锰、铁、锌或铝中的至少一种。
除了本文描述的一个或多个特征之外，膨胀硅的体积大于初始硅的体积的100％。
当结合附图和权利要求书时，根据以下详细描述，本公开的上述特征和优点以及其他特征和优点将容易是显而易见的。
附图说明
其他特征、优点和细节仅通过示例的方式出现在以下详细描述中，该详细描述参考附图，在附图中：
图1是用于形成膨胀硅的电化学电池。
具体实施方式
以下描述本质上仅是示例性的，并且无意于限制本公开，其应用或用途。
尽管硅由于其高的重量能量密度是用于电极中的有吸引力的材料，但是由硅形成的电极在初始电池循环期间经历显著的体积膨胀。例如，在锂化时，电极中的硅层可溶胀超过300体积％。硅层的体积膨胀不合需要地导致沉积在其上的保护层破裂，从而降低了保护层以及最终电极的有效性。已经发现，可以通过由预循环的膨胀硅形成硅电极来防止/最小化硅电极的体积膨胀。以这样的方式，硅电极中的膨胀硅已经经历了电池中在使用中以其他方式会经历的任何膨胀。因此，膨胀硅电极中的活性层可以相对于在电池中使用之前的活性层的初始体积膨胀小于或等于10体积％，或0至10体积％，或0至5体积％，或0至1体积％。
形成用于电极的活性层的方法可以包括将初始硅对锂从第一电压进行电化学循环以形成膨胀硅。可以形成包括膨胀硅、粘合剂、可选的导电填料和可选的溶剂的混合物，然后可以由该混合物形成活性层。当使用时，所得的活性层可膨胀小于或等于10体积％。
本发明的膨胀硅电极提供了各种益处和优点，包括降低了位于膨胀硅上的保护层破裂的可能性以及增强的电极完整性。例如，由未预膨胀的涂覆的多孔硅颗粒形成电极将在电池初始循环期间当使用时由于硅颗粒膨胀而导致涂层开裂。此外，由膨胀硅颗粒形成膨胀硅电极的该方法具有优于形成硅电极和膨胀电极中的硅的优点，在于难以在对已形成层具有高表面覆盖率的硅表面上施加保护涂层，因为难以在涂层的内表面进行涂覆。
形成膨胀硅的方法可以包括电化学循环初始硅以形成膨胀硅。基于初始硅的总重量，初始硅可包括85至小于100重量％、或大于或等于95重量％、或99至99.99999重量％、或99.5至99.9重量％的硅。硅可以是包括锡、碳、锰、铁、锌或铝中的至少一种的硅合金。基于初始硅的总重量，初始硅可包括合金材料的0至5重量％或0.1至1重量％。本方法的优点在于，初始硅可以包括较低等级的硅，因为在电化学循环期间或随后的洗涤步骤中可以容易地去除杂质。
初始硅可以包括颗粒硅或硅纤维(例如，纳米纤维)中的至少一种。硅颗粒的最长尺寸或硅纳米纤维的直径可以小于或等于40微米，或10纳米至10微米，或0.1至30微米。初始硅的单位质量表面积可以为使用Brunauer-Emmett-Teller(BET)理论确定的1到100平方米/每克(m2/g)，或者1到80m2/g，或者1到60m2/g，或者1到50m2/g，或者1至30m2/g，或1至10m2/g，或1至5m2/g，或2至4m2/g。初始硅可以是部分结晶或完全结晶的。
初始硅也可以是涂覆的硅(例如，碳涂覆的硅)。基于涂覆的硅的总重量，涂覆的硅可包括小于或等于20重量％，或0至10重量％，或0.1至5重量％，或0.5至1重量％的涂覆材料。
可以将初始硅和电解质添加到电化学电池中。该图是电化学电池的实施例，其示出了硅颗粒2可以位于两个电连通的平行的工作电极电流收集器10和12之间。至少位于对电极20和初始硅2之间的工作电极电流收集器12可以是多孔的，其网眼尺寸小到足以防止初始硅穿过其中，但是大到足以允许电解质的流动。工作电极电流收集器10可以是多孔的或无孔的。每个负电极可以独立地具有0.1微米至1毫米的网眼尺寸，这取决于初始硅的粒径。可以将工作电极电流收集器10和12构造成在硅颗粒2上施加力，使得硅颗粒2保持彼此接触以允许电荷流过颗粒。另外，工作电极电流收集器10和12可以构造成允许其分离距离d的增加，以适应形成膨胀硅时硅颗粒2的膨胀。
尽管未示出，但是电化学电池，例如，如该图所示的，可以包括电流收集器，该电流收集器可以接收电子并将电子从外部电路传输到硅颗粒2。电流收集器可以包括铜、不锈钢、镍、钛、铂、金、银、铝、镁或钒中的至少一种。虽然可以使用铝和镁，但是为了避免硅颗粒2的锂化期间的副反应，可以不选择这些材料。
电化学电池可以包括未示出的隔板，该隔板可以防止两个或更多个电极之间的物理接触。隔板可包括聚烯烃(例如，聚乙烯或聚丙烯中的至少一种)。隔板可以包括以下中的至少一种：聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚酰胺、聚氨酯、聚碳酸酯、聚酯(例如，聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚萘二甲酸乙二酯或聚对苯二甲酸丁二酯)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚砜(PES)、聚酰亚胺(PI)、聚醚、聚甲醛、聚丁烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚氯乙烯(PVC)、聚硅氧烷(例如，聚二甲基硅氧烷(PDMS))、聚苯并咪唑(PBI)、聚苯并恶唑(PBO)、聚苯撑、聚(亚芳基醚酮)、聚全氟环丁烷、聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏二氯乙烯、聚氟乙烯、液晶聚合物、聚对羟基苯甲酸、聚芳酰胺或聚苯醚。隔板可以包括陶瓷材料，例如，Al2O3、Si3N4或SiC中的至少一种。
可以将导电的惰性颗粒分散在初始硅中。导电的惰性颗粒可以包括以下中的至少一种：碳、铜、镍或不锈钢。碳可包括石墨、石墨烯、碳纤维、碳纳米管、炭黑或硬碳中的至少一种。硬碳可以是即使加热超过2800摄氏度(℃)也不会转化为石墨的碳。
工作电极电流收集器10和12可各自独立地包括铜、镍或不锈钢中的至少一种。对电极20可以包括例如位于导电膜(例如铜膜)上的锂对电极。注意，尽管该图示出了锂对电极20，但是可以使用任何锂源。
例如，如该图所示的，电化学电池包括电解质4。可以添加电解质4以中和在电极周围形成的正电荷和负电荷。电解质4可以在电解质溶剂中包括锂化合物。该锂化合物可包括以下中的至少一种：六氟磷酸锂(LiPF6)、四氟硼酸锂(LiBF4)、高氯酸锂(LiClO4)、双草酸硼酸锂(LiBOB)、LiAlCl4、LiI、LiBr、LiNO3、LiB(C2O4)、LiBF2(C2O4)(LiODFB)、LiPF4(C2O4)(LiFOP)、LiSCN、LiB(C6H5)4、LiAsF6、LiCF3SO3、LiN(FSO2)2(LiFSI)、LiN(CF3SO2)2或双(三氟甲磺酰基)酰亚胺锂(LiTFSI)。
电解质可包括以下中的至少一种：1,3-二氧戊环、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、1,2-二甲氧基乙烷、1-2-二乙氧基乙烷、乙氧基甲氧基乙烷、四甘醇二甲醚(TEGDME)、聚乙二醇二甲醚(PEGDME)、碳酸亚乙酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯、碳酸亚丙酯或氟代碳酸亚乙酯)。电解质4可以是液体或可以是凝胶。电解质4中锂化合物的浓度可以小于或等于2摩尔/升。
例如，如该图所示的，电化学电池两端的电压可以相对于锂(例如，锂参考电极)从高电压循环到低电压，然后再回到高电压。电化学电池可包括参考电极，该参考电极可用于监测施加到电池上的电流量。随着电压从高电压循环到低电压，来自对电极20的锂离子穿过电解质4，穿过工作电极电流收集器12到达硅颗粒2，从而使它们膨胀。该反应可以用Si+xLi++xe-→LixSi描述，其中x可以为0≤x≤3.75，或0<x≤3.75，或0.5≤x≤1.5。相对于Li参考电极，随着电压从低电压到高电压循环，锂离子从硅颗粒2被去除，膨胀硅颗粒保留。尽管在第一循环后观察到一些收缩，但是在约2个循环后，膨胀硅颗粒可以保持其最大膨胀形式的最终体积。
循环可以重复2次或更多次，例如2至50次，或2至3次，或3至5次，直到达到最终体积并且已膨胀硅的体积膨胀已经完成。换句话说，在已达到最终体积之后，膨胀体积的进一步循环将导致体积变化小于或等于10体积％，或者在考虑进一步循环之前和之后的体积时为0到1体积％。该循环可以在对应于C/20至1C的恒定电流密度下发生，其中1C速率对应于填充没有锂的硅以在1小时内完全锂化的电流密度。优选速率为C/10。也可以使用可变的电流计划。
循环可以在恒定电流下经由受控电压条件发生。例如，可以在保持恒定电流的同时将电压从高电压循环到低电压，然后再循环回去。
循环可以经由受控电流、受控电压(CCCV)条件发生。例如，可以以恒定电流将电压从高电压循环到低电压。一旦获得低电压，就可以将电压保持恒定，并且可以将电流下降到第一电流值，同时保持恒定电流。在获得第一电流值之后，可以以恒定电流将电压从低电压增加到高电压。一旦获得高电压，就可以将电压保持恒定，并且可以将电流下降到第二电流值，同时保持恒定电流。
相对于锂基准，高电压可以为0.4至5伏，或0.5至5伏，或1至3伏，或0.5至1伏。相对于锂基准，低电压可以为5至190毫伏(mV)、5至100毫伏或40至60毫伏。可以选择相对电压，使得硅具有分子式LixSi，其中2≤x≤3.75。通过在循环过程中将该量的锂掺入硅中，可以帮助确保硅充分膨胀。从高电压到低电压以及从低电压回到高电压的循环分别可以分别单独花费5到100小时、5到50小时或10到20小时。例如，循环可以是C/2至C/50，或C/10至C/50。一旦达到目标电压(例如，低电压或高电压)，电压可以在回到高电压之前被保持(电位保持)一保持时间。保持时间可以由电流降至目标值(例如C/50速率)以下所花费的时间量确定。例如，可以通过在达到低电压时测量初始电流，然后在电流为初始测量电流的第1/50时停止施加电压，来确定用于保持电压的时间。
在最后一个循环期间，最终的电压升高可以使得锂的量保留在膨胀硅中。当用于电池中时，活性层中一些锂的存在足以平衡第一循环效率低下。例如，相对于锂基准，最终电压可以小于1伏，例如0.5至0.9伏。膨胀硅中锂的量在LixSi中可以是x，其中0≤x≤3.75，或0<x≤3.75，或0.5≤x≤1.5，其中x＝1为锂的优选量。
电化学循环可以使初始硅的体积膨胀大于或等于100％，或大于或等于250％，或250至350％，从而形成膨胀硅。基于膨胀硅的总体积，膨胀硅可具有40至90体积％或70至80体积％或50至75体积％的孔体积。孔隙率可通过测量循环前后的厚度变化并假设材料量相同来确定。膨胀硅的每单位质量的BET表面积可以为使用BET理论确定的10至600m2/g，或150至500m2/g。
在电化学循环之后，可以用洗涤溶剂洗涤膨胀硅。洗涤溶剂可以是惰性的，使得洗涤溶剂不会除去膨胀硅中的剩余锂。洗涤溶剂可包括N-甲基-吡咯烷酮(NMP)、丙酮、乙腈、乙醚、γ-丁内酯、异丙醇、碳酸二甲酯、碳酸乙酯、碳酸二甲氧基乙烷、碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯、乙醇或甲醇中的至少一种。
可以在电化学循环之前或之后从硅中浸出杂质(例如，铁)。浸出可包括引入硅(例如，引入初始硅或膨胀硅到浸出剂)。浸出剂可包括酸或氢氧化物。
在形成活性层之前，可以用碳层或氧化铝层中的至少一个涂覆膨胀硅。可以涂覆膨胀硅，使得颗粒的外表面和孔的内表面都被涂覆。由于硅颗粒已经膨胀到最终体积，因此在电池操作中使用时，涂层可以保持完整。
可以使用气态碳源、液态碳源或固态碳源来涂覆膨胀硅。气态碳源可包括以下中的至少一种：乙炔、甲烷、乙烷、乙烯，丙烯或一氧化碳。液态碳源可包括以下中的至少一种：苯、甲苯、二甲苯、乙醇、正己烷或环己烷。固体碳源可包括以下中的至少一种：聚(氯乙烯)、聚(偏二氟乙烯)、聚丙烯腈、聚(乙烯醇)、聚苯乙烯、酚醛树脂、环氧树脂、煤焦油沥青、石油沥青、蔗糖或葡萄糖。
可以通过在膨胀硅上沉积甲烷层并热解甲烷以形成碳涂层来沉积碳涂层。热解可进行0.5至2小时。热解可以在还原性气氛中进行，例如在包括氩气、氮气或氦气中的至少一种的惰性气氛中。
可以经由原子层沉积来涂覆膨胀硅，以形成例如氧化铝涂层。
基于膨胀硅的总重量，膨胀硅可占涂层的2至70重量％，或10至50重量％。涂层可以具有2至100纳米的厚度。
根据示例性实施例，用于电极的活性层可以包括膨胀硅。可以通过形成包括膨胀硅、粘合剂、可选的电子导电添加剂和可选的溶剂的混合物来制备活性层。然后可以由混合物形成活性层。
活性层可以通过间隙挤出、狭缝模头挤出、模头浆料涂布或叶片浇铸中的至少一种来形成。然后可以对活性层进行压延。活性层可以通过将混合物沉积到基板(例如，聚合物片或金属箔片)上并使用被控制为在基板上方一定距离(间隙)的平坦表面(例如，扁平片(blade))将混合物散布在基板上而形成。可以通过控制平坦表面与基板之间的间隙的高度来控制散布混合物的厚度。然后可以将混合物干燥以除去任何溶剂并形成活性层。活性层可以被压延。膨胀硅的机械性能足以承受压延而不会发生明显的压碎。
活性层的厚度可以是10至200微米，或50至100微米。
基于混合物的总重量减去任何溶剂，混合物可包括60至99重量％，或50至95重量％，或70至95重量％的膨胀硅。同样，基于活性层总重量，由其形成的活性层可以包括60至99重量％，或70至95重量％的膨胀硅。
粘合剂可包括以下至少一种：含氟聚合物(例如，聚四氟乙烯或聚偏二氟乙烯中的至少一种)、橡胶(例如，乙丙二烯M类橡胶(EPDM)或苯乙烯-丁二烯橡胶)、聚(酰胺酸)、聚酰亚胺、聚酰胺、酚醛树脂或环氧树脂、纤维素基粘合剂、聚(丙烯酸)、聚丙烯腈或藻酸盐基粘合剂。基于混合物的总重量减去任何溶剂，混合物可包括1至40重量％或5至30重量％的粘合剂。同样，基于活性层总重量，由其形成的活性层可以包括1至40重量％，或5至30重量％的粘合剂。
添加剂可包括导电填料中的至少一种，例如碳、铜、镍或不锈钢中的至少一种。导电填料可包括以下中的至少一种：石墨、石墨烯、碳纤维、碳纳米管、炭黑或硬碳。所述添加剂可以包括锡、锰氧化物或锂中的至少一种，而不是从电化学循环中添加的添加剂(例如钛酸锂)。基于混合物的总重量减去任何溶剂，混合物可包括1至20重量％或5至10重量％的添加剂。同样，基于活性层的总重量，由其形成的活性层可包括1至20重量％或5至10重量％的添加剂。
溶剂可包括以下中的至少一种：N-甲基-吡咯烷酮(NMP)、丙酮、乙醚、γ-丁内酯、异丙醇、碳酸二甲酯、碳酸乙酯、二甲氧基乙烷、乙醇或甲醇。基于混合物的总重量，混合物可包括0至70重量％的溶剂。
电极可包括活性层和电流收集器。电流收集器可以包括铜、镍、不锈钢或碳中的至少一种。
电极可用于电池中，例如，使用锂板作为对电极，可将包括膨胀硅的活性层组装成锂离子电池。电极可用作电化学偶。电极可用于可充电或不可充电电池。该电池可包括位于负电极和正电极之间的隔板。当电池是锂离子电池时，隔板可以是锂离子可渗透的。离子可以例如通过上述电化学电池中所使用的电解质在电池中传输。负载或充电器可以分别经由处于放电构造或充电构造的电流收集器电连接至负电极和正电极。负电极可以包括膨胀硅活性层。
电池可以用在的车辆中，例如位于车辆的前部、中部或后部。电池可以联接到车辆的底部。当在车辆中使用时，该电池可以是锂离子电池，例如，用作具有混合动力驱动的车辆或燃料电池车辆的电池。
所述组合物、方法和制品可以可替代地包括由本文公开的任何合适的材料、步骤或组分，由其或基本上由其组成。所述组合物、方法和制品可以另外地或可替代地配制为不含或基本上不含对于所述组合物、方法和制品的功能或目的的实现而言不是必需的任何材料(或种类)、步骤或组分。
术语“一(a)”和“一个(an)”不表示数量限制，而是表示存在至少一个所引用的项目。除非上下文另外明确指出，否则术语“或”表示“和/或”。
在整个说明书中对“一特征”、“一实施例”、“另一个实施例”、“一些实施例”等的引用是指关于所述实施例所描述的特定元件(例如，特征、结构、步骤或特性)包括在本文所述的至少一个实施例中，并且可以存在或可以不存在于其他实施例中。另外，应当理解，在各个实施例中，可以以任何合适的方式来组合所描述的元件。指向相同组分或属性的所有范围的端点均包括这些端点，可以独立组合，并且包括所有中间点和范围。例如，“5至20毫米”的范围包括端点和该范围的所有中间值，例如10至23毫米等。术语“至少一个”是指该列表包括单独每个元件，以及该列表的两个或多个元件的组合，以及该列表的至少一个元件与未命名的相似元件的组合。除非另有定义，否则本文中使用的技术和科学术语具有与本公开所属领域的技术人员通常所理解的相同含义。
尽管已经参考示例性实施例描述了以上公开，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本发明范围的情况下，可以进行各种改变并且可以用等同物代替其元件。另外，在不脱离本公开的实质范围的情况下，可以做出许多修改以使特定情况或材料适应本公开的教导。因此，意图是本公开不限于所公开的特定实施例，而是将包括落入其范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种膨胀硅电极，包括：
电流收集器；和
活性层，位于电流收集器上并与电流收集器电连通；其中活性层包括粘合剂、膨胀硅和可选的锂，其中膨胀硅具有分子式LixSi,其中0≤x≤3.75；
其中相对于使用前活性层的初始体积，活性层在使用时膨胀小于或等于10体积％；和
其中电极可选地是负电极。
2.根据权利要求1所述的膨胀硅电极，其中，膨胀硅具有以下中的至少一个：基于膨胀硅的总体积的60至90体积％或70至80体积％的孔体积；为10至600平方米/克，或150至500平方米/克的每单位质量的BET表面积；碳涂层；或氧化铝涂层。
3.根据权利要求1所述的膨胀硅电极，其中，所述活性层中的至少一个包括基于所述活性层的总重量的60至99重量％或70至95重量％的膨胀硅；或其中粘合剂包含含氟聚合物、橡胶、聚(酰胺酸)、聚酰亚胺、聚酰胺、酚醛树脂、纤维素基粘合剂、聚(丙烯酸)、聚丙烯腈、藻酸盐基粘合剂或环氧树脂中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的膨胀硅电极，其中，所述活性层还包括锡、碳、锰、铁、锌或铝中的至少一种。
5.一种电池，包括：
正电极、膨胀硅负电极以及位于该正电极与膨胀硅负电极之间的隔板；
其中，所述膨胀硅负电极包括电流收集器和位于该电流收集器的至少一侧上并与所述电流收集器电连通的活性层；
其中活性层包括粘合剂、膨胀硅和可选的锂，其中膨胀硅具有分子式LixSi，其中0≤x≤3.75；和
其中相对于使用前活性层的初始体积，活性层在使用时膨胀小于或等于10体积％；
其中所述电池可选地是锂离子电池。
6.一种形成用于电极的活性层的方法，包括：
将初始硅对锂从第一电压电化学循环到第二电压至少两次以形成膨胀硅；其中，电化学循环之后，膨胀硅具有分子式LixSi，其中0≤x≤3.75；
可选地用惰性溶剂洗涤膨胀硅；
形成包括膨胀硅、粘合剂、可选的导电填料和可选的溶剂的混合物；和
由该混合物形成活性层；其中相对于使用前活性层的初始体积，活性层在使用时膨胀小于或等于10体积％。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述电化学循环发生在电化学电池中，该电化学电池包括两个并联的工作电极电流收集器、锂对电极；其中两个工作电极电流收集器被定位为使得它们保持与初始硅的电连通，并且在电化学循环期间能够增加它们之间的相对距离以形成膨胀硅。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述电化学循环包括从高电压循环到低电压并回到高电压两次或更多次。
9.根据权利要求6所述的方法，其中，基于所述初始硅的总重量，所述初始硅包含大于或等于95重量％的硅。
10.根据权利要求6所述的方法，其中，所述膨胀硅的体积大于所述初始硅的体积的100％。
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