CN114868279A - 将碳组合物作为致密且导电的阴极的导电添加剂的方法和系统 - Google Patents

将碳组合物作为致密且导电的阴极的导电添加剂的方法和系统 Download PDF

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Abstract

将碳组合物作为致密且导电的阴极的导电添加剂的系统和方法可以包括阴极、电解质和阴极活性材料。所述活性材料可以包括阳极、电解质和包含活性材料的阴极。所述活性材料可以包括在三个维度上具有纳米级结构的0D导电碳颗粒和在两个维度上具有纳米级结构的1D导电碳颗粒，其中所述1D碳颗粒具有小于120nm的直径和30m2/g的表面积。所述0D和1D颗粒可以占所述活性材料的1％至10％。所述1D导电碳颗粒可以包括碳纳米管、碳纳米纤维和/或气相生长碳纤维。所述阴极活性材料可以包括镍钴铝氧化物(NCA)、镍钴锰氧化物、磷酸铁锂、磷酸铁锂、锂钴氧化物、锂锰氧化物或其混合物和组合。

Description

将碳组合物作为致密且导电的阴极的导电添加剂的方法和 系统
相关申请的交叉引用/援引并入
本专利申请参考并要求于2019年12月20日提交的第16/722,442号美国专利申请的优先权和权益。上述申请通过引用据此整体并入本文。
技术领域
本公开内容的方面涉及能量产生和存储。更具体地，本公开内容的某些实施方案涉及将碳组合物作为致密且导电的阴极的导电添加剂的方法和系统。
背景技术
用于电池阴极的常规方法可能是昂贵的、笨重的和/或低效的，例如，它们可能实施起来复杂和/或耗时，并且可能限制电池使用寿命。
通过将这种系统与如本申请的其余部分中参考附图所阐述的本公开内容的一些方面进行比较，常规和传统方法的其它限制和缺点对于本领域技术人员而言将变得显而易见。
发明内容
将碳组合物作为致密且导电的阴极的导电添加剂的系统和/或方法，大体上如至少一个图所示和/或如关于至少一个图所述，如权利要求中更完整地阐述。
根据以下描述和附图，将更全面地理解本公开内容的这些和其它优点、方面和新特征，以及其所示实施方案的细节。
附图说明
图1是根据本公开内容的示例性实施方案的电池的图。
图2例示出根据本公开内容的示例性实施方案的二元和三元碳复合物的图示。
图3是根据本公开内容的示例性实施方案的用于形成具有碳复合阴极的电池的直接涂覆方法的流程图。
图4是根据本公开内容的示例性实施方案的用于层压电极的替代方法的流程图。
图5例示出根据本公开内容的示例性实施方案的具有各种碳添加剂的阴极电阻。
图6根据本公开内容的示例性实施方案的具有各种碳添加剂的阴极的密度。
图7例示出根据本公开内容的示例性实施方案的具有各种碳添加剂组合物的阴极的导通电阻。
图8例示出根据本公开内容的示例性实施方案的具有对照阴极的电池相对于具有0D和1D导电碳的混合物作为添加剂的非标准阴极的电池的恒电流循环性能。
具体实施方式
图1是根据本公开内容的示例性实施方案的电池的图。参考图1，示出了电池100，所述电池100包括夹置在阳极101与阴极105之间的隔板103，以及集流器107A和107B。还示出了联接至电池100的负载109，例示出当电池100处于放电模式时的情况。在本公开内容中，术语“电池”可以用于指示单个电化学电池，形成为模块的多个电化学电池和/或形成为组件的多个模块。
便携式电子装置的发展和运输的电气化驱动了对高性能电化学能量存储的需求。相对于其它可充电电池化学品，小规模(<100Wh)至大规模(>10KWh)装置由于锂离子(Li离子)电池的高性能而主要使用锂离子电池。
阳极101和阴极105，连同集流器107A和107B，可以包括电极，所述电极可以包括在电解质材料内或容纳电解质材料的板或膜，其中板可以提供用于容纳电解质的物理屏障以及与外部结构的导电接触。在其它实施方案中，阳极/阴极板浸没在电解质中，同时外壳提供电解质容纳。阳极101和阴极电联接至集流器107A和107B，集流器107A和107B包含金属或其它导电材料用于提供与电极的电接触以及在形成电极时对活性材料的物理支撑。
图1中所示的配置例示出处于放电模式的电池100，而在充电配置中，可以用充电器代替负载107以逆转该过程。在一类电池中，隔板103通常是由例如电绝缘聚合物制成的膜材料，这防止电子从阳极101流到阴极105，或者反之亦然，同时是足够多孔的以允许离子穿过隔板103。通常，隔板103、阴极105和阳极101材料分别形成为片、膜或活性材料涂覆的箔。将阴极、隔板和阳极的片依次堆叠或轧制，使隔板103将阴极105与阳极101分隔，以形成电池100。在一些实施方案中，隔板103是片并且通常在其制造中采用卷绕方法和堆叠。在这些方法中，阳极、阴极和集流器(例如，电极)可以包括膜。
在示例性情形中，电池100可以包含固体、液体或凝胶电解质，并且可以包含固体锂离子导体或半固体锂离子导体。隔板103优选不溶于典型的电池电解质，例如可以包含以下的组合物：碳酸亚乙酯(EC)、氟代碳酸亚乙酯(FEC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸二乙酯(DEC)等，以及溶解的LiBF4、LiAsF6、LiPF6和LiClO4等，固体锂离子导体或半固体锂离子导体。隔板103可以用液体或凝胶电解质润湿或浸泡。此外，在示例性实施方案中，隔板103在低于约100℃至120℃不熔化，并且表现出足够的机械性质用于电池应用。在操作中，电池可以经历阳极和/或阴极的膨胀和收缩。在示例性实施方案中，隔板103可以膨胀和收缩至少约5％至10％而不失效，并且还可以是柔性的。
隔板103可以是足够多孔的，使得一旦用例如液体或凝胶电解质润湿，离子就可以穿过隔板。替代地(或额外地)，即便没有显著的孔隙度，隔板也可以通过胶凝或其它方法吸收电解质。隔板103的孔隙度通常也不会太多孔以致允许阳极101和阴极105通过隔板103传递电子。
阳极101和阴极105包括用于电池100的电极，提供与用于在充电和放电状态下传递电荷的装置的电连接。例如，阳极101可以包含硅、碳或这些材料的组合。典型的阳极电极包含碳材料，其包括诸如铜片的集流器。碳是常用的，因为碳具有优异的电化学性质并且还是导电的。目前在可充电锂离子电池中使用的阳极通常具有约200毫安小时/克的比容量。用于大多数锂离子电池阳极的活性材料石墨具有372毫安小时每克(mAh/g)的理论能量密度。相比之下，硅具有4200mAh/g的高的理论容量。为了增加锂离子电池的体积能量密度和重量能量密度，硅可以用作阴极或阳极的活性材料。硅阳极可以由例如具有超过50％的硅的硅复合物形成。
在示例性情况下，阳极101和阴极105存储用于分离电荷的离子，例如锂。在该实例中，电解质在放电模式下将带正电的锂离子从阳极101携带到阴极105，例如如图1中所示，并且反之亦然，在充电模式下穿过隔板105。锂离子的运动在阳极101中产生自由电子，这在正集流器107B处产生电荷。然后电流从所述集流器通过负载109流到负集流器107A。隔板103阻挡电池100内的电子流，允许锂离子流，并且防止电极之间的直接接触。
当电池100放电并且提供电流时，阳极101释放锂离子经由隔板103到达阴极105，从而产生从一侧经由联接的负载109到另一侧的电子流动。当对电池充电时，发生相反的情况，其中锂离子被阴极105释放并且由阳极101接收。
为阳极101和阴极105选择的材料对于电池100可能的可靠性和能量密度是重要的。当前锂离子电池的能量、功率、成本和安全性需要改善，以便例如与内燃机(ICE)技术竞争并且允许电动车辆(EV)的广泛采用。随着高容量且高电压阴极、高容量阳极以及具有高电压稳定性和与电极的界面兼容性的功能性不可燃电解质的开发，实现了高能量密度、高功率密度和改善的安全性的锂离子电池。此外，将具有低毒性的材料作为电池材料对降低工艺成本和促进消费者安全性是有利的。
电化学电极的性能虽然取决于许多因素，但很大程度上取决于电极颗粒之间以及集流器与电极颗粒之间的电接触的稳健性。硅阳极电极的导电性可以通过掺入具有不同形态性质的导电添加剂来控制。炭黑(Super P)、气相生长碳纤维(VGCF)以及两者的混合物先前已经单独地结合到阳极电极中，导致阳极性能的改善。两种碳材料之间的协同相互作用可以促进在充电和放电期间硅阳极的大体积变化中的电接触。
现有技术的锂离子电池通常采用石墨占主导的阳极作为锂的插层材料。然而，与石墨占主导的锂离子电池相比，硅占主导的阳极提供了改善。硅表现出高重量容量(3579mAh/g相对于石墨的372mAh/g)和体积容量(2194mAh/L相对于石墨的890mAh/L)。此外，基于硅的阳极相对于Li/Li+具有在约0.3V至0.4V的锂化/去锂化电压平台，这使其保持开路电势，避免了不希望的Li析出和枝晶形成。虽然硅显示出优异的电化学活性，但由于硅在锂化和去锂化期间的大体积变化，实现基于硅的阳极的稳定循环寿命具有挑战性。硅区域可能失去与阳极的电接触，因为大的体积变化与其低电导率相结合将硅与阳极中的周围材料分开。
此外，大的硅体积变化加剧了固体电解质中间相(SEI)的形成，这可以进一步导致电绝缘，从而导致容量损失。在充电-放电循环时硅颗粒的膨胀和收缩引起硅颗粒的粉碎，这增加了其比表面积。随着循环间期硅表面积变化和增加，SEI反复地解体和重组。因此，SEI在循环期间不断地积聚在粉碎的硅区域周围，变成厚的电子和离子绝缘层。这种累积的SEI增加了电极的阻抗并且降低了电极电化学反应性，这对循环寿命是有害的。
提高锂离子电池阳极和阴极的导电性的解决方案是添加导电碳添加剂。向阳极和阴极添加导电添加剂的两个主要益处是改善了颗粒与颗粒的导电性和改善了颗粒与集流器的导电性。这些添加剂保持电子的导电路径，使电极活性材料中的容量损失最小化，并因此增强锂离子电池的整体性能。由于硅占主导的阳极的大的体积变化，在整个体积变化中保持导电路径仍然是具有挑战性的。通常，锂离子电池采用具有不弯曲的刚性结构的碳添加剂来适应体积变化。在本公开内容的示例性实施方案中，通过将具有不同形态的导电添加剂的共混物添加到阳极来制备高性能阳极材料，其通过利用“缓冲效应”来适应循环期间电极的体积变化。
在所有潜在的阴极活性材料中，NCA(镍钴铝氧化物)和NCM(镍钴锰氧化物)被认为是最有前景的材料之一。NCA显示出优异的热力学稳定性和高达200mAh/g的比容量。尽管NCA由于其长期稳定性和高能量密度而闻名，但由于其循环稳定性差和电导率低，它也被显示是有问题的。因此，材料的电导率差也会损害其电化学性能。尽管NCA和NCM的电导率高于橄榄石阴极，但仍需要碳作为阴极的添加剂以改善其电导率。为了改善阴极的电导率，碳组合物至少包含0D导电碳(多孔且高表面积的碳材料，例如SuperP、Ketjen Black等)；并且可以将1D导电碳(在两个维度上具有纳米级结构的管状碳源，例如碳纳米管、碳纳米纤维(CNF)和气相生长碳纤维(VGCF)等)添加到组合物中。这些碳添加剂可以提供优于常规碳的益处，例如除了提供更好的机械和电性质之外，它们可以更容易分散和加工。电化学电极的性能虽然取决于许多因素，但很大程度上取决于电极颗粒之间以及集流器与电极颗粒之间的电接触的稳健性。在本公开内容中，通过向阴极添加具有不同形态的导电添加剂的共混物来制备致密且高性能的阴极材料。
图2例示出根据本公开内容的示例性实施方案的二元和三元碳复合物的图示。各种材料类型被标记为0D、1D和2D以指示其中结构不限于纳米级尺寸的维度数量，即其中结构延伸超过纳米级距离的维度数量。例如，平面结构(例如石墨烯)受限于一个维度，例如一个原子层，但在两个维度上延伸较大的距离，而碳纳米管基本上是线性的，受限于两个维度，但在一个维度上延伸远远超过在两个纳米级维度上的结构的尺寸，例如纵横比为20或更大。0D结构在所有三个维度上受限于小尺寸，即非常小的颗粒，例如炭黑，类似于量子结构中的量子点，并且可以包括大致球形的形状。
纤维状VGCF(1D)与Super P(0D)和石墨烯薄片(2D)结合地形成电通路，该电通路可以拉伸，从而在电极的体积变化期间提供与硅和/或碳颗粒的连续电接触。碳的特定混合允许碳彼此相互作用并更容易地保持导电网络。例如，一种解释可以是0D材料在1D与2D材料之间提供许多移动的连接点。2D结构可以抵靠其它2D结构滑动，并且1D材料可以在不同的导电区之间提供“桥”。
在本公开内容中描述的共轭碳基体容易分散在阴极浆料中，使得电极更致密，并且显示出阴极电导率的改善。在一个实例中，具有某些特性的VGCF(在下文，称为HP_VGCF)具有(a)<120nm的纤维直径，(b)>30m2/g的表面积和<180mJ/m2的分散表面能，导致改善的阴极性能。具有更大纤维直径和更低表面积的VGCF在下文被称为LP_VGCF。
图3是根据本公开内容的示例性实施方案的用于形成具有碳复合阴极的电池的直接涂覆方法的流程图。该方法包括将活性材料、导电添加剂和粘结剂物理地混合在一起，并且将其直接涂覆在集流器上。该示例性方法包括直接涂覆方法，其中使用诸如CMC、SBR、藻酸钠、PAI、PAA、PI及其混合物和组合的粘结剂将阳极浆料直接涂覆在铜箔上。另一个示例性方法包括在基板上形成活性材料，然后转移至集流器，如关于图4所述。
在步骤301中，可以使用粘结剂/树脂(例如PI、PAI)、溶剂和导电碳来混合原始电极活性材料。例如，对于阴极，Super P/VGCF(按重量计1:1)可以在1500至2500rpm下分散在粘合剂溶液(NMP和PVDF的混合物)中，持续0.5至2分钟。可以将NCA阴极材料粉末与NMP溶剂一起添加到混合物中，然后在1500至2500rpm下再分散1至3分钟，以实现2000至4000cP内的浆料粘度(总固体含量为约48％)。另一种示例性复合材料包括Ketjen Black ECP/HP_VGCF(按重量计1:1)的共混物。可以使用类似的方法来混合阳极的活性材料浆料。
在步骤303中，阴极浆料可以以例如15至25mg/cm2的负载量涂覆在铝箔上。类似地，阳极浆料可以以例如3至4mg/cm2的负载量涂覆在铜箔上，其可以在步骤305中进行干燥，产生小于13至20％的残留溶剂含量。
在步骤307中，可以使用任选的压延过程，其中可以使用一系列硬压辊来将膜/基板修整成更平滑且更致密的材料片。
在步骤309中，活性材料可以通过加热到500至800C来热解，使得碳前驱体部分或完全转化为玻璃碳。热解可以以辊的形式进行，或者在步骤311中的冲压之后进行。如果以辊的形式进行，则在热解过程之后进行冲压。然后可以用隔板和阴极与电解质一起夹置经冲压的电极以形成电池。在步骤313中，电池可以进行包括初始充电和放电步骤的化成过程，以锂化阳极，其中剩余一些残留的锂，并且测试电池以确定性能。
图4是根据本公开内容的示例性实施方案的用于层压电极的替代方法的流程图。虽然先前制造复合阳极的方法采用了直接涂覆过程，但该方法将活性材料、导电添加剂和粘结剂物理地混合在一起，并与剥离和层压过程相结合。
该方法在图4的流程图中示出，以步骤401开始，其中可以使用粘结剂/树脂(例如PI、PAI)、溶剂和导电碳混合原始电极活性材料。例如，对于阴极，Super P/VGCF(按重量计1:1)可以在1500至2500rpm下分散在粘合剂溶液(NMP和PVDF的混合物)中，持续0.5至2分钟。可以将NCA阴极材料粉末与NMP溶剂一起添加到混合物中，然后在1500至2500rpm下再分散1至3分钟，以实现2000至4000cP内的浆料粘度(总固体含量为约48％)。可以使用类似的方法来混合阳极的活性材料浆料。
在步骤403中，浆料可以涂覆在聚合物基板上，例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚丙烯(PP)或Mylar。对于阳极，浆料可以以3至4mg/cm2的负载量(具有13至20％溶剂含量)涂覆在PET/PP/Mylar膜上，而对于阴极，浆料可以以15至25mg/cm2的负载量涂覆在PET/PP/Mylar膜上，然后在步骤405中干燥以去除一部分溶剂。可以使用任选的压延过程，其中可以使用一系列硬压辊来将膜/基板修整成平滑且致密的材料片。
在步骤407中，然后可以从PET中去除生膜，其中可以将活性材料从聚合物基板上剥离，剥离过程对于聚丙烯(PP)基板是任选的，因为PP在热解时可以留下约2％的炭残留物。剥离之后可以进行固化和热解步骤409，其中可以将膜切割成片，并且使用两阶段方法(100至140℃持续15小时，200至240℃持续5小时)进行真空干燥。干膜可以在1000至1300℃进行热处理以将聚合物基质转化成碳。
在步骤411中，可以将热解的材料平压或辊压层压在集流器上，其中对于阴极，可以用标称负载量为0.35至0.75mg/cm2的聚酰胺-酰亚胺(作为在NMP中的5至7wt％清漆施用，在100至140℃下真空干燥10至20小时)涂覆铝箔，而对于阳极，可以用标称负载量为0.35至0.75mg/cm2的聚酰胺-酰亚胺(作为在NMP中的5至7wt％清漆施用，在100至140℃下真空干燥10至20小时)涂覆铜箔。在平压层压中，可以使用加热的液压机(30至70秒，250至350℃，并且3000至5000psi)将活性材料复合膜层压到涂覆的铝或铜上，从而形成最终的复合电极。在另一个实施方案中，热解的材料可以被辊压层压至集流器。
在步骤413中，然后可以用隔板和电解质一起夹置电极以形成电池。电池可以进行包括初始充电和放电步骤的化成过程以锂化阳极，其中剩余一些残留的锂，并且可以进行测试以评估电池性能。
图5例示出根据本公开内容的示例性实施方案的具有各种碳添加剂的阴极电阻。参考图5，示出了跨没有碳添加剂的标准阴极、具有LP_VGCF和Super P的阴极、具有HP_VGCF和Super P的阴极以及具有HP_VGCF和炭黑ECP的阴极的按mΩ计的电阻测量。如图5中所示，HP_VGCF和Super P阴极具有最低的电阻。
图6根据本公开内容的示例性实施方案的具有各种碳添加剂的阴极的密度。参考图6，示出了没有碳添加剂的标准阴极、具有LP_VGCF和Super P的阴极、具有HP_VGCF和Super P的阴极以及具有HP_VGCF和炭黑ECP的阴极的密度。密度测量代表压延后的阴极。如图6中所示，HP_VGCF/Super P和HP_VGCF/ECP具有最高的可实现密度，为约3.4g/cc。
图7例示出根据本公开内容的示例性实施方案的具有各种碳添加剂组合物的阴极的导通电阻。参考图7，示出了具有HP_VGCF与Super P的比例为2:1、1:1和1:2的各种碳添加剂组合物的阴极以及不添加VGCF/Super P的标准阴极的按mΩ计的导通电阻。该图例示出当HP_VGCF:SP的比例接近1:1时，电极显示出最低的电阻。
图8例示出根据本公开内容的示例性实施方案的具有对照阴极的电池相对于具有0D和1D导电碳的混合物作为添加剂的非标准阴极的电池的恒电流循环性能。参考图8，示出了每个阴极类型的容量保持百分比。在该实例中，HP_VGCF和LP_VGCF阴极包含活性材料，其中将对照阴极的4％用比例为1:1的0D碳(SP)和1D碳(碳纤维)的混合物代替。该图显示，相对于对照阴极，在使用HP_VGCF的情况下，添加二元碳混合物改善了性能，而与对照和HP_VGCF相比，相同量的LP_VGCF则降低了性能。
以上公开的数据说明，碳添加剂可以导致电池电阻降低、密度改善、循环能力改善和倍率能力改善。阴极活性材料可以包括0D导电碳(包括诸如Super P、Ketjen Black的材料)和1D导电碳(包括诸如碳纳米管、碳纳米纤维和气相生长碳纤维(VGCF)的材料)。碳添加剂可以占总阴极活性材料组合物的1％至10％。1D导电碳管可以具有120nm或更小的直径和如果大于30m2/g的表面积。碳混合物可以包含VGCF和以下中的至少一种：CNF、SP、KB、碳纳米棒、掺杂碳、无定形碳、结晶碳、石墨、石墨烯及其混合物和组合。1D碳与0D碳的比例可以是0.5至2。在一个示例性实施方案中，1D:0D比例为1。阴极活性材料可以包含NCA、NCM、磷酸铁锂(LFP)、锂钴氧化物(LCO)、锂锰氧化物(LMO)或其混合物和组合。电池活性离子可以包括锂。阳极活性材料可以包括锂、钠、钾、硅及其混合物和组合中的一种或多种。阳极活性材料可以包括硅，其中硅占阳极活性材料的50％至95％。
在示例性情况下，碳材料或碳颗粒可以占活性材料组合物的1％至40％，其中硅占60％至99％。0D颗粒可以具有50nm的最大直径，并且可以包括多孔且高表面积的碳材料，例如Super P、Ketjen Black和其它此类材料。1D颗粒可以具有至少20的纵横比，并且可以包括在二维中具有纳米级结构的管状或纤维状碳源，例如碳纳米管、碳纳米纤维(CNF)和气相生长碳纤维(VGCF)。
2D碳结构可以在两个非纳米维度中的每一个中具有微米级的平均尺寸，例如1μm至30μm。此外，活性材料可以包含3D碳，例如石墨，其中该材料在任一个维度上均不限于纳米级。尽管以上阳极形成工艺例示出结合到硅中的碳，但本公开内容不限于此，因为其它阳极材料和组合也是可以使用的材料，例如锂、钠、钾、硅及其混合物和组合。
三元碳混合物可以选自0D、1D和2D/3D碳，其中0D碳包括例如KB、SP或掺杂的多孔碳纳米颗粒，1D碳包括VGCF、CNF或碳纳米棒，并且2D/3D碳包括例如石墨烯或石墨。或者，碳混合物可以选自无定形碳(0D和1D)和结晶碳(1D-3D)及其组合。
在本公开内容的示例性实施方案中，描述了用于电池的方法和系统，其中将碳组合物作为致密且导电的阴极的导电添加剂。电池可以包括阳极、电解质和包含活性材料的阴极。该阴极活性材料可以包括在三个维度上具有纳米级结构的0D导电碳颗粒和在两个维度上具有纳米级结构的1D导电碳颗粒，其中1D碳颗粒具有小于120nm的直径和30m2/g的表面积。阴极活性材料可以包括镍钴铝氧化物(NCA)、镍钴锰氧化物(NCM)、磷酸铁锂(LFP)、磷酸铁锂(LFP)、锂钴氧化物(LCO)、锂锰氧化物(LMO)或其混合物和组合。
0D和1D颗粒可以占活性材料的1％至10％。阳极可以包含活性材料，所述活性材料包含20％至95％的硅或50％至95％的硅。0D导电碳颗粒可以具有50nm或更小的直径。1D导电碳颗粒可以包括碳纳米管、碳纳米纤维(CNF)和/或气相生长碳纤维(VGCF)。1D导电碳颗粒可以具有20或更大的纵横比。活性材料可以包括2D导电碳颗粒。电池可以包括锂离子电池。电解质可以包括液体、固体或凝胶。
如本文所用，“和/或”意指列表中由“和/或”连接的任何一个或多个项目。作为实例，“x和/或y”意指三个要素集合{(x),(y),(x,y)}中的任何要素。换而言之，“x和/或y”意指“x和y中的一个或两个”。作为另一个实例，“x、y和/或z”意指七个要素集合{(x),(y),(z),(x,y),(x,z),(y,z),(x,y,z)}中的任何要素。换而言之，“x、y和/或z”意指“x、y和z中的一个或多个”。如本文所用，术语“示例性”意指用作非限制性实例、例子或示例。如本文所用，术语“例如(e.g.)”和“例如(for example)”引出一个或多个非限制性实例、例子或示例的列表。如本文所用，每当电池、电路或装置包括执行功能所必需的硬件和代码(如果需要的话)时电池、电路或装置“可操作”地执行该功能，而不管该功能的执行是否被禁用或未启用(例如，通过用户可配置的设置、工厂修整、配置等)。
尽管已经参考某些实施方案描述了本发明，但本领域技术人员应理解，在不背离本发明的范围的情况下，可以进行各种改变并且可以替换等同物。此外，在不背离本发明的范围的情况下，可以进行许多修改以使特定的情况或材料适应本发明的教导。因此，本发明不旨在局限于公开的具体实施方案，而是本发明将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施方案。

Claims (20)

1.电池，所述电池包括：
阳极、电解质和包含活性材料的阴极，所述活性材料包含：
在三个维度上具有纳米级结构的0D导电碳颗粒；以及
在两个维度上具有纳米级结构的1D导电碳颗粒，其中所述1D碳颗粒具有小于120nm的直径和30m2/g的表面积。
2.如权利要求1所述的电池，其中所述0D和1D颗粒占所述活性材料的1％至10％。
3.如权利要求1所述的电池，其中所述0D导电碳颗粒具有50nm或更小的直径。
4.如权利要求1所述的电池，其中所述1D导电碳颗粒包括碳纳米管、碳纳米纤维(CNF)和/或气相生长碳纤维(VGCF)。
5.如权利要求1所述的电池，其中所述1D导电碳颗粒具有20或更大的纵横比。
6.如权利要求1所述的电池，其中所述活性材料包含2D导电碳颗粒。
7.如权利要求1所述的电池，其中所述阴极活性材料包含镍钴铝氧化物(NCA)、镍钴锰氧化物(NCM)、磷酸铁锂(LFP)、磷酸铁锂(LFP)、锂钴氧化物(LCO)、锂锰氧化物(LMO)或其混合物和组合。
8.如权利要求1所述的电池，其中所述阳极包含活性材料，所述活性材料包含20％至95％的硅。
9.如权利要求1所述的电池，其中所述电池包括锂离子电池。
10.如权利要求1所述的电池，其中所述电解质包括液体、固体、凝胶、固体锂离子导体或半固体锂离子导体。
11.形成电池的方法，所述方法包括：
形成包括阳极、阴极和电解质的电池，所述阴极包含活性材料，所述活性材料包含：
在三个维度上具有纳米级结构的0D导电碳颗粒；以及
在两个维度上具有纳米级结构的1D导电碳颗粒，其中所述1D碳颗粒具有小于120nm的直径和30m2/g的表面积。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述0D和1D颗粒占所述活性材料的1％至10％。
13.如权利要求11所述的方法，其中所述0D导电碳颗粒具有50nm或更小的直径。
14.如权利要求11所述的方法，其中所述1D导电碳颗粒包括碳纳米管、碳纳米纤维(CNF)和/或气相生长碳纤维(VGCF)。
15.如权利要求11所述的方法，其中所述1D导电碳颗粒具有20或更大的纵横比。
16.如权利要求11所述的方法，其中所述活性材料包含2D导电碳颗粒。
17.如权利要求11所述的方法，其中所述阴极活性材料包含镍钴铝氧化物(NCA)、镍钴锰氧化物(NCM)、磷酸铁锂(LFP)、磷酸铁锂(LFP)、锂钴氧化物(LCO)、锂锰氧化物(LMO)或其混合物和组合。
18.如权利要求11所述的方法，其中所述阳极包含活性材料，所述活性材料包含20％至95％的硅。
19.如权利要求11所述的方法，其中所述电池包括锂离子电池，并且所述电解质包括液体、固体或凝胶。
20.电池，所述电池包括：
包括阴极、电解质和阳极的电池，所述阳极包含大于50％的硅的活性材料，并且所述阴极包含包括以下的活性材料：
在三个维度上具有纳米级结构的0D导电碳颗粒；以及
在两个维度上具有纳米级结构的1D导电碳颗粒，其中所述1D碳颗粒具有小于120nm的直径和30m2/g的表面积。
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