Docket No. GRUEP026WO   PCT Patent Application  CARBON‐SILICON COMPOSITE STRUCTURES AND METHODS OF  FABRICATING THEREOF      CROSS‐REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS  [0001] This application claims  the benefit under 35 U.S.C. § 119(e) of US Provisi onal  Patent Application 63/379,810,  filed on 2022‐10‐17, which  is  incorporated herein by  reference in its entirety for all purposes.       BACKGROUND  [0002] High‐capacity materials, such as silicon, are very  desirable for various battery  applications because of their high gravimetric (3579  mAh/g) and volumetric capacities.  However, many high‐capacity materials undergo signifi cant volume changes during  charge‐discharge cycling (e.g., incorporation‐removal  of lithium ions). The repeated  cycling and corresponding volume changes can cause pu lverization of these materials  and/or loss of electrical connections between these m aterials and other electrode  components. Conventional integration of high‐capacity� �materials into electrodes  typically results in high irreversible capacity losses , excessive solid electrolyte  interphase (SEI) formation, and losses of electrical  contacts within electrodes formed  from these materials, all of which are highly undesi rable. These issues have limited the  application of high‐capacity active materials in bat teries. As a result, graphite with a  capacity of only 372 mAh/g remains the most common  negative active material in  lithium‐ion batteries.  [0003] Different solutions have been proposed to address the se high‐capacity  material integration issues. One example involves usin g silicon nanostructures with  controlled porosity to buffer the volume expansion. A nother example uses composites  with a conductive matrix including various carbon str uctures. For example, chemical  vapor deposition (CVD) has been proposed for depositi ng silicon structures (from gas‐ phase Si‐containing precursors such as silane (SiH ₄ ) and silicon tetrachloride (SiCl ₄ )) and  onto various matrix materials. Unfortunately, gas‐pha se precursors are flammable (or  even explosive) and are difficult to transport over  long distances. Furthermore, a gas  phase precursor occupies a much larger space in comp arison to liquid or solid  Page 1 of 33    Docket No. GRUEP026WO  precursors needed to produce the same amount of sili con. Yet another example relies  on nano‐silicon domains dispersed in bulky silicate� �matrices (e.g., MgSiO ₃ , Li ₂ SiO ₃ ).  However, all of the solutions have various drawbacks� �such as the low packing density  of porous materials, the high production cost of dep ositing silicon onto the carbon  structures using gas‐phase reactions, and the instab ility caused by aggregation and  pulverization of silicon nanodomains inside silicate m atrices.  [0004] What is needed are carbon‐silicon composite structur es comprising carbon‐ containing structures with pores partially filled by  silicon structures or, more generally,  silicon‐containing structures and methods of forming� �such composite structures.    SUMMARY  [0005] Described herein are carbon‐silicon composite structu res and methods of  producing such structures. A carbon‐silicon composite  structure comprises one or  more carbon‐containing structures that have pores at  least partially filled with silicon‐ containing structures. Specifically, the silicon‐conta ining structures are attached to the  pore walls while maintaining void spaces within these  pores. These void spaces can  accommodate silicon expansion during lithiation. Carbon ‐silicon composite structures  can be produced by submerging carbon‐containing stru ctures into a precursor liquid  solution (comprising a precursor) and driving this so lution into the pores. The silicon‐ containing structures are then formed (from the precu rsor) within the pores either  electrochemically (e.g., by applying a voltage to the  solution and structures) or  chemically (e.g., by introducing the structures into  a reducing liquid solution). In some  examples, these void spaces are sealed from the envi ronment by additional structures,  e.g., separate silicon‐containing structures and/or c arbon structures.   [0006] Clause 1. Carbon‐silicon composite structures compris ing: carbon‐containing  structures, wherein: the carbon‐containing structures� �comprise pores and an exterior  surface extending among the pores, and the carbon‐c ontaining structures are formed  from at least one of graphite, hard carbon, glassy  carbon, carbon foam, carbon paper,  carbon molecular sieve, carbon black, activated carbon , carbon fibers, carbon  nanotubes, graphene, a graphene derivative, zero‐dime nsional fullerene, and a  fullerene derivative; and silicon‐containing structure s forming a layer coating the  carbon‐containing structures, wherein: the layer of  the silicon‐containing structures  extends into at least some of the pores of the car bon‐containing structures and forms  Page 2 of 33    Docket No. GRUEP026WO  one or more of silicon‐structure pores and silicon� �plugs with the pores the carbon‐ containing structures, and the layer of the silicon� �containing structures further extends  over the exterior surface of the carbon‐containing  structures among the pores.  [0007] Clause 2a. The carbon‐silicon composite structures o f clause 1, wherein the  carbon‐containing structures have a porosity of at  least 1 m2/g, not accounting for the  silicon‐containing structures.  [0008] Clause 2b. The carbon‐silicon composite structures o f clause 1, wherein the  silicon‐containing structures comprise one or more n on‐silicon materials selected from  the group consisting of carbon, lithium, oxygen, tita nium, nitrogen, magnesium,  calcium, boron, phosphorous, fluorine, chlorine, bromin e, iodine, hydrogen, iron,  aluminum, copper, nickel, tin, and germanium.  [0009] Clause 2c. The carbon‐silicon composite structures o f clause 2a, wherein the  silicon‐containing structures comprise the one or mo re non‐silicon materials selected  from the group consisting of carbon and lithium.  [0010] Clause 2d. The carbon‐silicon composite structures o f clause 2a, wherein a  weight ratio of the one or more non‐silicon materi als in the silicon‐containing  structures 0.1%‐50%.  [0011] Clause 3. The carbon‐silicon composite structures of  clause 1, wherein the  pores of the carbon‐containing structures have a po re size of between 5 nanometers  and 200 nanometers, not accounting for the silicon‐ containing structures.  [0012] Clause 4. The carbon‐silicon composite structures of  clause 1, wherein an  average thickness (T) of the layer formed by the si licon‐containing structures is  between 1 nanometer and 50 micrometers.  [0013] Clause 5. The carbon‐silicon composite structures of  clause 1, wherein an  average cross‐sectional dimension (D1) of the carbon ‐silicon composite structures is  between 1 nanometer and 100 micrometers.  [0014] Clause 6. The carbon‐silicon composite structures of  clause 1, further  comprising additional structures, positioned at opening s of the silicon‐structure pores  thereby sealing the silicon‐structure pores from the  environment.  [0015] Clause 7. The carbon‐silicon composite structures of  clause 6, wherein an  exposed surface area of the carbon‐silicon composite  structures is reduced by at least  two times with the additional structures at the open ings of the pores.  Page 3 of 33    Docket No. GRUEP026WO  [0016] Clause 8. The carbon‐silicon composite structures of  clause 6, wherein the  porosity of the carbon‐silicon composite structures  is at least 30% with the additional  structures at the openings of the pores.  [0017] Clause 9. The carbon‐silicon composite structures of  clause 6, wherein the  additional structures comprise silicon.  [0018] Clause 10. The carbon‐silicon composite structures o f clause 1, wherein the  silicon‐containing structures are amorphous or partia lly in a crystalline state.  [0019] Clause 11. The carbon‐silicon composite structures o f clause 1, wherein a  weight ratio of silicon in the carbon‐silicon compo site structures is between 5% ‐95%.  [0020] Clause 12. The carbon‐silicon composite structures o f clause 1, wherein a  weight ratio of silicon in the carbon‐silicon compo site structures is between 0.1% ‐ 5%.  [0021] Clause 13. A method of producing carbon‐silicon com posite structures, the  method comprising: submerging carbon‐containing struct ures into a precursor liquid  solution comprising a precursor, wherein the carbon‐ containing structures comprise  pores and an exterior surface extending among the po res; reducing a gas pressure over  a surface of the precursor liquid solution thereby d riving the precursor liquid solution  into the pores of the carbon‐containing structures;� �and forming silicon‐containing  structures from the precursor within the pores and o n the exterior surface of the  carbon‐containing structures thereby producing the ca rbon‐silicon composite  structures.  [0022] Clause 14. The method of clause 13, wherein, prior  to forming the silicon‐ containing structures, the carbon‐containing structure s have a porosity of at least 1  m2/g.  [0023] Clause 15. The method of clause 13, wherein the car bon‐containing structures  comprise at least one of graphite, hard carbon, glas sy carbon, carbon foam, carbon  paper, carbon molecular sieve, carbon black, activated  carbon, carbon fibers, carbon  nanotubes, graphene and graphene derivatives, and zero ‐dimensional fullerene and  fullerene derivatives.  [0024] Clause 16. The method of clause 13, wherein the sil icon‐containing structures  comprise a layer coating the interior surfaces of th e pores, coating the exterior surface  of the carbon‐containing structures, or coating both  the interior surfaces of the pores  and the exterior surface of the carbon‐containing s tructures.  Page 4 of 33    Docket No. GRUEP026WO  [0025] Clause 17. The method of clause 16, wherein an aver age thickness (T) of the  layer formed by the silicon‐containing structures is  between 1 nanometer and 50  micrometers.  [0026] Clause 18. The method of clause 13, wherein an aver age cross‐sectional  dimension (D1) of the carbon‐silicon composite struc tures is between 1 nanometer and  100 micrometers.  [0027] Clause 19. The method of clause 13, wherein the pre cursor is one or more of  SiCl ₄ , SiHCl ₃ , SiH ₂ Cl ₂ , (SiHCl ₂ ) ₂ , and SiCl ₂ [Si(CH ₃ ) ₃ ] ₂ , SiF ₄ , SiBr ₄ , and SiI ₄ .  [0028] Clause 20. The method of clause 13, wherein forming� �the silicon‐containing  structures comprises: removing the carbon‐containing  structures from a bulk of the  precursor liquid solution such that a portion of the  precursor liquid solution remains  within the pores of the carbon‐containing structures  and on the exterior surface; and  submerging the carbon‐containing structures, with the  portion of the precursor liquid  solution remaining within the pores and on the exter ior surface of the carbon‐ containing structures, into a reducing liquid solution  comprising a reducing reagent  that reacts with the precursor in the portion of th e precursor liquid solution remaining  within the pores and on the exterior surface forms  the silicon‐containing structures at  least within the pores.  [0029] Clause 21. The method of clause 20, wherein the red ucing reagent is one or  more of sodium borohydride (NaBH ₄ ) and lithium aluminum hydride (LiAlH ₄ ), sodium  hydride (NaH), silicon hydride (SiHx), sodium biphenyl , lithium biphenyl, potassium  biphenyl, sodium naphthalene, lithium naphthalene, pota ssium naphthalene, and  potassium crown ether.  [0030] Clause 22. The method of clause 20, wherein removing  the carbon‐containing  structures from the bulk of the precursor liquid sol ution comprises one of centrifuged  and filtering.  [0031] Clause 23. The method of clause 20, wherein a weigh t ratio of the portion of  the precursor liquid solution remaining within the po res and on the exterior surface of  the carbon‐containing structures is between 0.01 and  10000.  [0032] Clause 24. The method of clause 13, wherein: the ca rbon‐containing structures  are supported on a working electrode; a reference el ectrode is further submerged into  the precursor liquid solution; and forming the silico n‐containing structures comprises  Page 5 of 33    Docket No. GRUEP026WO  applying a potential between the working electrode an d the reference electrode  thereby electrochemically forming the silicon‐containi ng structures.  [0033] Clause 25. The method of clause 24, wherein the pot ential applied between  the working electrode and the reference electrode is� �between 0.5V to 10V such that  the working electrode is operable as a cathode.  [0034] Clause 26. The method of clause 13, further comprisi ng: submerging the  carbon‐silicon composite structures, comprising the s ilicon‐containing structures at  least with the pores of the carbon‐containing struc tures, into an additional precursor  liquid solution such that the pores remain substantia lly free from the additional  precursor liquid solution; and forming additional stru ctures at openings of the pores  thereby sealing the pores from environment.  [0035] Clause 27. The method of clause 26, wherein the add itional precursor liquid  solution and the precursor liquid solution differ in� �one or more of viscosity, surface  tension, and temperature.  [0036] Clause 28. The method of clause 26, wherein an expo sed surface area of the  carbon‐silicon composite structures is reduced by at  least two times after forming the  additional structures at the openings of the pores.  [0037] Clause 29. The method of clause 26, wherein the por osity of the carbon‐silicon  composite structures, after forming the additional str uctures at the openings of the  pores, is at least 30%.  [0038] Clause 30. The method of clause 26, wherein the pre cursor is one or more of  silicon tetrafluoride (SiF ₄ ), silicon tetrachloride (SiCl ₄ ), silicon tetrabromide (SiBr ₄ ),  silicon tetraiodide (SiI ₄ ), HSiF ₃ , H ₂ SiF ₂ , H ₃ SiF, HSiCl ₃ , H ₂ SiCl ₃ , H ₃ SiCl, HSiBr ₃ , H ₂ SiBr _2,  H ₃ SiBr, HSiI ₃ , H ₂ SiI ₂ , H ₃ SiI, germanium tetrachloride (GeCl ₄ ), germanium tetrabromide  (GeBr ₄ ), germanium tetraiodide (GeI ₄ ), tin tetrachloride (SnCl ₄ ), tin tetrabromide  (SnBr ₄ ) tin nitrate (Sn(NO ₃ ) ₄ ), tin (II) chloride (SnCl ₂ ), aluminum chloride (AlCl ₃ ),  phosphorous chloride (PCl ₃ ), lithium hexafluorophosphate (LiPF ₆ ), lithium perchlorate  (LiClO ₄ ), lithium Bis(fluorosulfonyl)imide (LiFSI), lithi um  bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (LiTFSI), lithium nitr ate (LiNO ₃ ), lithium chlrode  (LiCl), lithium bromide (LiBr), lithium iodode (LiI),� �cholorobenzene (C ₆ H ₅ Cl),  dicholorbenze (C ₆ H ₄ Cl ₂ ), trichlorobenze (C ₆ H ₃ Cl ₃ ), hexacholorbenzene (C ₆ Cl ₆ ),  dibromobenzene (C ₆ H ₄ Br ₂ ), chloromethane (CH ₃ Cl), dicholoromethane (CH ₂ Cl ₂ ),  trichloromethane (CHCl ₃ ), tetrachloro carbon (CCl ₄ ), and tetrabromo carbon (CBr ₄ ),  Page 6 of 33    Docket No. GRUEP026WO  pitch, acetylene (C ₂ H ₂ ), methane (CH4 ₎ , propylene (C ₃ H ₆ ), methanol (CH ₃ OH), ethanol  (C ₂ H ₅ OH), isopropanol (C ₃ H ₈ O), acetonitrile (CH ₃ CN), benzene (C ₆ H ₆ ), toluene  (C ₆ H ₅ CH ₃ ), propylene carbonate, glucose, dopamine, polyet hylene glycol (PEG),  melamine, phenol formaldehyde resin, polyimide resin,  epoxy resin, cane sugar, and  graphite powder.   [0039] These and other embodiments are described further bel ow with reference to  the figures.    BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS  [0040] FIG. 1A is an example of a carbon‐containing struc ture prior to forming a  silicon‐containing structure/layer on the exterior su rface of the carbon‐containing  structures, providing an illustration of pre‐filled  carbon‐structure pores.  [0041] FIGS. 1B is an example of a carbon‐silicon composi te structure comprising  carbon‐containing structures and silicon‐containing  structures (e.g., formed as a layer  on the exterior surface of the carbon‐containing st ructures) providing an illustration of  post‐filled pores.  [0042] FIG. 1C is an example of a carbon‐silicon composit e structure similar to the one  in FIG. 1B but with the internal voids sealed from� �the environment by an additional  structure, in accordance with some examples.  [0043] FIG. 2 is a process flowchart corresponding to a me thod for producing carbon‐ silicon composite structures, in accordance with some� �examples.   [0044] FIG. 3A is a schematic illustration of an enclosure� �containing a precursor liquid  solution and carbon‐containing structures dispersed w ithin the solution, in accordance  with some examples.   [0045] FIG. 3B is a block diagram illustrating various comp onents of the precursor  liquid precursor, in accordance with some examples. s olution  [0046] FIG. 4A is a schematic illustration of a reducing l iquid solution and carbon‐ containing structures dispersed within the reducing li quid solution such that the  carbon‐containing structures contain some residual pr ecursor liquid solution within the  pores, in accordance with some examples.   [0047] FIG. 4B is a block diagram illustrating various comp onents of the reducing  liquid precursor, in accordance with some examples.  Page 7 of 33    Docket No. GRUEP026WO  [0048] FIG. 5 is a schematic illustration of an electrochem ical device configured to  form silicon‐containing structures at least within t he pores of carbon‐containing  structures, in accordance with some examples.   [0049] FIG. 6A is a schematic illustration of an additional  precursor liquid solution and  carbon‐silicon composite structures dispersed within  this solution, in accordance with  some examples.   [0050] FIG. 6B is a block diagram illustrating various comp onents of the additional  precursor liquid precursor, in accordance with some e xamples.  [0051] FIGS. 7A and 7B are various experimental results sho wing the performance of  carbon‐silicon composite structures in comparison to� �carbon‐containing structures.   [0052] FIG. 8 is a schematic illustration of an electrochem ical cell, fabricated with  carbon‐silicon composite structures on the negative  electrode, in accordance with  some examples.    DETAILED DESCRIPTION  [0053] In the following description, numerous specific detail s are outlined to provide a  thorough understanding of the presented concepts. The� �presented concepts may be  practiced without some or all of these specific deta ils. In other instances, well‐known  process operations have not been described in detail� �to not unnecessarily obscure the  described concepts. While some concepts will be descr ibed in conjunction with the  specific embodiments, it will be understood that thes e embodiments are not intended  to be limiting.     Example of Methods for Producing Carbon‐Silicon Comp osite Structures  [0054] As noted above integrating silicon and carbon structu res has been challenging,  in particular using gas phase deposition of silicon.� �Described herein are carbon‐silicon  composite structures and liquid‐based methods of pro ducing such structures. A  carbon‐silicon composite structure comprises one or  more carbon‐containing  structures that serve as base structures or shells a nd that comprise pores. These pores  may be referred to as pre‐filled carbon‐structure� �pores. The carbon‐silicon composite  structure also comprises silicon‐containing structures  that at least partially fill the voids  and that are formed using liquid‐based deposition t echniques (e.g., chemical or  Page 8 of 33    Docket No. GRUEP026WO  electrochemical reactions within liquid solutions). The  carbon‐containing structures  provide support, electronic conductivity, and, in some  examples, ionic conductivity to  silicon‐containing structures. At the same time, sil icon‐containing structures contribute  to the overall capacity of carbon‐silicon composite� �structures by accepting and  releasing lithium. As noted above, the theoretical ca pacity of silicon is substantially  higher than that of graphite. However, silicon suffer s from excessive volume changes  and provides poor support to SEI layers (due to sil icon volume changes). Carbon‐silicon  composite structures address these challenges by provi ding sufficient support to  silicon‐containing structures (e.g., in the form of� �void walls of the carbon‐containing  structures) and space to expand to (e.g., the voids) . Furthermore, in some examples,  these voids are protected from the electrolyte, e.g.,  by forming blocking structures  covering void entrances (after silicon‐containing str uctures have been already formed  within the pores thereby forming silicon plugs or po res with at least some silicon  boundaries). In some examples, silicon‐containing str uctures within these pores/voids  can be isolated from electrolytes, and SEI layers ar e not formed on these structures.  [0055] Carbon‐silicon composite structures 100 can be forme d by forming one or  more silicon‐containing structures 120 over one or  more carbon‐containing structures  110. FIGS. 1A is an example of a carbon‐containing  structure 110 prior to forming a  silicon‐containing structure/layer on the exterior su rface 112 of the carbon‐containing  structure 110, providing an illustration of pre‐fill ed carbon‐structure pores 130. These  pre‐filled carbon‐structure pores 130 can include  pre‐filled carbon‐structure open  pores 139 and carbon‐structure closed pores 136. Th e carbon‐structure closed pores  136 may remain unchanged during the formation of the  silicon‐containing structure  120 (e.g., the silicon‐containing structure 120 is  not able to reach these carbon‐ structure closed pores 136). However, the pre‐filled  carbon‐structure open pores 139  can receive at least some of the silicon‐containing  structure 120 as further described  below with the reference to FIG. 1B.   [0056] For purposes of this disclosure, a pore is defined  as a void space with the  boundary at least partially defined by a solid‐gas/ liquid interface. It should be noted  that the gas/liquid interface depends on the environm ent of the structure containing  this pore. Furthermore, a pore may be partially or  fully filled with another solid  thereafter, which transforms this solid‐gas/liquid in terface into a solid/solid interface.  When the pore is partially filed, a new solid‐gas/ liquid interface can be created, i.e., by  the material filling the original pore.  Page 9 of 33    Docket No. GRUEP026WO  [0057] A closed pore has the entire boundary defined by a� �solid‐gas/liquid interface.  An open pore has at least a portion of the boundar y defined as a non‐solid interface  (e.g., gas‐gas or liquid‐liquid). This non‐solid� �interface can be defined by extending the  external surface contour (shown with dashed lines in� �FIG. 1A) of the particle, which  contains this pore and can be also referred to as  a pore opening. To differentiate, a  pore from a surface roughness, the non‐solid interf ace is less than 25% of the entire  pore boundary or even less than 10%. In some exampl es, the non‐solid interface is  defined as a “neck” (narrowing) portion separating  two wider portions, e.g., one  exterior of the pore and one within the pore. Anoth er aspect of this non‐solid interface  can be defined by completing an imaginary enclosed s hape outside of the pore using  pore surfaces approaching this non‐solid interface.  In other words, the non‐solid  interface separates the solid‐gas/liquid interface wi thin the pore and the imaginary  enclosed shape outside of the pore such that the su rface area of the solid‐gas/liquid  interface within the pore is greater than the surfac e area of the imaginary enclosed  shape outside of the pore.  [0058] FIGS. 1B and 1C are two examples of carbon‐silicon  composite structures 100.  Each carbon‐silicon composite structure 100 comprises  one or more carbon‐containing  structures 110 and one or more silicon‐containing s tructures 120 disposed within  pores 130 and on exterior surface 112 of carbon‐co ntaining structures 110. While FIGS.  1B and 1C illustrate examples in which carbon‐silic on composite structure 100 is  formed by a single carbon‐containing structure 110  and silicon‐containing structure  120 (e.g., as a layer or, in more specific examples , a conformal layer), other examples  are also within the scope. For example, multiple car bon‐containing structures 110 can  cluster together (e.g., forming a secondary structure)  which share silicon‐containing  structures 120 in the same carbon‐silicon composite� �structure 100. Furthermore,  silicon‐containing structures 120 can be in the for m of disjoined structures, e.g.,  patches, that only partially cover the surface of ca rbon‐containing structures 110.  [0059] In some examples, at least some pores 130 (with sil icon‐containing structures  120 positioned therein) remain open as, e.g., schemat ically shown in FIG. 1B. For  purposes of this disclosure, the pores 130 with sili con‐containing structures 120  positioned therein can be also referred to as voids� �to indicate free space within  carbon‐silicon composite structures 100. These free  spaces may be smaller than the  original pores 130 in carbon‐containing structures 1 10 since a part of the original  volume is now occupied by silicon‐containing structu res 120. Returning to an example  Page 10 of 33    Docket No. GRUEP026WO  in FIG. 1B, the electrolyte can enter open pores an d directly interface with silicon‐ containing structures 120 positioned therein. In some� �examples, some openings into  even open pores are too small for the electrolyte t o enter. Furthermore, additional  pores may be closed. Finally, some of the original  pores 130 in carbon‐containing  structures 110 may be completely filled. Different ty pes of pores will now be  described.  [0060] Specifically, FIGS. 1B provides an illustration of po st‐filled pores 131, formed  from the original pores 130 in carbon‐containing st ructure 110 when a silicon‐ containing structure 120 is formed over a carbon‐si licon composite structure 100. As  noted above, the carbon‐structure closed pores 136  may remain unchanged and now  are a part of the post‐filled pores 131. However,� �the pre‐filled carbon‐structure open  pores 139 can receive some of the silicon‐containin g structure 120 and are converted  into silicon‐structure pores 132, carbon‐silicon op en pores 137, carbon‐silicon closed  pores 138, and silicon plugs 122. Specifically, the  silicon‐structure pores 132 are the  pores that fully reside within the silicon‐containin g structures 120 (and do not extend  to carbon‐containing structures 110). More specific  examples of such silicon‐structure  pores 132 include silicon‐structure open pores 133  and silicon‐structure closed pores  134.  [0061] The silicon‐structure open pores 133 are defined by  the boundary of the  silicon‐gas/liquid interface as well as the non‐so lid (silicon) interface (at the opening).  The silicon‐structure closed pores 134 are fully de fined by the silicon‐gas/liquid  interface. The electrolyte may or may not enter such  pores. In some examples, these  pores remain filled with the gas present during the� �deposition of silicon‐containing  structures 120. The carbon‐silicon open pores 137 h ave both a silicon‐gas/liquid  interface and a carbon‐gas/liquid interface as well� �as a non‐solid interface (at the  opening).  [0062] Referring to FIG. 1C, in some examples, substantially  all of the original pores  130 (e.g., more than 95 of all pores) are turned i nto closed pores. As noted above,  after depositing silicon‐containing structures 120, s ome pores (e.g., carbon‐silicon  open pores 137 and silicon‐structure open pores 133 ) may remain open. One or more  additional structures 140 (e.g., additional silicon‐c ontaining structures) may be formed  over silicon‐containing structures 120 to seal these  pores thereby forming sealed pores  141. As such, all pores in such structures are clos ed pores, e.g., originally closed pores  (e.g., carbon‐structure closed pores 136), closed po res formed during the deposition of  Page 11 of 33    Docket No. GRUEP026WO  the silicon‐containing structures 120 (e.g., silicon� ��structure closed pores 134, carbon‐ silicon closed pores 138), and closed/sealed pores fo rmed during the deposition of the  additional structures 140 (e.g., sealed pores 141 for  med from carbon‐silicon open  pores 137 and silicon‐structure open pores 133).  [0063] In these examples, silicon‐containing structures 120� �(disposed inside closed  pores 130) do not directly interface with the electr olyte but receive lithium through  carbon‐containing structure 110 that is interfaced b y the silicon‐containing structures  120. It should be noted that, even in these example s with the closed pores, some  silicon‐containing structures 120 (e.g., disposed on� �the exterior surface 112 of carbon‐ containing structures 110) and/or additional structures  140 (e.g., disposed over silicon‐ containing structures 120) can still interface electro lyte. In some examples, the  additional structures 140 are formed from silicon. In  some examples, these additional  structures 140 have a thickness of 1 ‐ 2000 nm o r, more specifically, 1 – 200 nm.  [0064] It should be also noted that regardless of the natu re of these pores (closed  pores or open pores), pores 130 can be used to acc ommodate the volumetric  expansion of silicon‐containing structures 120 during  their lithiation, thereby reducing  the overall swelling/expansion of carbon‐silicon comp osite structures 100. For  example, the free space (at no lithiation of silicon ‐containing structures 120) can be  greater than the expansion of silicon‐containing str uctures 120 corresponding to the  maximum lithiation levels (e.g., set by the cutoff c harging condition). In this example,  carbon‐silicon composite structures 100 do not exper ience the overall volume change  (which can be otherwise detrimental to the battery c ycle life).   [0065] Some examples of carbon‐containing structures 110 in clude, but are not  limited to, graphite, hard carbon, glassy carbon, car bon foam, carbon paper, carbon  molecular sieve, carbon black, activated carbon, carbo n fibers, carbon nanotubes,  graphene and graphene derivatives, and zero‐dimension al fullerene and fullerene  derivatives. For example, graphite provides excellent  electronic conductivity and is  operable as an active material for lithium storage ( acts as a lithium intercalation  material). Carbon foam, paper, and molecular sieves p rovide three‐dimensional  structures and a wide range of surface areas that c an be utilized for different silicon  loadings, e.g., with larger surface areas providing m ore sites for depositing silicon‐ containing structures 120 without excessively increasin g the thickness of silicon‐ containing structures 120. Carbon black can be cost� �effective with highly tunable size  and pore structures. Activated carbon is microporous  with very high specific surface  Page 12 of 33    Docket No. GRUEP026WO  areas (e.g., greater than 3000 m ² /g), which can be leveraged to increase silicon   loading. Carbon fibers and carbon nanotubes can provi de high levels of  interconnectivity among deposited silicon‐containing s tructures 120. Graphene and its  derivatives have a high surface area (e.g., in compa rison to graphite). Finally, zero‐ dimensional fullerene and derivatives are a family of  cage‐like carbon molecules with  various pore structures that can be used for the co ‐deposition of silicon into some  larger pores or as fillers to buffer expansion.  [0066] In some examples, before forming silicon‐containing  structures 120, carbon‐ containing structures 110 have a porosity of at leas t 1 m ² /g or, more specifically, at  least 5 m ² /g or even at least 20 m ² /g, e.g., between 10 m ² /g and 3000 m ² /g or, more  specifically, between 100 m ² /g and 1000 m ² /g. In some examples, the pore sizes are  between 0.5 nanometers and 1000 nanometers or, more  specifically, between 5  nanometers and 200 nanometers. It should be noted th at smaller pores may prevent  liquid solutions from entering the pores (these solut ions are needed to form silicon‐ containing structures 120 with the pores). On the ot her hand, having excessively large  pores reduces the surface area of carbon‐containing� �structures 110 available for  deposition of silicon‐containing structures 120 (with  smaller pores corresponding to  larger surface areas for the same size/weight of car bon‐containing structures 110). It  should be noted that these pores (before forming sil icon‐containing structures 120)  are open pores to ensure that liquid solutions can  enter the pores. Once silicon‐ containing structures 120 are formed the pores can b e closed while retaining voids  with carbon‐silicon composite structures 100 availabl e for the expansion of silicon‐ containing structures 120 during their lithiation. In� �more specific examples, these  pores (before forming silicon‐containing structures 1 20) are “bicontinuous”, which  means that the pores are interconnected (forming cont inuous pathways for the liquid  solution to soak in) while the solid portions of ca rbon‐containing structures 110 are  interconnected to maintain the structural integrity.  [0067] For example, the pore size, specific area, and pore� �configurations can be used  to characterize porosity using either gas or liquid  absorption methods, such as  Brunauer–Emmett–Teller BET and mercury intrusion po rosimeter. Another important  measurement is the oil absorption number (OAN) used  for carbon black materials,  which characterizes the amount of oil a carbon mater ial can uptake.  [0068] It should be noted that once silicon‐containing str uctures 120 are formed  within the pores, the size of the remaining pores o r voids (in the resulting carbon‐ Page 13 of 33    Docket No. GRUEP026WO  silicon composite structures 100) can be significantly  reduced, e.g., by a factor of at  least 2 or, more specifically, at least 5, or even� �at least 10. As such, in some examples,  most of the initial pore volume (in carbon‐containi ng structures 110 before forming  silicon‐containing structures 120) can be filled by� �silicon‐containing structures 120  once these silicon‐containing structures 120 are for med. Similarly, the pore surface  (measured in m ² /g) can be similarly reduced, e.g., by a facto r of at least 2 or, more  specifically, at least 5, or even at least 10.   [0069] In some examples, the average cross‐sectional dimens ion (D1) of carbon‐ silicon composite structures 100 can be large directl y after synthesis. The initial size of  the can be 1‐10 mm, 0.1‐1 mm, 10‐100 micromete rs, or 5‐10 micrometers. The large  size of the initial particles can be further reduced  by mechanical pulverization. In some  examples, the average cross‐sectional dimension (D1)� �of carbon‐silicon composite  structures 100 is between 1 nanometer and 100 microm eters or, more specifically,  between 10 nanometers and 1 micrometer or even betwe en 10 nanometers and 100  nanometers. In some examples, the average cross‐sect ional dimension (D1) is between  1 nanometer and 50 nanometers, between 10 nanometers� �and 200 nanometers,  between 100 nanometers and 1 micrometer, or between  500 nanometers and 100  micrometers. While the larger carbon‐silicon composit e structures 100 may be  beneficial from the integration of silicon and carbon  materials, these carbon‐silicon  composite structures 100 need to be processable in v arious downstream operations  such as mixing into a slurry, slurring coating onto� �a substrate, as well as other  electrode fabrication and handling operations.  [0070] In some examples, silicon‐containing structures 120  comprise a layer (e.g., a  conformal layer) coating the interior surfaces of por es 130 and the exterior surface 112  of carbon‐containing structures 110. For example, th e average thickness (T) of this  layer (formed by silicon‐containing structures 120)  is between 1 nanometer and 50  micrometers or, more specifically, between 10 nanomete rs and 1 micrometer or even  between 10 nanometers and 100 nanometers. In some ex amples, the average  thickness (T) is between 1 nanometer and 10 nanomete rs, between 5 nanometers and  50 nanometers, between 20 nanometers and 200 nanomete rs, between 100  nanometers and 1000 nanometers, or between 200 nanome ters and 50 micrometers.  [0071] In some examples, the weight ratio of silicon in ca rbon‐silicon composite  structures 100 is between 0.1% ‐ 99% or, more spe cifically, between 1% ‐ 90% or even  between 5% ‐50%. When silicon‐containing structures  120 represent a minor  Page 14 of 33    Docket No. GRUEP026WO  component of carbon‐silicon composite structures 100,  the weight ratio can be  between 0.1% ‐ 5%, between 1% ‐ 10%, or between  1 ~ 50%. When silicon‐containing  structures 120 represent a major component of carbon� ��silicon composite structures  100, the weight ratio can be between 30% ‐ 60% o r 50% ‐ 99%.    Example of Methods for Producing Carbon‐Silicon Comp osite Structures  [0072] FIG. 2 is a process flowchart of method 200 for pr oducing carbon‐silicon  composite structures 100, in accordance with some exa mples. Various aspects of  carbon‐silicon composite structures 100 are described  above.  [0073] In some examples, method 200 comprises (block 210) s ubmerging carbon‐ containing structures 110 into precursor liquid soluti on 310 as, e.g., schematically  shown in FIG. 3A (for chemical deposition of silicon ‐containing structures 120) and  FIG. 5 (for electrochemical deposition of silicon‐co ntaining structures 120). As shown in  FIG. 3B, precursor liquid solution 310 comprises prec ursor 320 and solvent 330. In  some examples, precursor liquid solution 310 also com prises one or more additives  340. These components of precursor liquid solution 31 0 are further described below.  In general, the composition of precursor liquid solut ion 310 depends on the deposition  methods (e.g., chemical, electrochemical) that are use d to form silicon‐containing  structures 120.  [0074] As shown in FIG. 3A, carbon‐containing structures 1 10 comprise pores 130.  Exterior surface 112 of carbon‐containing structures� �110 extend among pores 130. The  size of pores 130 may be sufficiently small for pre cursor liquid solution 310 to enter  pores 130 without any additional stimulation (e.g., r educing the pressure over surface  311 of precursor liquid solution 310). Overall, the  pressure‐reducing operation (which  may be also referred to as “degas”) can be used  to improve wetting and facilitate liquid  replacement into the pores. For example, the density� �measurement can be used to  check for the gas portion still present in the liqu id suspension. Specifically, the “fully‐ filled” density can be determined by the actual de nsities of the liquid solution and the  material of carbon‐containing structures 110, both o f which are much higher than the  air density (or, more generally, the density of gase s) that would otherwise fill the voids.  If gases are still present in pores, there will be� �some deviation from the expected true  density. Furthermore, a liquid suspension with a lot� �of trapped gas would expand  significantly when the environmental pressure is reduc ed. At the same time,  Page 15 of 33    Docket No. GRUEP026WO  introducing precursor liquid solution 310 into pores  130 is essential to ensure that  silicon‐containing structures 120 are formed within  pores 130. It should be noted that  the total surface area of carbon‐containing structur es 110 is much greater than its  exterior surface 112 because a large portion of the� �total surface area is within pores  130. Utilizing as much of this total surface area a s possible is beneficial to ensure a  higher silicon loading in carbon‐silicon composite s tructures 100 while maintaining the  thickness of silicon‐containing structures 120 as sm all as possible (e.g., to reduce the  pulverization aspects during lithiation). Furthermore,  depositing silicon‐containing  structures 120 within pores 130 may reduce subsequent  contact of silicon‐containing  structures 120 with the electrolyte.  [0075] In some examples, precursor 320 is one or more of  SiCl ₄ , SiHCl ₃ , SiH ₂ Cl ₂ ,  (SiHCl ₂ ) ₂ , and SiCl ₂ [Si(CH ₃ ) ₃ ] ₂ , SiF ₄ , SiBr ₄ , and SiI ₄ . Some other polysilanes with (‐SiR ₂ ‐) _n   formula can be used as well, such as cyclopentasilan e (Si ₅ H ₁₀ , here R = H, n = 5). Many  other chlorosilanes with a general formula of R _m SiCl _n  (R = C _X H _Y ), such as  diphenyldichlorosilane (R = C ₆ H ₅ , m = n = 2) can be used as liquid Si prec ursors. These  precursor 320 can operate similarly to forming silico n layers during atomic layer  deposition (ALD). However, it should be noted that i n ALD, precursors are supplied as  gases (vaporized) and are used to form monolayers on  the deposition surface by  absorption to achieve very precise (and very slow) l ayer‐by‐layer deposition. Liquid‐ phase precursor supply and reactions are much quicker  and produce bulkier silicon‐ containing structures 120, which are needed to ensure  adequate loading of silicon‐ containing structures in carbon‐silicon composite str uctures 100. In other words, ALD  is not able to form sufficiently large silicon‐cont aining structures in a fast and cost‐ efficient manner.  [0076] In some examples, solvent 330 of the precursor liqui d solution 310 comprises  one or more of cyclic carbonates (e.g., ethylene car bonate (EC), propylene carbonate  (PC), butylene carbonate (BC) and vinylethylene carbon ate (VEC)), lactones (e.g.,  gamma‐butyrolactone (GBL), gamma‐valerolactone (GVL)� �and alpha‐angelica lactone  (AGL)), linear carbonates (e.g., dimethyl carbonate (D MC), methyl ethyl carbonate  (MEC), diethyl carbonate (DEC), methyl propyl carbonat e (MPC), dipropyl carbonate  (DPC), methyl butyl carbonate (NBC) and dibutyl carbo nate (DBC)), ethers (e.g.,  tetrahydrofuran (THF), 2‐methyltetrahydrofuran, 1,4‐d ioxane, 1,2‐dimethoxyethane  (DME), 1,2‐diethoxyethane and 1,2‐dibutoxyethane), n itriles (e.g., acetonitrile and  adiponitrile) linear esters (e.g., methyl propionate,  methyl pivalate, butyl pivalate and  Page 16 of 33    Docket No. GRUEP026WO  octyl pivalate), amides (e.g., dimethyl formamide), di glyme, triglyme, tetragylme,  acetonitrile, and one or more ionic liquids. Some ex amples of these ionic liquid species  include, but are not limited to, 1‐Ethyl‐3‐methy limidazolium  bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (EMIMTFSI), 1‐Butyl‐ 1‐methylpyrrolidinium  bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (BMPTFSI), 1‐propyl� �1‐methylpyrrolidinium  bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (PMPTFSI), or 1‐Buty l‐3‐methylimidazolium  tetrafluoroborate (bmimBF ₄ ). Solvents 330 are selected to ensure that th e precursors  can dissolve at given concentrations and temperatures.  Without being restricted to  any particular theory, it is believed that the liste d solvent examples provide good  solubility to the listed precursors and are stable d uring various deposition conditions  (e.g., voltage, current during electrodeposition) descr ibed below (when applicable).  [0077] In some examples, precursor liquid solution 310 compr ises a supporting salt  (e.g., as an additive 340) to enhance the conductivi ty of precursor liquid solution 310,  e.g., when silicon‐containing structures 120 are for med by electrodeposition. Some  examples of supporting salt include, but are not lim ited to, tetrabutylammonium  chloride (Bu ₄ NCl), tetrapropylammonium chloride (Py ₄ NCl), tetraethylammonium  chloride (Et ₄ NCl), lithium chloride (LiCl), 1‐Butyl‐1‐met hylpyrrolidinium chloride  (PYR ₁₄ Cl), 1‐Propyl‐1‐methylpyrrolidinium chloride  (PYR ₁₃ Cl), and other soluble salts.  Additional examples of salts include NaCl, KCl, MgCl2 , AlCl3, TMACl, TEACl, TPACl,  TBACl, TBABr, NaPF6, NaClO4, LiTFSI, LiFSI, NaTFSI, N aFSI, CsCl, LiPF ₆ , LiBF ₄ , LiClO ₄   LiAsF ₆ , LiN(CF ₃ SO ₂ ) ₂ , LiN(C ₂ F ₅ SO ₂ ) _2,  LiCF ₃ SO ₃ , LiC(CF ₃ SO ₂ ) ₃ , LiPF ₄ (CF ₃ ) ₂ , LiPF ₃ (C ₂ F ₅ ) ₃ ,  LiPF ₃ (CF ₃ ) ₃ , LiPF ₃ (iso‐C ₃ F ₇ ) ₃ , LiPF ₅ (iso‐C ₃ F ₇ ), lithium salts having cyclic alkyl groups  (e.g., (CF ₂ ) ₂ (SO ₂ ) _2x Li and (CF ₂ ) ₃ (SO ₂ ) _2x Li), and combination of thereof.  [0078] In some examples, precursor liquid solution 310 compr ises one or more  additives 340. One example of additive 340 includes  a surfactant, such as  polyvinylpyrrolidone (PVP), ethers (e.g., polyoxyethylen e glycol octylphenol and  polyoxyethylene glycol alkylphenol), block copolymers o f polyethylene glycol (PEG) and  polypropylene glycol (PPG), and siloxanes (e.g., hexam ethylcyclotrisiloxane  [(CH ₃ ) ₂ SiO) ₃ ]). For example, between 0.1% and 10% by weigh t of a surfactant (e.g., PEG  and/or PVP) can be added to precursor liquid solutio n 310 with stirring. The surfactant  reduces the surface tension of precursor liquid solut ion 310 thereby enabling  penetration of precursor liquid solution 310 into por es 130.  [0079] Another example of additive 340 is solid particles f orming suspension/slurry.  Such particles can be used to tune the characteristi cs of precursor liquid solution 310.  Page 17 of 33    Docket No. GRUEP026WO  Some examples of such particles include, but are not  limited to, carbon fillers, metal  nanoparticles, and void‐forming precursors (e.g., pol ymers with low char yields which  can convert to carbon in the following heat treatmen t).  [0080] If pores are small in carbon materials, molecule siz es could be an important  parameter like molecular sieves for selective absorpti on. Specifically, when the pores  are very small (e.g., less than 2 nanometers), the  host materials effectively become  molecular sieves in which only certain molecules (wit h the proper/smaller size) can  assess the pores. As such, for some operations, prec ursors with specific molecular  weights/sizes can be used. For example, small‐sized� �precursors 320 can be used in  precursor liquid solution 310 to ensure the penetrati on of these precursors 320 into  these pores. However, when additional structures 140  are formed to close these pores,  the precursors used for these additional structures 1 40 can have molecular sizes that  do not allow them to enter the pores resulting in  additional structures 140 forming  outside of the pores. Precursors with larger molecula r weight or with polymerization  reaction after ring‐opening, such as cyclopentasilane  or cyclohexasilane, can be used  for the synthesis of such additional structures. This  outside‐pore formation of  additional structures 140 also ensures that at least� �a portion of the original pores  remains unfilled providing the space for silicon‐con taining structures 120 to expand  into.  [0081] In some examples, the surface of carbon‐containing  structures 110 may be  activated in a plasma (e.g., O ₂ /NO) or in a chemical bath (e.g., acid or bas e treatment).  For example, a solution can comprise 1 mol/L phospho ric acid (H ₃ PO ₄ ) or 0.5 mol/L  hydrochloride (HCl) aqueous solution (other materials  and concentrations are also  within the scope) and can be used for a duration o f 1‐10 hours (e.g., for 4 hours) to  treat carbon‐containing structures 110. The solution� �removes the metal and oxide  impurities and contaminants and introduces carbonyl‐,  carboxyl‐, or hydroxyl‐ function  groups to the surface of carbon‐containing structure s 110. These functional groups  increase the surface energy and, in turn, facilitate� �the wetting process with liquids  (e.g., precursor liquid solution 310) having low surf ace tensions.  [0082] In some examples, method 200 comprises (block 220) r educing the gas  pressure over surface 311 of precursor liquid solutio n 310 thereby driving precursor  liquid solution 310 into pores 130 of carbon‐contai ning structures 110. For example,  the pressure can be reduced to below 1Pa or, more  specifically, to below 0.1 Pa. The  vapor pressure of precursor liquid solution 310 is a n important consideration during  Page 18 of 33    Docket No. GRUEP026WO  this operation as various components of precursor liq uid solution 310 can evaporate  during this operation. When the vapor pressure is lo w (e.g., as is the case for ionic  liquids), solvents 330 can be difficult to remove by  evaporation. In such cases, thermal  decomposition at high temperatures can be used for r emoving solvents and reaction  byproducts. In some examples, the pressure is reduced  in short pulses to mitigate the  evaporation while providing a driving force for precu rsor liquid solution 310 (to  penetrate into pores 130). Overall, various combinatio ns of vacuum levels and  durations can be used to minimize processing time. V acuum levels and duration can be  chosen to achieve different levels of pore‐filling.� �A thorough degas, such as at 10 mTorr  for 30 min, would remove most of the gas trapped i n the structures. In another  example, a shorter degas for 10 min, would improve  the processing time and leave  some unfilled pores, which is beneficial for porosity  control and mitigate Si swelling. In  some examples, agitation is used when precursor liqui d solution 310 has multiple  components to reduce concentration gradients while pre cursor liquid solution 310  enters pores 130.  [0083] In some examples, method 200 comprises (block 230) f orming silicon‐ containing structures 120 from precursor 320 within p ores 130 and on the exterior  surface 112 of carbon‐containing structures 110 ther eby producing carbon‐silicon  composite structures 100.  [0084] In more specific examples, (block 230) forming silico n‐containing structures  120 comprises (block 240) removing carbon‐containing� �structures 110 from a bulk of  precursor liquid solution 310 and (block 242) submerg ing carbon‐containing structures  110 into reducing liquid solution 410. This type of� �operation may be referred to as the  chemical deposition of silicon‐containing structures  120. This operation is  schematically shown in FIG. 4A. The composition of r educing liquid solution 410 will  now be described with reference to FIG. 4B. When ca rbon‐containing structures 110  are removed from the bulk of precursor liquid soluti on 310, a portion of precursor  liquid solution 310 remains within pores 130 of carb on‐containing structures 110 and  on exterior surface 112. This portion of precursor l iquid solution 310 remains within  pores 130 and on the exterior surface 112 of carbon ‐containing structures 110 when  carbon‐containing structures 110 are submerged into  reducing liquid solution 410.  Reducing liquid solution 410 comprises reducing reagen t 420 that reacts with  precursor 320 in that portion of precursor liquid so lution 310 (remaining within pores  130 and on exterior surface 112) forms silicon‐cont aining structures 120 at least within  Page 19 of 33    Docket No. GRUEP026WO  pores 130 and, in some examples, on exterior surface  112. Limiting the silicon  deposition only within the pores is desired but can� �be difficult to achieve. When  silicon‐containing structures 120 are contained mostl y in the pores, cycling stability  improves. In this example, the surfaces of carbon‐s ilicon composite structures 100  and/or any secondary structures formed from carbon‐s ilicon composite structures 100  can remain relatively intact for better inter‐partic le electronic contact and electron  transport. Furthermore, this exterior surface (i.e., t he surface outside the pores)  remains reserved for later coating or SEI formation  (to keep it more stable). In some  examples, high concentrations of precursor 320 can be  used for soaking while low‐ concentration of reducing reagents 420 can be used t o reduce the deposition of the  exterior surface. Furthermore, an intermediate washing� �operation can be used to  remove precursor 320 from the exterior surfaces befor e introducing reducing reagents  420.   [0085] In some examples, reducing reagent 420 is one or mo re sodium borohydride  (NaBH ₄ ) and lithium aluminum hydride (LiAlH ₄ ). Similar to precursor liquid solution  310, reducing liquid solution 410 needs to balance p hysical properties viscosity,  surface tension, and vapor pressure with chemical pro perties reduction speed, pH, and  salt removal. In one example, NaBH ₄  solution (e.g., 12 wt%) in 14 mol/L NaOH is� �used.  The initial pH can be tuned in the range of 14 ~� �10 by diluting with the silicon precursor  solution. With higher pH, the reaction is quicker an d the deposition of silicon is faster.  With a lower pH (of about 10), the silicon depositi on is slower and the coating is more  conformal due to less concentration gradient. In some  examples, agitation is used to  uniformly supply reducing reagent 420 and to avoid l iquid intermixing as well as avoid  deposition in the unwanted site. Furthermore, agitatio n can help with the removal of  the byproducts of salts that need to be removed.  [0086] One example of chemical deposition involves a chemica l reduction of SiCl ₄  with  different reducing agents such as hydrides including  sodium borohydride (NaBH ₄ ),  lithium aluminum hydride (LiAlH ₄ ), sodium hydride (NaH), silicon hydride (SiHx),   sodium biphenyl, lithium biphenyl, potassium biphenyl,� �sodium naphthalene, lithium  naphthalene, potassium naphthalene, potassium crown eth er, such as:    Specifically, in the presence of OH ^‐  groups in a base solution to stabilize NaBH ₄ , the salt  byproducts can be soluble in the solutions and washe d away during filtration:  Page 20 of 33    Docket No. GRUEP026WO  2 SiCl ₄  + NaBH ₄  + 8 NaOH  ^ 2 Si  ^ + NaBO ₂  (aq.) + 8 NaCl (aq.) + 6 H ₂ O  The synthesis can be fluidized for continuous product ion if the filtration (filling porous  carbon) and reduction processes are arranged in seque nce.  [0087] In some examples, (block 240) removing carbon‐contai ning structures 110  from the bulk of precursor liquid solution 310 compr ises one of centrifuging and  filtering. The same techniques can be used for (bloc k 260) removing carbon‐containing  structures 110 from reducing liquid solution 410. Fur thermore, it should be noted that  when silicon‐containing structures 120 are formed el ectrochemically (as further  described below), reducing liquid solution 410 may no t be used, As such, removing  carbon‐containing structures 110 from the bulk of p recursor liquid solution 310 is  performed after (block 230) forming silicon‐containin g structures 120 (as shown with  block 260) rather than a part of the forming operat ion (as shown with block 240).  [0088] In some examples, the weight ratio of the portion o f precursor liquid solution  310 remaining within pores 130 and on exterior surfa ce 112 of carbon‐containing  structures 110, after (block 240) removing carbon‐co ntaining structures 110 from the  bulk of precursor liquid solution 310, is between 0. 01 and 1000 based on the total  weight of carbon‐containing structures 110 and the  remaining portion of precursor  liquid solution 310.   [0089] In some examples, liquid solution 410 further compris es a stabilizing reagent  (as additive 430) configured to form a byproduct sol uble in reducing liquid solution 410  when a combination of reducing reagent 420 and stabi lizing reagent reacts 430 with  precursor 320. Some examples of the stabilizing reage nt include, but are not limited to,  NaOH, LiOH, and KOH. Bases (e.g., LiOH, KOH) and su rfactants to improve wetting such  as Polyvinylpyrrolidone PVP or PEG, etc. Nano‐Si co uld react with a strong base too so  it helps protect deposited Si.  [0090] Referring to FIG. 5, in some examples, carbon‐conta ining structures 110 are  supported on working electrode 510. The reference ele ctrode 520 is further  submerged into precursor liquid solution 310. The for ming operation (block 230)  comprises (block 250) applying a potential between th e working electrode 510 and  reference electrode 520 thereby electrochemically formi ng silicon‐containing  structures 120.  [0091] In some examples, a porous carbon material (used as� �carbon‐containing  structures 110) can be pressed into pellets (e.g., w ith a nominal density of 0.1‐10 g/cm ³   Page 21 of 33    Docket No. GRUEP026WO  or, more specifically, between 0.5‐2 g/cm ³  that may correspond to 10‐90% porosity or,  more specifically, between 30‐70% porosity). These p ellets can be attached to a  working electrode (WE) in an electrochemical cell. Th e solution may contain SiCl ₄  as a  precursor 320 and tetrabutylammonium chloride (Bu ₄ NCl) as a conductive agent in a  propylene carbonate solvent. The working electrode is� �then biased in cathodic  conditions with potentials of ‐0.5 to ‐10 V vers us the reference electrode, which causes  silicon‐containing structures 120 to be reduced from  SiCl ₄  and deposited onto the  surfaces and into the pores.  [0092] In some examples, the potential applied between the  working electrode 510  and reference electrode 520 is between ‐0.5V to � �10V or, more specifically, between ‐ 1V and ‐8V, or even between ‐5V and ‐7V. Thes e values are specifically selected to  ensure the bonding of silicon‐containing structures  120 and carbon‐containing  structures 110.  [0093] In some examples, precursor liquid solution 310 furth er comprises one or  more precursors and one or more solvents. For exampl e, the one or more precursors  of the electroplating solution are selected from the� �group consisting of trichlorosilane  (SiHCl ₃ ), dichlorosilane (SiH ₂ SiCl ₂ ), silicon tetrachloride (SiCl ₄ ), silicon tetrabromide  (SiBr ₄ ), silicon tetraiodide (SiI ₄ ), germanium halides (e.g., GeCl ₄ ), tin halides (SnCl ₂ ),  lithium‐containing salts (e.g., LiPF ₆ , LiClO ₄ , LiFSI, LiTFSI, LiNO ₃ , LiCl, LiBr, and LiI), other  salts (e.g., AlCl ₃ , PCl ₃ ) and graphite powder. It should be noted that  some materials of  these precursors (e.g., lithium, graphite powder) can� �be incorporated into carbon‐ silicon composite structures 100 (in addition to sili con).  [0094] Overall, the silicon‐containing structures 120 may c omprise silicon, silicon‐ metal alloy, silicon suboxide (SiO _X , where 0<x<2), silicon carbide, silicon n itride, doped  silicon, silicon‐lithium alloy, or silicon oxy‐carb ide. In other examples, silicon may be  substituted (partially or fully) by tin or germanium.  The structures in which silicon is  fully substituted by tin may be referred to as tin� ��containing structures. The structures  in which silicon is fully substituted by germanium m ay be referred to as germanium ‐ containing structures.  [0095] In some examples, the silicon‐containing structures  120 may further  compromise (e.g., in addition to silicon) one or mor e of the elements selected from the  group of hydrogen (H), lithium (Li), boron (B), carb on (C), nitrogen (N), oxygen(O),  fluorine (F), sodium (Na), magnesium (Mg), aluminum ( Al), phosphorous (P), sulfur (S),  chlorine (Cl), potassium (K), calcium (Ca), scandium  (Sc), titanium (Ti), vanadium (V),  Page 22 of 33    Docket No. GRUEP026WO  chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co) , nickel (Ni), copper (Cu), zinc  (Zn), gallium (Ga), bromine (Br), strontium (Sr), zir conium (Zr), niobium (Nb),  molybdenum (Mo), indium (In), lanthanum (La), cerium  (Ce), tantalum (Ta), tungsten  (W), tin(Sn), germanium (Ge), and bismuth (Bi).  [0096] The composition of the silicon‐containing structures� �120 can be expressed in  the form of SiMxNy where M is one or more of meta l, dopant (e.g., As, B, N, and/or P),  or carbon elements and N can be one or more of an ions. The range of x can be from  0.01 to 99.99%, 0.1 to 99.9%, 0.1 to 99 %, 0.1 to  75%, 0.1 to 50%, 0.1 to 25%, 0.1 to  10%, 0.1 to 5%, 0.1 to 1%, 1 to 50%, 1 to 25%,  1 to 10%, 1 to 5%, 2 to 50%, 2 to 25%, 2  to 10%, 2 to 5%, 5 to 25%, 10 to 25%, 10 to 25% , 15 to 25%, 20 to 25%, 5 to 75%, 5 to  50%, 5 to 25%, 5 to 15%, and 5 to 10%. The range  of y can be from 0.01 to 99.99%, 0.1  to 99.9%, 1 to 99 %, 1 to 75%, 1 to 50%, 1 to  25%, 5 to 25%, 10 to 25%, 10 to 15%, 1 to  10%, 1 to 5%, 2 to 5%, 5 to 75%, 5 to 50%, 5 t o 25%, 5 to 15%, and 5 to 10%.  [0097] The precursor for the silicon‐containing structures  120 may contain metal  salts, silane, chlorosilane, organosilane, silicon hali de, polymers, or sugars. In the same  or other examples, silicon, germanium or tin containi ng precursors can be selected  from the group consisting of SiF ₄ , SiCl ₄ , SiBr ₄ , SiI ₄ , HSiF ₃ , H ₂ SiF ₂ , H ₃ SiF, HSiCl ₃ , H ₂ SiCl ₃ ,  H ₃ SiCl, HSiBr ₃ , H ₂ SiBr _2,  H ₃ SiBr, HSiI ₃ , H ₂ SiI ₂ , H ₃ SiI, GeCl ₄ , GeBr ₄ , GeI ₄ , SnCl ₄ , SnBr ₄ ,  Sn(NO ₃ ) ₄ , SnCl ₂ , AlCl ₃ , and PCl ₃ . Specific examples of organosilanes include  trichlorosilane, trichloromethylsilane (SiHCl ₃ ), trichloroethylsilane, (SiCH ₃ Cl ₃ ),  trichlorophenylsilane (Si(C ₂ H ₅ )Cl ₃ ), and dichlorodimethylsilane (Si(CH ₃ ) ₂ Cl ₂ ),  diethyldichlorosilane, diethylsilane, dimethylsilane, tri methylsilane, and  chloro(dimethyl)phenylsilane, 1,3,5,7‐tetravinyl‐1,3,5, 7‐tetramethylcyclotetrasiloxane.  [0098] In some examples, the silicon‐containing structures  120 also comprise carbon.  Such silicon‐containing structures 120 can be formed  using one or more carbon‐ generating precursors selected from the group consisti ng of cholorobenzene (C ₆ H ₅ Cl),  dicholorbenze (C ₆ H ₄ Cl ₂ ), trichlorobenze (C ₆ H ₃ Cl ₃ ), hexacholorbenzene (C ₆ Cl ₆ ),  dibromobenzene (C ₆ H ₄ Br ₂ ), chloromethane (CH ₃ Cl), dicholoromethane (CH ₂ Cl ₂ ),  trichloromethane (CHCl ₃ ), tetrachloro carbon (CCl ₄ ), and tetrabromo carbon (CBr ₄ ),  pitch, acetylene (C ₂ H ₂ ), methane (CH4 ₎ , propylene (C ₃ H ₆ ), alcohol (e.g., methanol,  ethanol, isopropanol alcohol), acetonitrile, benzene, t oluene, propylene carbonate,  glucose, dopamine, polyethylene glycol (PEG), melamine,  phenol formaldehyde resin,  polyimide resin, epoxy resin, and cane sugar.  Page 23 of 33    Docket No. GRUEP026WO  [0099] In some examples, one or more precursors (used to f orm the silicon‐containing  structures 120) comprise a halide selected from the  group consisting of a metal halide,  a non‐metal halide, an amine, and an amide. For e xample, the metal halide is selected  from the group consisting of titanium tetrachloride ( TiCl ₄ ), iron(III) chloride (FeCl ₃ ),  aluminum chloride (AlCl ₃ ), and magnesium chloride (MgCl ₂ ). The non‐metal halide  selected from the group consisting of phosphorus tric hloride (PCl ₃ ), phosphorus  pentachloride (PCl ₅ ), boron trichloride (BCl ₃ ), LiPF ₆ , LiClO ₄ , LiFSI, LiTFSI, LiNO ₃ , LiCl, LiBr,  LiOH, Li2CO3, Li2C2O4, Li2O2, Li2O, LiO2, Li3N, Li2S,  Li3PO4, Li2SO4, Li3BO3,  Li(CH3COO), Lithium citrate, Li‐EDTA, LiBOB, and LiI . The amine can be selected from  the group consisting of trimethylamine ((CH ₃ ) ₃ N) and melamine (C ₃ H ₆ N ₆ ). The amide  can be dimethylformamide (C ₃ H ₇ NO).  [00100] In some examples, one or more precursors (used to f orm the silicon‐containing  structures 120) comprise one or more oxygen‐generati ng precursors selected from the  group consisting of water (H ₂ O), dissolved oxygen, carbon dioxide (CO ₂ ), alcohol (e.g.,  ethanol (CH ₃ CH ₂ OH)), an oxalate salt (e.g., ammonium oxalate ( e.g. (NH ₄ ) ₂ C ₂ O ₄ )), a  carbonate (e.g. (NH4)2CO3), an oxide (e.g. Li2O, Al2O 3), hydroxide (e.g. NaOH), and a  nitrate salt (e.g., ammonium nitrate(NH ₄ NO ₃ )).  [00101] In some examples, method 200 further comprises (block  270) submerging  carbon‐silicon composite structures 100 into addition al precursor liquid solution 610,  e.g., as schematically shown in FIG. 6A. At this st age, carbon‐silicon composite  structures 100 comprise silicon‐containing structures� �120 at least with pores 130 of  carbon‐containing structures 110. Furthermore, during� �this operation, pores 130  remain substantially free from additional precursor li quid solution 610. Method 200  proceeds with (block 272) forming additional structure s 140 at openings of pores 130  thereby sealing pores 130 from the environment. It s hould be noted that since  additional precursor liquid solution 610 is not intro duced into pores 130, additional  structures 140 are generally not formed within these� �pores 130. As such, pores 130  remain available, and silicon‐containing structures 1 20 can expand into these pores  during lithiation. For example, additional precursor 6 20 (used in additional precursor  liquid solution 610) may have a molecular size that� �is larger than the pore opening. As  such, these pore openings are operable as molecular  sieves as further described above.  Additional components of additional precursor liquid s olution 610 include but are not  limited to additional solvents 630 and/or additional  additives 640, e.g., as  schematically shown in FIG. 6B.   Page 24 of 33    Docket No. GRUEP026WO  [00102] In some examples, carbon‐containing structures 110 a re formed by repeating  the electrochemical or chemical reduction of silicon� �containing structures 120 from a  liquid precursor. An example is that the product fro m the previous examples can be  used as a precursor for another soaking‐reduction p rocess to produce further  functionalized surface coatings. The yield of the sec ond precursor can be chosen to  yield voids to allow silicon expansion yet maintain  a low surface area of the particle on  the microscale. Such a design can reduce the consump tion of electrolytes on the active  material’s surfaces and reduce exposure to newly fo rmed surfaces during cycling.   [00103] In some examples, additional precursor liquid solution  610 can be used for  other types of structures, e.g., carbon structures ov er previously‐formed silicon‐ containing structures 120 and pore openings.  [00104] It should be noted that additional precursor liquid  solution 610 can have  specific properties (viscosity, surface tension) that  prevent its penetration into pores  130. Furthermore, pores 130 are already partially fil led with silicon‐containing  structures 120.  [00105] In some examples, additional precursor liquid solution  610 comprises water‐ soluble molecules (e.g., glucose dissolved in water)  or oil‐soluble polymers (e.g.,  polyamide imides dissolved in NMP). For example, PAI/ NMP soaking would only create  carbon‐containing molecules on surfaces due to visco sity.  [00106] In some examples, additional precursor liquid solution  610 and precursor liquid  solution 310 differ in one or more of viscosity, su rface tension, and temperature.  [00107] In some examples, the exposed surface area of carbon ‐silicon composite  structures 110 is reduced by at least two times aft er depositing additional structures  140 at openings of pores 130. In some examples, the  porosity of carbon‐silicon  composite structures 100, after depositing the additio nal structures 140 at openings of  pores 130, is at least 30%.  [00108] In some examples, method 200 further comprises (block  280) annealing  carbon‐silicon composite structures 100 thereby conve rting silicon‐containing  structures 120 from an amorphous state to at least  a partially crystalline state or, more  specifically, to a substantially crystalline state. Fo r example, the annealing can be  performed in an environment comprising at least one  of argon, hydrogen, and  nitrogen. In some examples, the annealing is performe d at a temperature less than  900°C or even less than 800°C.  Page 25 of 33    Docket No. GRUEP026WO  [00109] Alternatively, silicon‐containing structures 120 can  remain substantially  amorphous (e.g., greater than 50% amorphous by volume , greater than 75%, or even  greater than 90%). The annealing operation may not b e performed in some examples.  It should be noted that silicon‐containing structure s 120 can be substantially  amorphous in a deposited state.    Experimental Results  [00110] FIGS. 7A and 7B are various experimental results sho wing the performance of  carbon‐silicon composite structures in comparison to� �carbon‐containing structures.  Specifically, carbon‐silicon composite structures were  prepared by filtrating porous  carbon material with SiCl ₄  under vacuum (‐90 kPa) for 15 min. The pow der was  centrifuged to remove excess liquid and subsequently  added to sodium borohydride  (NaBH ₄ ) and sodium hydroxide (NaOH) aqueous solution  and stirred for 30 min. The  resultant powder was rinsed and filtered with de‐io nized water 3 times to remove the  salt byproducts (NaBO ₂  and NaCl) thereby forming carbon‐silicon comp osite structures.  Porous carbon was used as a reference material (carb on‐containing structures) and did  not contain any silicon.   [00111] Both carbon‐silicon composite structures and carbon� �containing structures  were used to prepare test cells. Specifically, these� �structures (in a powder form) were  mixed into a slurry containing 80% of these structur es, 10% carbon black, and 10%  PAA. This slurry was coated and tested in a half‐ cell configuration with a voltage range  of 10 mV – 2 V at a 0.1C rate. FIG. 7A shows  that the cells with carbon‐silicon  composite structures had a higher specific capacity ( about 20% improvement) than the  cells with carbon‐containing structures (“carbon on ly”). The slanted voltage in the  range of 0.25 ~ 1 V of the Si/carbon composite ind icates the Si exhibits the amorphous  the wet chemical process and is beneficial for stabl e cycling.  [00112] In another test, carbon‐silicon composite structures� �and, separately, carbon‐ containing structures were formed into negative electr odes that were combined with  NCM622‐based positive electrodes to form full cells.  The amounts of the carbon‐silicon  composite structures and carbon‐containing structures� �in these cells were specifically  selected to achieve the same capacity. The electrolyt e is 1M LiPF ₆  dissolved in EMC/EC  Page 26 of 33    Docket No. GRUEP026WO  (3:7 by weight) solvents with a 5% FEC additive. Th e full cells were cycling in the  voltage range of 2.8 – 4.2 V at a 1C rate. The� �control sample is a Si/graphite reference  anode by blending nano‐Si (200 ~ 500 nm in size)� �and graphite powder. FIG. 7B shows  that with the same design of cell balance, the C‐ coated Si‐loaded porous carbon shows  better retention (~ 5% better at the end of the 50 0 ^th  cycle) than the conventional  Si/graphite mixed composite.    Examples of Electrochemical Cells   [00113] FIG. 8 is a schematic illustration of electrochemical  cell 450, comprising first  electrode 470, second electrode 480, and separator 49 0 arranged in a stack, wound  jelly‐roll, or any form. One of these electrodes c an be a negative battery electrode  fabricated with carbon‐silicon composite structures,  described above. Separator 490 is  disposed between first electrode 470 and second elect rode 480 to prevent direct  contact between first electrode 470 and second electr ode 480 yet allows ionic  communication (by being soaked with electrolyte) betwe en these electrodes.  Specifically, separator 490 may include pores allowing  ions to pass.   [00114] Electrochemical cell 450 also includes electrolyte, wh ich operates as a carrier  of ions during the cycling of electrochemical cell 4 50. First electrode 470, second  electrode 480, and other components of the cell may� �be enclosed and separated from  the environment by case 460 and lid 462. In some e xamples, case 460 and/or lid 462  may operate as terminals of electrochemical cell 450,  in which case current collectors  of first electrode 470 and/or second electrode 480 m ay be connected to case 460  and/or lid 462. Some examples of such electrochemical  cells include, but are not  limited to, lithium‐ion batteries, lithium polymer b atteries, lithium‐air batteries, lithium  sulfite batteries, lithium metal batteries, solid‐sta te batteries, supercapacitors, and the  like.  [00115] In some examples, case 460 is rigid (e.g., the case  is a steel can). Other types of  cells may be packed into a flexible, foil‐type (e. g., polymer laminate) case. The case  material selection depends on the polarity of case 4 60 (e.g., neutral, connected to  positive electrodes, connected to negative electrodes)� �as well as the composition of  the electrolyte, operating potentials of electrochemica l cell 450, and other factors. For  example, when case 460 is connected to a positive e lectrode, case 460 may be formed  from titanium, titanium alloys, aluminum, aluminum all oys, and/or stainless steel. On  Page 27 of 33    Docket No. GRUEP026WO  the other hand, if case 460 is connected to a nega tive electrode, then case 460 may be  made from titanium, titanium alloys, copper, nickel,  lead, and stainless steel. The  electrical connection between case 460 and an electro de may be established by direct  contact between case 460 and this electrode (e.g., a n outer wound of the jelly roll), by  a tab connected to the electrode and case 460, and� �other techniques.   [00116] The top of case 460 may be open and used for inse rtion of the electrode  assembly (e.g., a jelly roll) and then capped with  a header assembly, which may include  a weld plate, a rupture membrane, a PTC‐based rese ttable fuse, and an insulating  gasket. The insulating gasket is used to support the  conductive components of the  header assembly and to insulate these components from  case 460. In some examples,  a PTC‐based resettable fuse is disposed between the  edges of the rupture membrane  and the edges of the header cup, effectively interco nnecting these two components. At  normal operating temperatures, the resistance of PTC� �based resettable fuse is low.  However, its resistance increases substantially when h eated. For example, the PTC‐ based resettable fuse may be a thermally activated c ircuit breaker that can electrically  disconnect the rupture membrane from the header cup.� �    Conclusion  [00117] Although the foregoing concepts have been described i n some detail for  purposes of clarity of understanding, it will be app arent that certain changes and  modifications may be practiced within the scope of t he appended claims. It should be  noted that there are many alternative ways of implem enting processes, systems, and  apparatuses. Accordingly, the present embodiments are  to be considered illustrative  and not restrictive.  Page 28 of 33