超純合成碳材料的製作方法

2023-12-11 10:38:22 2

專利名稱：超純合成碳材料的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及超純合成碳材料、製備所述碳材料的方法以及包含所述碳材料的
直ο相關領域描述活化碳通常應用在電存儲和分配裝置中。活化碳的高表面積、導電率和孔隙率使得設計的電動裝置與採用其它材料的裝置相比具有更高的能量密度。雙電層電容器(EDLC) 為這類裝置的實例。EDLC通常具有由活化碳材料和合適的電解質製成的電極，並且與常用電容器相比具有極高的能量密度。EDLC的典型用途包括在需要用於數據傳輸或峰值功率運行的功率短脈衝的裝置中的能量存儲和分配，例如無線數據機、行動電話、數位相機和其它手提電子裝置。EDLC還通常在諸如電動汽車、火車、公共汽車等的電動交通工具中使用。電池是另一種常用的能量存儲和分配裝置，其通常包含活化碳材料(例如，作為陽極材料、集電器或導電率增強器)。例如，設置有鋰的具有碳陽極的鋰/碳電池表現為有前景的能量存儲裝置。含碳的電池的其它類型包括將多孔碳用作空氣電極的集電器的鋰空氣電池，以及通常在陽極或陰極中包含碳添加劑的鉛酸電池。電池在許多需要低電流密度電功率(與EDLC的高電流密度相比)的電子裝置中使用。一個已知的EDLC和碳基電池的局限性為在高溫、高電壓操作、重複充電/放電循環下和/或老化時的降低的性能。該降低的性能歸因於電解質雜質或碳電極自身的雜質導致電極在電解質/電極界面處擊穿。因此，建議與現有裝置相比，能將包含由更高純度的碳材料製成的電極的EDLC和/或電池在更高的電壓下操作並能在更高溫度下操作更長時間。儘管亟需確認具有高表面積和高孔隙率的更高純度的碳材料，但這類碳材料不可商購，並且報導的製備方法不能產生高性能電動裝置所需的高純度碳。一種製備高表面積活化碳材料的常規方法為熱解現有的含碳材料(例如，椰子纖維或輪胎橡膠)。這導致具有相對低表面積的碳，其隨後能被過度活化以產生具有期望應用所必須的表面積和孔隙率的材料。這類方法固有地受限於前體材料的現有結構，並且通常導致低過程產率和含灰量(即金屬雜質)等於或大於的碳材料。活化碳材料還能通過化學活化而製備。例如，使用酸、鹼或鹽(例如，磷酸、氫氧化鉀、氫氧化鈉、氯化鋅等)以及隨後進行加熱來處理含碳材料而產生活化碳材料。然而，這類化學活化產生了具有高水平的殘留過程雜質(例如金屬)的活化碳材料。製備高表面積的活化碳材料的另一種方法為從含碳的有機基礎材料(例如，超純聚合物凝膠)製備合成的聚合物。對於現有的有機材料，將合成製備的聚合物熱解並活化以產生活化碳材料。與上述常規方法相比，合成製備的聚合物的固有孔隙率導致更高的過程產率，因為在活化步驟中損失更少的材料。然而，對於從其它已知方法製備的碳材料，通過報導的方法從合成聚合物製備的活化碳材料包含不適當水平的雜質(例如金屬)。儘管在本領域已經得到顯著的發展，但在本領域還亟需高純碳材料以及製備高純碳材料的方法和包含高純碳材料的裝置。本發明實現了這些需求並提供其它相關優勢。簡述一般而言，本發明涉及超純合成碳材料以及製備這類材料的方法和包含這類材料的裝置。這類材料在電存儲和分配裝置的環境中得到應用，特別在EDLC和電池的電極中使用。現有的碳材料包含殘留水平的多種雜質(例如，氯、硫、金屬等)，其已知降低電極所浸入的電解質的擊穿電壓。因此，與包含本發明的超純合成碳材料的裝置相比，現有的電極必須在較低電壓下操作並具有較短的壽命。碳電極中的雜質還促使EDLC或電池內的其它組分的降解。例如，在EDLC中隔離兩個碳電極的多孔膜可被碳電極內的氯或其它雜質降解。 本文公開的超純合成碳材料與任何已知的碳材料相比顯著更純，並因此改善了許多電存儲和/或分配裝置的操作。因此，在一個實施方案中，公開了超純合成碳材料。如質子誘發的X射線發射所測量的，超純合成碳材料包含總雜質含量小於500ppm的原子數為11至92的元素。在前述的另一實施方案中，碳材料為超純合成無定形碳材料。在另一實施方案中，如質子誘發的X射線發射所測量的，超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料包含總雜質含量小於200ppm的原子數為11至92的元素。在其它實施方案中，如質子誘發X射線數據所計算的，超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料的含灰量小於0. 03%、例如小於0. 01%。在其它實施方案中，如燃燒分析和質子誘發的X射線發射所測量的，超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料包含至少95 %重量比的碳。在其它實施方案中，如質子誘發的X射線發射所測量的，超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料包含小於3ppm的鐵、小於Ippm的鎳、小於5ppm的硫、小於Ippm的鉻或小於Ippm的銅。在其它實施方案中，如質子誘發的X射線發射所測量的，超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料包含小於IOOppm的鈉、小於300ppm的矽、小於50ppm的硫、小於IOOppm 的鈣、小於20ppm的鐵、小於IOppm的鎳、小於140ppm的銅、小於5ppm的鉻以及小於5ppm的鋅。例如，在一些實施方案中，如質子誘發的X射線發射所測量的，超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料包含小於50ppm的鈉、小於50ppm的矽、小於30ppm的硫、小於IOppm的鈣、小於2ppm的鐵、小於Ippm的鎳、小於Ippm的銅、小於Ippm的鉻以及小於Ippm的鋅。在其它實施方案中，由燃燒分析所測定的，超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料包含小於3.0%的氧、小於0. 的氮和小於0.5%的氫。例如，在其它具體實施方案中，由燃燒分析所測定的，超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料包含小於1. 0%的氧。在其它實施方案中，超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料包含熱解的超純聚合物凍凝膠(cryogel)。而在其它實施方案中，超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料包含活化的超純聚合物凍凝膠。在一些其它實施方案中，超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料的BET比表面積為至少1500m2/g、至少2000m2/g或至少2400m2/g。在其它實施方案中，超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料的孔體積為至少 0. 7cc/g0在另一實施方案中，提供超純聚合物凝膠。如質子誘發的X射線發射所測量的，超純聚合物凝膠包含碳、氫、氧，和總雜質含量小於500ppm且通常小於200ppm的原子數為11 至92的元素。在一些實施方案中，超純聚合物凝膠為乾燥的超純聚合物凝膠。在另一實施方案中，超純聚合物凝膠的BET比表面積為至少400m2/g。在一些其它的實施方案中，通過將一種或多種可混溶劑、一種或多種酚化合物、一種或多種醛和一種或多種催化劑進行混合來製備超純聚合物凝膠。例如，在一些實施方案中，通過將水、乙酸、間笨二酚、甲醛和乙酸銨進行混合來製備超純聚合物凝膠。該公開的碳材料的高純度能歸因於公開的溶膠凝膠過程。申請人發現在揮發性鹼性催化劑的存在下，當諸如酚化合物和醛的一種或多種聚合物前體在酸性條件下共聚時， 產生超純聚合物凝膠。這與其它報導的導致超純聚合物凝膠包含殘留水平的金屬和/或其它雜質以及殘留水平的反應溶劑和/或萃取溶劑的製備超純聚合物凝膠的方法相反。從這些不純的超純聚合物凝膠中通過例如高溫分解和/或活化而製備的碳材料導致碳材料仍為不純的。公開的超純合成無定形碳材料可由超純聚合物凝膠通過超純聚合物凝膠的高溫分解和/或活化而製成。超純聚合物凝膠反過來可在揮發性鹼性催化劑存在下通過將一種或多種聚合物前體在酸性條件下進行反應以獲得超純聚合物凝膠而製得。因此，在本公開的一個實施方案中提供了製備超純合成碳材料的方法，所述方法包括在揮發性鹼性催化劑的存在下，使一種或多種聚合物前體在酸性條件下反應以獲得超純聚合物凝膠。在其它實施方案中，碳材料為超純合成無定形碳材料。在其它實施方案中，該方法還包括在包含乙酸和水的溶劑中混合一種或多種聚合物前體。在其它實施方案中，所述揮發鹼性催化劑包括碳酸銨、碳酸氫銨、乙酸銨、氫氧化銨或其組合，在其它實施方案中，一種或多種聚合物前體包含間苯二酚和甲醛。在一些其它實施方案中，該方法還包括(a)冷凍乾燥所述超純聚合物凝膠以獲得超純聚合物凍凝膠；(b)熱解所述超純聚合物凍凝膠以獲得熱解的超純凍凝膠；以及(c)活化熱解的超純凍凝膠以獲得超純合成活化碳材料。超純合成無定形碳材料在許多電存儲和分配裝置中得到應用。超純度、高孔隙率和高表面積的組合允許製備具有優於已知裝置的性質的電存儲和分配裝置。包含超純合成無定形碳材料的裝置與從較低純度的碳製備的對比裝置相比，能在更高的溫度下，在更高電壓下操作更長時間。因此，在本公開的另一實施方案中提供了包含超純合成碳材料的裝置，其中如質子誘發的X射線發射所測量的，所述超純合成碳材料包含總雜質含量小於500ppm、特別是 200ppm的原子數為11至92的元素。例如，在前述的一些其它實施方案中，碳材料為超純合成無定形碳材料。在一些其它實施方案中，裝置為雙電層電容器(EDLC)裝置，其包括a)正極和負極，其中每一所述正極和負極包含超純合成碳材料；b)惰性多孔隔離器；以及c)電解質；其中由所述惰性多孔隔離器隔離所述正極和負極。在一些其它實施方案中，EDLC裝置的重量功率為至少15W/g、體積功率為至少 10W/CC、重量能量為至少20. Offh/kg或體積能量為至少10. Offh/升。在一些其它實施方案中，採用1. 8M四氟硼酸四乙銨的乙腈電解質溶液和0. 5A/g 電流密度，通過具有5秒時間常數的由2. 7V至0. IV的恆電流放電所測量的，所述EDLC裝置的重量電容為至少25F/CC或體積電容為至少20F/CC。在EDLC裝置的一些其它實施方案中，如從質子誘發的X射線發射數據所計算的， 碳材料的含灰量為小於0. 03%，特別為小於0. 01%，並且在一些其它實施方案中，由燃燒分析和質子誘發的X射線發射所測量的，碳材料包含至少95%的碳。在EDLC裝置的一些其它實施方案中，如質子誘發的X射線發射所測量的，碳材料包含小於3ppm的鐵、小於Ippm的鎳、小於5ppm的硫、小於Ippm的鉻或小於Ippm的銅。在EDLC裝置的其它實施方案中，如質子誘發的X射線發射所測量的，碳材料包含小於IOOppm的鈉、小於300ppm的矽、小於IOOppm的鈣、小於50ppm的硫、小於20ppm的鐵、 小於IOppm的鎳、小於140ppm的銅、小於5ppm的鉻以及小於5ppm的鋅。在EDLC裝置的一些其它實施方案中，碳材料包含活化的超純聚合物凍凝膠，並且在EDLC裝置的一些其它實施方案中，碳材料的BET比表面積為至少1500m2/g、至少2000m2/ g 或至少 2400m2/g。在其它特定實施方案中，本公開涉及電池，例如鋰/碳電池、鋅/碳電池、鋰空氣電池或鉛酸電池，所述電池包含本文所公開的超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料。在其它實施方案中，本公開涉及包含本文所公開的超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料的電極。這類電極可用於電存儲和分配裝置，例如EDLC和電池。附圖簡述在圖中，相同的序號確定相似的元素。在圖中元素的尺寸和相對位置不必按比例繪製，並且這些元素中的一些被任意放大並放置以改善圖的可讀性。此外，繪製的元素的特定形狀並非旨在表達任何與特定元素真實形狀有關的信息，並且對其單獨地進行選擇以易於在圖中識別。

圖1顯示由100%乙酸溶劑製備的RF超純聚合物凍凝膠的增加的孔體積對孔寬度。圖2描述由90 10的乙酸水的溶劑製備的RF超純聚合物凍凝膠的增加的孔體積對孔寬度。
圖3描述由50 50的乙酸水的溶劑製備的RF超純聚合物凍凝膠的增加的孔體積對孔寬度。圖4表示由25 75的乙酸水的溶劑製備的RF超純聚合物凍凝膠的增加的孔體積對孔寬度。圖5表示由10 90的乙酸水的溶劑製備的RF超純聚合物凍凝膠的增加的孔體積對孔寬度。圖6為由RS = 0. 3且不同水平的乙酸和銨鹽製備的RF超純聚合物凍凝膠的比表面積對PH的圖。圖7A和7B分別為RF超純聚合物凍凝膠和熱解的RF超純聚合物凍凝膠的增加的孔體積的圖。圖8A和8B分別為RF超純聚合物凍凝膠和熱解的RF超純聚合物凍凝膠的增加的孔體積的圖。圖9A和9B分別為RF超純聚合物凍凝膠和熱解的RF超純聚合物凍凝膠的增加的孔體積的圖。圖IOA和IOB分別為RF超純聚合物凍凝膠和熱解的RF超純聚合物凍凝膠的增加的孔體積的圖。圖IlA和IlB分別為RF超純聚合物凍凝膠和熱解的RF超純聚合物凍凝膠的增加的孔體積的圖。圖12描述了多種超純合成活化碳材料的比表面積對活化重量損失。圖13為超純合成活化碳材料的增加的孔體積的圖。發明詳述在下述描述中，陳述了某些具體細節以提供多種實施方案的深入理解。然而，本領域技術人員應明白本發明可以在沒有這些細節的情況下而實施。在其它實例中，未將公知結構示出或詳細描述以避免不必要地使實施方案描述變得模糊。除非上下文另有需要，整個說明書和權利要求書遵循下述要求，措辭「包含」及其變體，例如「包含(comprises) 」和 「包含(comprising)」應被解釋為開放式、包含的含義，S卩，解釋為「包括，但不限於」。此外， 本文提供的標題僅為了便利，並不說明所要求保護的發明的範圍和內涵。整個本說明書對「一個實施方案」或「實施方案」的參考是指實施方案中描述的特定特徵、結構或特性包括在至少一個實施方案中。因此，在整個本說明書的多處中均出現的措辭「在一個實施方案中」或「在實施方案中」不必全部涉及相同的實施方案。此外，在一個或多個實施方案中，特定特徵、結構或特性可以以任何合適的方式組合。同樣，如在本說明書和隨附的權利要求書中所用，單數形式「一個(a)」、「一個(an)」和「該(the) 」包括複數指示物，除非該內容明顯另有所指。還應注意，術語「或」通常以其包含「和/或」的含義而使用，除非內容明顯另有所指。^X如本文所用，並且除非上下文另有所指，以下術語具有下述所指的含義。「碳材料」是指基本由碳組成的材料或物質。碳材料包括無定形碳材料和結晶碳材料。碳材料的實例包括但不限於，活化碳、熱解的乾燥超純聚合物凝膠、熱解的超純聚合物凍凝膠、熱解的超純聚合物幹凝膠、熱解的超純聚合物氣凝膠、活化的乾燥超純聚合物凝膠、活化的超純聚合物凍凝膠、活化的超純聚合物幹凝膠、活化的超純聚合物氣凝膠等。「無定形」是指諸如無定形碳材料的材料，其的組成原子、分子或離子無規排列，且沒有規則的重複型式。無定形材料可具有一些局部結晶性(即，規則性)，但缺少長程有序的原子位置。熱解和/或活化碳材料通常為無定形的。「結晶」是指材料的組成原子、分子或離子以有序重複型式排列。結晶碳材料的實例包括但不限於鑽石和石墨烯。「合成」是指通過化學方法而非從天然來源製備的物質。例如，合成的碳材料為從前體材料合成而不從天然來源分離的碳材料。「雜質」或「雜質元素」是指在材料內的外來物質(即，元素)，其不同於基材的化學組成。例如，在超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料中的雜質是指除碳之外的任何元素或元素的組合，其在超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料中存在。雜質水平通常以每百萬份(PPm)的形式表達。"PIXE雜質」為碳原子數為11至92的雜質元素(即從鈉到鈾)。措辭「總PIXE雜質含量」和「總PIXE雜質水平」二者是指在樣品中存在的所有PIXE雜質的總和，所述樣品例如超純聚合物凝膠、超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料。PIXE雜質濃度和同一性可由質子誘發的X射線發射(PIXE)而測定。「超純」是指總PIXE雜質含量小於0. 050%的物質。例如，「超純碳材料」、「超純合成碳材料」或「超純合成無定形碳材料」為總PIXE雜質含量小於0.050% (即，500ppm)的碳材料。「含灰量」是指在物質經過高分解溫度之後殘留的非揮發性無機物。對此，從通過質子誘發的X射線發射測量的總PIXE雜質含量計算碳材料的含灰量，假設非揮發性元素完全轉化為期望的燃燒產物(即，氧化物)。「聚合物」是指由兩種或多種結構重複單元組成的大分子。「合成聚合物前體材料」或「聚合物前體」是指在製備合成聚合物中使用的化合物。能在本文公開的製備中使用的聚合物前體的實例包括但不限於醛(即，HC( = 0)R, 其中R為有機基團)，例如甲醛(methanal)(甲醛(formaldehyde))、乙醛(ethanal)(乙 Ig (acetaldehyde)) > MI^ (propanal) ( ^fg (propionaldehyde)) > TIS (butanal) ( TIS (butyraldehyde))、葡萄糖、苯甲醛和肉桂醛。其它示例性的聚合物前體包括但不限於酚化合物，例如苯酚和諸如二羥基苯或三羥基苯的多羥基苯，例如間苯二酚(即，1，3_ 二羥基苯)、鄰苯二酚、對苯二酚和間苯三酚。兩種或多種多羥基苯的混合物也包含在聚合物前體的含義內。「整體」是指本質上不為顆粒的固體、三維結構。「溶膠」是指前體顆粒(即，聚合物前體)的膠狀懸浮液，並且術語「凝膠」是指由前體顆粒的縮合或反應獲得的溼潤的三維多孔網格。「聚合物凝膠」是指其中網格組分為聚合物的凝膠，通常，聚合物凝膠為由從合成前體或聚合物前體形成的聚合物組成的溼潤(水性或非水性基)三維結構。「溶膠凝膠」是指聚合物凝膠的子類，其中聚合物為通過聚合物前體反應獲得的形成溼潤三維多孔網格的膠狀懸浮液。「聚合物水凝膠」或「水凝膠」是指聚合物凝膠或凝膠的子類，其中用於合成前體或單體的溶劑為水或水和一種或多種水溶性溶劑的混合物。"RF聚合物水凝膠」是指聚合物凝膠的子類，其中在水或水和一種或多種水溶性溶劑的混合物中，由間苯二酚和甲醛的催化反應形成所述聚合物。「酸」是指能夠降低溶液pH的任何物質。酸包括阿倫尼烏斯酸、布朗斯泰德酸和路易斯酸。「固體酸」是指當溶解於溶劑中時能產生酸性溶液的乾燥或粒狀化合物。術語「酸性」表示具有酸的性質。「鹼」是指能夠升高溶液pH的任何物質。鹼包括阿倫尼烏斯鹼、布朗斯泰德鹼和路易斯鹼。「固體鹼」是指當溶解於溶劑中時能產生鹼性溶液的乾燥或粒狀化合物。術語「鹼性」表示具有鹼的性質。「混合的溶劑體系」是指由兩種或多種溶劑、例如兩種或多種可混溶劑組成的溶劑體系。二元溶劑體系(即，包含兩種溶劑)的實例包括但不限於水和乙酸；水和甲酸；水和丙酸；水和丁酸等。三元溶劑體系(即，包含三種溶劑)的實例包括但不限於水、乙酸和乙醇；水、乙酸和丙酮；水、乙酸和甲酸；水、乙酸和丙酸；等。本發明包含所有包含兩種或多種溶劑的混合溶劑體系。「可混」是指混合物的性質，其中所述混合物在某些溫度、壓力和組分範圍內形成單相。「催化劑」是改變化學反應速率的物質。催化劑以催化劑循環再生的循環方式參與反應。本公開包含不含鈉的催化劑。在本文所述製備超純聚合物凝膠中使用的催化劑能為促進聚合物前體聚合以形成超純聚合物凝膠的任何化合物。「揮發性催化劑」為在大氣壓下或低於大氣壓下具有蒸發趨勢的催化劑。示例性的揮發性催化劑包括但不限於銨鹽，例如碳酸氫銨、碳酸銨、氫氧化銨及其組合。「溶劑」是指溶解或懸浮反應物(例如，超純聚合物前體)並提供可發生反應的介質的物質。本文所公開的製備凝膠、超純聚合物凝膠、超純合成碳材料和超純合成無定形碳材料中可用的溶劑的實例包括但不限於水、醇及其組合。示例性的醇包括乙醇、叔丁醇、甲醇及其混合物。這類溶劑可用於溶解合成超純聚合物前體材料，例如溶解酚或醛化合物。此夕卜，在一些方法中，可採用這類溶劑以在聚合物水凝膠中進行溶劑交換(在冷凍和乾燥之前)，其中將來自諸如間苯二酚和甲醛的前體的聚合的溶劑交換為純的醇。在本申請的一個實施方案中，通過不包括溶劑交換的方法製備凍凝膠。「乾燥凝膠」或「乾燥超純聚合物凝膠」分別是指從其中基本除去溶劑的凝膠或超純聚合物凝膠，通常為水或水和一種或多種水溶性溶劑的混合物。「熱解的乾燥超純聚合物凝膠」是指已熱解但未活化的乾燥超純聚合物凝膠，而 「活化的乾燥超純聚合物凝膠」是指已經活化的乾燥超純聚合物凝膠。「凍凝膠」是指已經通過冷凍乾燥而乾燥的乾燥凝膠。類似地，「超純聚合物凍凝膠」為已通過冷凍乾燥而乾燥的乾燥超純聚合物凝膠。"RF凍凝膠」或「RF超純聚合物凍凝膠」分別是指已通過冷凍乾燥而乾燥的乾燥凝膠或乾燥超純聚合物凝膠，其中所述凝膠或超純聚合物凝膠由間苯二酚和甲醛的催化反應而形成。「熱解的凍凝膠」或「熱解的超純聚合物凍凝膠」分別為已熱解但未活化的凍凝膠或超純聚合物凍凝膠。
「活化的凍凝膠」或「活化的超純聚合物凍凝膠」分別為已被活化以獲得活化碳材料的凍凝膠或超純聚合物凍凝膠。「幹凝膠」是指例如在大氣壓下或低於大氣壓下，已通過空氣乾燥而乾燥的乾燥凝膠。類似地，「超純聚合物幹凝膠」為已通過空氣乾燥而乾燥的乾燥超純聚合物凝膠。「熱解的幹凝膠」或「熱解的超純聚合物幹凝膠」分別為已熱解但未活化的幹凝膠或超純聚合物幹凝膠。「活化的幹凝膠」或「活化的超純聚合物幹凝膠」分別為已被活化以獲得活化碳材料的幹凝膠或超純聚合物幹凝膠。「氣凝膠」是指例如使用超臨界二氧化碳，已通過超臨界乾燥而乾燥的乾燥凝膠。 類似地，「超純聚合物氣凝膠」為已通過超臨界乾燥而乾燥的乾燥超純聚合物凝膠。「熱解的氣凝膠」或「熱解的超純聚合物氣凝膠」分別為已熱解但未活化的氣凝膠或超純聚合物氣凝膠。「活化的氣凝膠」或「活化的超純聚合物氣凝膠」分別為已被活化以獲得活化碳材料的氣凝膠或超純聚合物氣凝膠。「有機萃取溶劑」是指在聚合物前體聚合開始之後，通常在聚合物水凝膠聚合完成之後向聚合物水凝膠添加的有機溶劑。「快速多向冷凍」是指通過從整體聚合物凝膠生成聚合物凝膠顆粒並使所述聚合物凝膠顆粒經過合適的冷介質而冷凍聚合物凝膠的方法。冷介質能為，例如，液氮、氮氣或固體二氧化碳。在快速多向冷凍期間，冰的成核作用在冰晶體生長中佔優。合適的冷介質能為，例如，具有低於約-10°c的氣體、液體或固體。或者，合適的冷介質能為具有低於約-20°c的氣體、液體或固體。或者，合適的冷介質能為具有低於約-30°c的氣體、液體或固體。「活化(activate) 」和「活化作用(activation) 」各自是指在暴露於氧化環境(例如，二氧化碳、氧氣或蒸氣)時，在活化滯留溫度(dwell temperature)下加熱原材料或碳化/熱解的物質以生成「活化」物質(例如，活化的凍凝膠或活化碳材料)的過程。活化過程通常導致顆粒表面的剝離，導致增加的表面積。或者，活化作用能通過化學方法實現，例如通過注入含碳的前體材料與化學物然後進行碳化，其中所述化學物例如諸如磷酸的酸或諸如氫氧化鉀、氫氧化鈉的鹼或諸如氯化鋅的鹽。「活化的」是指已經過活化過程的材料或物質，例如，超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料。「碳化」(carbonizing)、「熱解(pyrolyzing)，，、「碳化(carbonization)，，和「高溫分解(pyrolysis)」各自是指在惰性環境(例如，氬氣或氮氣)或真空中，在高溫分解滯留溫度下，將含碳的物質加熱以使在過程結束時收集的靶材料主要為碳的過程。「熱解的」是指已經過高溫分解過程的材料或物質，例如，超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料。「滯留溫度」是指在一部分過程期間，保留以維持相對恆溫(即，不升高也不降低溫度)的爐溫。例如，高溫分解滯留溫度是指在高溫熱解期間相對恆定的爐溫，並且活化滯留溫度是指在活化期間相對恆定的爐溫。「孔隙」是指表面中的開口或凹陷，或者是指碳材料中的通道，碳材料例如活化碳、 熱解的乾燥超純聚合物凝膠、熱解的超純聚合物凍凝膠、熱解的超純聚合物幹凝膠、熱解的超純聚合物氣凝膠、活化的乾燥超純聚合物凝膠、活化的超純聚合物凍凝膠、活化的超純聚合物幹凝膠、活化的超純聚合物氣凝膠等。孔隙在貫穿結構的連續網絡中能為單獨的通道或與其它通道連接。「孔隙結構」是指在諸如活化碳材料的碳材料內的內在孔隙表面的布置。孔隙結構的構成包括孔徑、孔體積、表面積、密度、孔徑分布和孔隙長度。通常，活化碳材料的孔隙結構包括微孔隙和中孔隙。「中孔隙」通常是指直徑為約2納米至約50納米的孔隙，而術語「微孔隙」是指直徑小於約2納米的孔隙。「表面積」是指通過BET技術測量的物質的總比表面積。表面積通常以m2/g的單位表達。BET(Brunauer/Emmett/Teller)技術採用諸如氮氣的惰性氣體以測量在材料上吸附的氣體量，並通常在本領域中使用以測定材料的可及表面積。當在中孔隙和微孔隙中使用時「連接的」是指這類孔隙的空間定位。「有效長度」是指部分的孔隙長度，即為足以可用於從電解質接收鹽離子的直徑。「可調的」是指向上或向下調節碳材料中孔隙和微孔隙中之一或二者的孔徑、孔體積、表面積、密度、孔徑分布、孔隙長度或其組合的能力。例如，可調性可以是指調節孔徑從而當將本文所述的超純合成無定形碳材料用作電極材料時適當地容納靶電解質離子。在一些實施方案中，能調節超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料的孔隙結構。例如，在超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料的製備中，能以許多方式完成調節孔隙結構，包括但不限於，改變生產超純聚合物凝膠時的參數；改變冷凍乾燥超純聚合物凝膠時的參數；改變碳化超純聚合物凍凝膠時的參數以及改變活化熱解的超純聚合物凍凝膠時的參數。「電極」是指電進入或離開目標、物質或區域所通過的導體。「粘合劑」是指能夠將碳的單獨顆粒保持在一起的材料，以便在將粘結劑和碳混合在一起之後，生成的混合物能成形為片狀、球狀、盤狀或其它形狀。粘合劑的非排他性實例包括氟化超純聚合物，例如，PTFE(聚四氟乙烯，特氟綸)、PFA(全氟烷氧基超純聚合物樹月旨，還稱為特氟綸)、FEP (氟化乙烯丙烯，還稱為特氟綸)、ETFE(聚乙烯四氟乙烯，以Tefzel 和Fluon銷售)、PVF (聚氟乙烯，以Tedlar銷售)、ECTFE (聚乙烯氯三氟乙烯，以Halar銷售)、PVDF (聚偏二氟乙烯，以Kynar銷售)、PCTFE (聚氯三氟乙烯，以Kel-F和CTFE銷售)、 三氟乙醇及其組合。「惰性」是指在電解質中不活躍的材料，S卩，其不吸附顯著量的離子或在化學方面變化，例如降解。「導電的」是指材料通過傳送鬆散保持的價電子而傳導電子的能力。「電解質」是指包含游離離子以使物質導電的物質。電解質的實例包括但不限於與溶質結合的溶劑，所述溶劑例如碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、碳酸丁烯酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯、環丁碸、甲基環丁碸、乙腈或其混合物，所述溶質例如四烷基銨鹽，諸如TEATFB (四氟硼酸四乙銨)、MTEATFB (四氟硼酸甲基三乙銨)、EMITFB (四氟硼酸1_乙基-3-甲基咪唑)、四乙銨、基於三乙銨的鹽或其混合物。在一些實施方案中，電解質能為水基酸或水基鹼電解質，例如弱水性硫酸或水性氫氧化鉀。A.超純聚合物凝膠和超純合成碳材料在一個實施方案中，提供了超純合成碳材料。在另一個實施方案中，提供了超純合成無定形碳材料。如上所討論，已知包含具有殘留水平的各種雜質(例如，氯、硫、金屬等)的碳材料的電極降低了電極所浸入的電解質的擊穿電壓。因此，與包含較高純度的碳的裝置相比，這些電極必須在較低的電壓下操作並具有更短的壽命。還認為碳電極中的雜質促使EDLC或電池內的其它組分的降解。例如，在EDLC中隔離兩個碳電極的多孔膜可被碳電極內的氯或其它雜質降解。本文公開的超純合成碳材料和超純合成無定形碳材料與任何已知的碳材料相比顯著更純，並因此預期改善許多電存儲和/或分配裝置的操作。該公開的碳材料的高純度能歸因於公開的溶膠凝膠過程。申請人發現在揮發鹼性催化劑存在下，當一種或多種聚合物前體、例如酚化合物和醛在酸性條件下共聚時，產生超純聚合物凝膠。這與其它報導的製備聚合物凝膠的方法相比，所述其它報導的方法導致聚合物凝膠包含殘留水平的金屬和/或其它雜質以及殘留水平的反應溶劑和/或萃取溶劑。 從這些不純的聚合物凝膠中通過例如高溫分解和/或活化而製備的碳材料導致碳材料仍為不純的。與製備碳材料的已知方法相比，公開的超純聚合物凝膠允許製備超純合成碳材料和超純合成無定形碳材料。例如，能通過在惰性環境(例如氮氣)中加熱而熱解超純聚合物凝膠以產生公開的包含高表面積和高孔體積的碳材料。這些碳材料能在不使用化學活化技術-其引入雜質-的情況下進一步活化以獲得公開的超純活化碳材料。這類材料在許多電存儲和分配應用中得到利用。由公開的方法製備的碳材料不僅為超純的，它們還包含期望的物理性質，例如高孔隙率和高表面積。對於超純度，公開的碳材料的高孔隙率和高表面積歸因於本文公開的獨特過程。公開的過程允許改變許多工藝參數以控制碳材料的物理性質。超純度、高孔隙率和高表面積的組合允許製備具有優於已知裝置的性質的電存儲和分配裝置。在下面更詳細地討論公開的超純聚合物凝膠、超純合成碳材料和超純合成無定形碳材料的性質以及它們的製備方法。1.超純聚合物凝膠超純聚合物凝膠為在公開的超純碳材料的製備中的中間體。對此，超純聚合物凝膠的物理和化學性質對超純碳材料的性質起到作用。因此，在一些實施方案中，超純聚合物凝膠為乾燥的超純聚合物凝膠，例如，在一些實施方案中，乾燥的超純聚合物凝膠為超純聚合物凍凝膠。在其它實施方案中，乾燥的超純聚合物凝膠為超純聚合物幹凝膠或超純聚合物氣凝膠。在一些實施方案中，超純聚合物凝膠由酚化合物和醛類化合物而製備，例如，在一個實施方案中，超純聚合物凝膠能由間苯二酚和甲醛製備。在另一實施方案中，在酸性條件下製備超純聚合物凝膠。在一些實施方案中，能通過溶解固體酸性化合物、通過將酸用作反應溶劑或通過採用其中一種溶劑為酸的混合溶劑體系來提供酸性。在下面更詳細地描述超純聚合物凝膠的製備。公開的方法包括在鹼性揮發性催化劑存在下聚合以形成聚合物凝膠。因此，在一些實施方案中，超純聚合物凝膠包含一種或多種鹽，例如，在一些實施方案中，一種或多種鹽為鹼性揮發性鹽。鹼性揮發性鹽的實例包括但不限於碳酸銨、碳酸氫銨、乙酸銨、氫氧化銨及其組合。因此，在一些實施方案中，本公開提供了包含碳酸銨、碳酸氫銨、乙酸銨、氫氧化銨及其組合的超純聚合物凝膠。在其它實施方案中，超純聚合物凝膠包含碳酸銨。在其它實施方案中，超純聚合物凝膠包含乙酸銨。在本文所述任一方面或變體的一個實施方案中，超純聚合物凝膠基本不含叔丁醇。例如，在一個實施方案中，超純聚合物凝膠包含小於IOOOppm的叔丁醇、小於IOOppm的叔丁醇、小於IOppm的叔丁醇或小於Ippm的叔丁醇。在本文所述任一方面或變體的另一實施方案中，超純聚合物凝膠基本不含叔丙酮。例如，在一個實施方案中，超純聚合物凝膠包含小於IOOOppm的丙酮、小於IOOppm的丙酮、小於IOppm的丙酮或小於Ippm的丙酮。超純聚合物凝膠包含低水平的雜質。因此，在一些實施方案中，超純聚合物凝膠包含碳、氫和氧，並且總PIXE雜質含量小於或等於lOOOppm。在另一實施方案中，超純聚合物凝膠的總PIXE雜質含量為小於lOOOppm、小於800ppm、小於500ppm、小於300ppm、小於 200ppm、小於 lOOpprn、小於 50ppm、小於 25ppm、小於 lOppm、小於 5ppm 或小於 Ippm0超純聚合物凝膠可還包含低含灰量，其可對由其製備的超純碳材料的低含灰量起到作用。因此，在一些實施方案中，超純聚合物凝膠的含灰量為0. 1 %至0. 001 %。在另一實施方案中，超純聚合物凝膠的含灰量為小於0. 1%、小於0. 08%、小於0. 05%、小於0. 03%, 小於 0. 025%、小於 0. 01%、小於 0. 0075%、小於 0. 005%或小於 0. 001%。在其它實施方案中，超純聚合物凝膠具有小於500ppm的總PIXE雜質含量和小於 0. 08%的含灰量。在其它實施方案中，超純聚合物凝膠具有小於300ppm的總PIXE雜質含量和小於0. 05%的含灰量。在另一其它實施方案中，超純聚合物凝膠具有小於200ppm的總 PIXE雜質含量和小於0. 02%的含灰量。在另一其它實施方案中，超純聚合物凝膠具有小於 200ppm的總PIXE雜質含量和小於0. 01%的含灰量。如上所述，包含雜質的聚合物凝膠一般產生也包含雜質的碳材料。因此，本發明的一方面為具有低殘留雜質的超純聚合物凝膠。在超純聚合物凝膠中存在的單獨的PIXE 雜質量能由質子誘發的X射線發射而測定。在一些實施方案中，在超純聚合物凝膠中存在的鈉水平為小於lOOOppm、小於500ppm、小於lOOppm、小於50ppm、小於IOppm或小於lppm。 在一些實施方案中，在超純聚合物凝膠中存在的鎂水平為小於lOOOppm、小於lOOppm、小於 50ppm、小於IOppm或小於lppm。在一些實施方案中，在超純聚合物凝膠中存在的鋁水平為小於lOOOppm、小於lOOppm、小於50ppm、小於IOppm或小於lppm。在一些實施方案中，在超純聚合物凝膠中存在的矽水平為小於500ppm、小於300ppm、小於lOOppm、小於50ppm、小於 20ppm、小於IOppm或小於lppm。在一些實施方案中，在超純聚合物凝膠中存在的磷水平為小於lOOOppm、小於lOOppm、小於50ppm、小於IOppm或小於lppm。在一些實施方案中，在超純聚合物凝膠中存在的硫水平為小於lOOOppm、小於lOOppm、小於50ppm、小於30ppm、小於lOppm、小於5ppm或小於lppm。在一些實施方案中，在超純聚合物凝膠中存在的氯水平為小於lOOOppm、小於lOOppm、小於50ppm、小於IOppm或小於lppm。在一些實施方案中， 在超純聚合物凝膠中存在的鉀水平為小於lOOOppm、小於lOOppm、小於50ppm、小於IOppm 或小於lppm。在一些實施方案中，在超純聚合物凝膠中存在的鈣水平為小於lOOppm、小於 50ppm、小於20ppm、小於lOppm、小於5ppm或小於lppm。在一些實施方案中，在超純聚合物凝膠中存在的鉻水平為小於lOOOppm、小於lOOppm、小於50ppm、小於lOppm、小於5ppm、小於 4ppm、小於3ppm、小於2ppm或小於lppm。在一些實施方案中，在超純聚合物凝膠中存在的鐵水平為50ppm、小於20ppm、小於lOppm、小於5ppm、小於4ppm、小於3ppm、小於2ppm或小於lppm。在一些實施方案中，在超純聚合物凝膠中存在的鎳水平為小於20ppm、小於lOppm、 小於5ppm、小於4ppm、小於3ppm、小於2ppm或小於lppm。在一些實施方案中，在超純聚合物凝膠中存在的銅水平為小於140ppm、小於lOOppm、小於40ppm、小於20ppm、小於lOppm、小於5ppm、小於4ppm、小於3ppm、小於2ppm或小於lppm。在其它實施方案中，在超純聚合物凝膠中存在的鋅水平為小於20ppm、小於lOppm、小於5ppm、小於2ppm或小於lppm。在其它實施方案中，在超純聚合物凝膠中存在的除了鈉、鎂、鋁、矽、磷、硫、氯、鉀、鈣、鉻、鐵、鎳、銅和鋅以外的所有PIXE雜質的總量為小於lOOOppm、小於500ppm、小於300ppm、小於200ppm、 小於lOOppm、小於50ppm、小於25ppm、小於IOppm或小於lppm。如上所述，在一些實施方案中，諸如氫、氧和/或氮的其它雜質可以以小於10%至小於0.01%的水平存在。在一些實施方案中，超純聚合物凝膠包含鄰近或低於質子誘發的X射線發射分析的檢測限的PIXE雜質。例如，在一些實施方案中，超純聚合物凝膠包含小於50ppm的鈉、小於15ppm的鎂、小於IOppm的鋁、小於8ppm的矽、小於4ppm的磷、小於3ppm的硫、小於3ppm 的氯、小於2ppm的鉀、小於3ppm的鈣、小於2ppm的鈧、小於Ippm的鈦、小於Ippm的釩、小於0. 5ppm鉻、小於0. 5ppm的錳、小於0. 5ppm的鐵、小於0. 25ppm的鈷、小於0. 25ppm的鎳、 小於0. 25ppm的銅、小於0. 5ppm的鋅、小於0. 5ppm的鎵、小於0. 5ppm的鍺、小於0. 5ppm的砷、小於0. 5ppm的硒、小於Ippm的溴、小於Ippm的銣、小於1. 5ppm的鍶、小於2ppm的釔、 小於3ppm的鋯、小於2ppm的鈮、小於4ppm的鉬、小於4ppm的鎝、小於7ppm的銣、小於6ppm 的銠、小於6ppm的鈀、小於9ppm的銀、小於6ppm的鎘、小於6ppm的銦、小於5ppm的錫、小於6ppm的銻、小於6ppm的硫、小於5ppm的碘、小於4ppm的銫、小於4ppm的鋇、小於3ppm 的鑭、小於3ppm的鈰、小於2ppm的鐠、小於2ppm的釹、小於1. 5ppm的鉕、小於Ippm的釤、 小於Ippm的銪、小於Ippm的軋、小於Ippm的鋮、小於Ippm的鏑、小於Ippm的鈥、小於Ippm 的鉺、小於Ippm的銩、小於Ippm的鐿、小於Ippm的鑥、小於Ippm的鉿、小於Ippm的鉭、小於Ippm的鎢、小於1. 5ppm的錸、小於Ippm的鋨、小於Ippm的銥、小於Ippm的鉬、小於Ippm 的銀、小於Ippm的汞、小於Ippm的鉈、小於Ippm的鉛、小於1. 5ppm的鉍、小於2ppm的釷或小於4ppm的鈾。在一些特定實施方案中，超純聚合物凝膠包含小於IOOppm的鈉、小於300ppm的矽、小於50ppm的硫、小於IOOppm的鈣、小於20ppm的鐵、小於IOppm的鎳、小於40ppm的銅、小於5ppm的鉻以及小於5ppm的鋅。在一些特定實施方案中，超純聚合物凝膠包含小於50ppm的鈉、小於IOOppm的矽、小於30ppm的硫、小於50ppm的鈣、小於IOppm的鐵、小於 5ppm的鎳、小於20ppm的銅、小於2ppm的鉻以及小於2ppm的鋅。在其它特定實施方案中，超純聚合物凝膠包含小於50ppm的鈉、小於50ppm的矽、 小於30ppm的硫、小於IOppm的鈣、小於2ppm的鐵、小於Ippm的鎳、小於Ippm的銅、小於 Ippm的鉻以及小於Ippm的鋅。在一些特定實施方案中，超純聚合物凝膠包含小於IOOppm的鈉、小於50ppm的鎂、 小於50ppm的鋁、小於IOppm的硫、小於IOppm的氯、小於IOppm的鉀、小於Ippm的鉻以及小於Ippm的猛。公開的方法產生包含高比表面積的超純聚合物凝膠。為了不受理論限制，應認為超純聚合物凝膠的表面積有助於、至少部分有助於期望的超純合成無定形碳材料的表面積性質。能使用本領域技術人員公知的BET技術來測量表面積。在本文公開的任一方面的一個實施方案中，超純聚合物凝膠的BET比表面積為至少150m2/g、至少250m2/g、至少400m2/ g、至少 500m2/g、至少 600m2/g 或至少 700m2/g。
在一個實施方案中，超純聚合物凝膠的BET比表面積為至少100m2/g至1000m2/g。 或者，超純聚合物凝膠的BET比表面積為150m2/g至700m2/g。或者，超純聚合物凝膠的BET 比表面積為400m2/g至700m2/g。在一個實施方案中，超純聚合物凝膠的振實密度為0. lOg/cc至0. 60g/cc。在一個實施方案中，超純聚合物凝膠的振實密度為0. 15g/cc至0. 25g/cc。在本公開的一個實施方案中，超純聚合物凝膠的BET比表面積為至少150m2/g，並且振實密度小於0. 60g/cc。或者， 超純聚合物凝膠的BET比表面積為至少250m2/g，並且振實密度小於0. 4g/cc。在另一實施方案中，超純聚合物凝膠的BET比表面積為至少500m2/g，並且振實密度小於0. 30g/cc。在本文公開的任一方面或變體的另一實施方案中，超純聚合物凝膠包含的殘留含水量為小於15%、小於13%、小於10%、小於5%或小於1%。在一個實施方案中，超純聚合物凝膠的為IOOnm或低於IOOnm孔隙具有孔體積分數，其包括至少50%的總孔體積、至少75%的總孔體積、至少90%的總孔體積或至少99% 的總孔體積。在另一實施方案中，超純聚合物凝膠的20nm或低於20nm的孔隙具有孔體積分數，其包括至少50%的總孔體積、至少75%的總孔體積、至少90%的總孔體積或至少99% 的總孔體積。在一個實施方案中，超純聚合物凝膠的為IOOnm或低於IOOnm孔隙具有孔隙表面積分數，其包括至少50%的總孔隙表面積、至少75%的總孔隙表面積、至少90%的總孔隙表面積或至少99%的總孔隙表面積。在另一實施方案中，超純聚合物凝膠的為20nm或低於 20nm孔隙具有孔隙表面積分數，其包括至少50%的總孔隙表面積、至少75%的總孔隙表面積、至少90%的總孔隙表面積或至少99%的總孔隙表面積。在催化條件下，能通過將一種或多種聚合物前體在適當的溶劑體系中聚合而製備超純聚合物凝膠。因此，在一個實施方案中，通過將一種或多種可混溶劑、一種或多種酚化合物、一種或多種醛和一種或多種催化劑進行混合來製備超純聚合物凝膠。例如，在其它實施方案中，通過將水、乙酸、間苯二酚、甲醛和乙酸銨進行混合來製備超純聚合物凝膠。在下面更詳細地討論超純聚合物凝膠的製備。2.超純合成碳材料如上所述，本發明涉及為超純(即，小於500ppm的總PIXE雜質)的合成碳材料。 在一些實施方案中，合成超純碳材料為無定形的。儘管不希望由理論所限制，但應認為碳材料的純度和性質為其製備方法的函數，並且製備參數的變化能產生具有不同性質的碳材料。因此，在一些實施方案中，超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料為熱解的乾燥超純聚合物凝膠，例如，熱解的超純聚合物凍凝膠、熱解的超純聚合物幹凝膠或熱解的超純聚合物氣凝膠。在其它實施方案中，超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料為活化的(即，超純合成活化碳材料)。例如，在其它實施方案中，超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料為活化的乾燥超純聚合物凝膠，活化的超純聚合物凍凝膠、活化的超純聚合物幹凝膠或活化的超純聚合物氣凝膠。超純合成碳材料和超純合成無定形碳材料包含低的總PIXE雜質。因此，在一些實施方案中，超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料的總PIXE雜質含量(由質子誘發的X 射線發射所測量)為小於lOOOppm。在其它實施方案中，超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料的總PIXE雜質含量為小於800ppm、小於500ppm、小於300ppm、小於200ppm、小於150ppm、小於lOOppm、小於50ppm、小於25ppm、小於lOppm、小於5ppm或小於Ippm0在前述的其它實施方案中，超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料為熱解的乾燥超純聚合物凝膠、熱解的超純聚合物凍凝膠、熱解的超純聚合物幹凝膠、熱解的超純聚合物氣凝膠、活化的乾燥超純聚合物凝膠、活化的超純聚合物凍凝膠、活化的超純聚合物幹凝膠或活化的超純聚合物氣凝膠。除了低的PIXE雜質含量，公開的碳材料包含高的總碳含量。除了碳，超純合成碳材料和超純合成無定形碳材料還可包含氧、氫和氮。在一些實施方案中，以重量/重量為基礎，超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料包含至少85%的碳、至少90%的碳、至少 95%的碳、至少96%的碳、至少97%的碳、至少98%的碳或至少99%的碳。在一些其它實施方案中，以重量/重量為基礎，超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料包含小於10% 的氧、小於5%的氧、小於3.0%的氧、小於2. 5%的氧、小於1 %的氧或小於0. 5%的氧。在其它實施方案中，以重量/重量為基礎，超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料包含小於10 %的氫、小於5 %的氫、小於2. 5 %的氫、小於1 %的氫、小於0. 5 %的氫或小於0. 1 %的氫。在其它實施方案中，以重量/重量為基礎，超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料包含小於5%的氮、小於2. 5%的氮、小於的氮、小於0. 5%的氮、小於0. 25%的氮或小於 0.01%的氮。公開的碳材料的氧、氫和氮含量能由燃燒分析而測定。在本領域已知由燃燒分析來測定元素組成的技術。在某些實例中，碳材料的總含灰量對碳材料的電化學性能具有影響。因此，在一些實施方案中，超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料的含灰量為0. 至0. 001%, 例如，在某些特定實施方案中，超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料的含灰量為小於 0. 1%、小於0.08%、小於0. 05%、小於0· 03%、小於0· 025%、小於 0. 01%、小於0· 0075%, 小於0. 005%或小於0. 001%。在其它實施方案中，超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料的總PIXE雜質含量小於500ppm，並且含灰量小於0. 08%。在其它實施方案中，超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料的總PIXE雜質含量小於300ppm，並且含灰量小於0. 05%。在其它實施方案中，超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料的總PIXE雜質含量小於200ppm並且含灰量小於0. 05%。在其它實施方案中，超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料的總PIXE雜質含量小於200ppm，並且含灰量小於0. 025 %。在其它實施方案中，超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料的總PIXE雜質含量小於lOOppm，並且含灰量小於0. 02%。在其它實施方案中，超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料的總PIXE雜質含量小於50ppm，並且含灰量小於0.01%。在公開的碳材料中存在的單獨的PIXE雜質量能由質子誘發的X射線發射測定。 單獨的PIXE雜質可以以不同方式對公開的碳材料的總體電化學性起作用。因此，在一些實施方案中，在超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料中存在的鈉水平小於lOOOppm、小於500ppm、小於lOOppm、小於50ppm、小於IOppm或小於lppm。在一些實施方案中，在超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料中存在的鎂水平為小於lOOOppm、小於lOOppm、小於 50ppm、小於IOppm或小於lppm。在一些實施方案中，在超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料中存在的鋁水平為小於lOOOppm、小於lOOppm、小於50ppm、小於IOppm或小於lppm。 在一些實施方案中，在超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料中存在的矽水平為小於500ppm、小於300ppm、小於lOOppm、小於50ppm、小於20ppm、小於IOppm或小於Ippm0在一些實施方案中，在超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料中存在的磷水平為小於lOOOppm、 小於lOOppm、小於50ppm、小於IOppm或小於lppm。在一些實施方案中，在超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料中存在的硫水平為小於lOOOppm、小於lOOppm、小於50ppm、小於 30ppm、小於lOppm、小於5ppm或小於lppm。在一些實施方案中，在超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料中存在的氯水平為小於lOOOppm、小於lOOppm、小於50ppm、小於IOppm或小於lppm。在一些實施方案中，在超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料中存在的鉀水平為小於lOOOppm、小於lOOppm、小於50ppm、小於IOppm或小於lppm。在其它實施方案中，在超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料中存在的鈣水平為小於lOOppm、小於50ppm、小於20ppm、小於lOppm、小於5ppm或小於lppm。在一些實施方案中，在超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料中存在的鉻水平為小於lOOOppm、小於lOOppm、小於50ppm、小於lOppm、 小於5ppm、小於4ppm、小於3ppm、小於2ppm或小於lppm。在其它實施方案中，在超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料中存在的鐵水平為小於50ppm、小於20ppm、小於lOppm、小於5ppm、小於4ppm、小於3ppm、小於2ppm或小於lppm。在其它實施方案中，在超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料中存在的鎳水平為小於20ppm、小於lOppm、小於5ppm、小於 4ppm、小於3ppm、小於2ppm或小於lppm。在一些其它實施方案中，在超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料中存在的銅水平為小於140ppm、小於lOOppm、小於40ppm、小於20ppm、小於lOppm、小於5ppm、小於4ppm、小於3ppm、小於2ppm或小於lppm。在其它實施方案中，在超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料中存在的鋅水平為小於20ppm、小於lOppm、小於 5ppm、小於2ppm或小於lppm。在其它實施方案中，在超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料中存在的除了鈉、鎂、鋁、矽、磷、硫、氯、鉀、鈣、鉻、鐵、鎳、銅和鋅以外的所有PIXE雜質的總量為小於lOOOppm、小於500ppm、小於300ppm、小於200ppm、小於lOOppm、小於50ppm、 小於25ppm、小於IOppm或小於lppm。如上所述，在一些實施方案中，諸如氫、氧和/或氮的其它雜質可以以小於10%至小於0. 01 %的水平存在。 在一些實施方案中，超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料包含鄰近或低於質子誘發的X射線發射分析的檢測限的PIXE雜質。例如，在一些實施方案中，超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料包含小於50ppm的鈉、小於15ppm的鎂、小於IOppm的鋁、小於 8ppm的矽、小於4ppm的磷、小於3ppm的硫、小於3ppm的氯、小於2ppm的鉀、小於3ppm的鈣、小於2ppm的鈧、小於Ippm的鈦、小於Ippm的釩、小於0. 5ppm鉻、小於0. 5ppm的錳、小於0. 5ppm的鐵、小於0. 25ppm的鈷、小於0. 25ppm的鎳、小於0. 25ppm的銅、小於0. 5ppm的鋅、小於0. 5ppm的鎵、小於0. 5ppm的鍺、小於0. 5ppm的砷、小於0. 5ppm的硒、小於Ippm的溴、小於Ippm的銣、小於1. 5ppm的鍶、小於2ppm的釔、小於3ppm的鋯、小於2ppm的鈮、小於4ppm的鉬、小於4ppm的鎝、小於7ppm的銣、小於6ppm的銠、小於6ppm的鈀、小於9ppm 的銀、小於6ppm的鎘、小於6ppm的銦、小於5ppm的錫、小於6ppm的銻、小於6ppm的碲、小於5ppm的碘、小於4ppm的銫、小於4ppm的鋇、小於3ppm的鑭、小於3ppm的鈰、小於2ppm 的鐠、小於2ppm的釹、小於1. 5ppm的鉕、小於Ippm的釤、小於Ippm的銪、小於Ippm的釓、 小於Ippm的鋮、小於Ippm的鏑、小於Ippm的鈥、小於Ippm的鉺、小於Ippm的錢、小於Ippm 的鐿、小於Ippm的鑥、小於Ippm的鉿、小於Ippm的鉭、小於Ippm的鎢、小於1. 5ppm的錸、 小於Ippm的鋨、小於Ippm的銥、小於Ippm的鉬、小於Ippm的銀、小於Ippm的萊、小於Ippm的鉈、小於Ippm的鉛、小於1. 5ppm的鉍、小於2ppm的釷或小於4ppm的鈾。在一些特定實施方案中，由質子誘發的X射線發射所測量的，超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料包含小於IOOppm的鈉、小於300ppm的矽、小於50ppm的硫、小於 IOOppm的鈣、小於20ppm的鐵、小於IOppm的鎳、小於140ppm的銅、小於5ppm的鉻以及小於5ppm的鋅。在一些特定實施方案中，超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料包含小於50ppm的鈉、小於30ppm的硫、小於IOOppm的矽、小於50ppm的鈣、小於IOppm的鐵、小於 5ppm的鎳、小於20ppm的銅、小於2ppm的鉻以及小於2ppm的鋅。在其它特定實施方案中，超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料包含小於 50ppm的鈉、小於50ppm的矽、小於30ppm的硫、小於IOppm的鈣、小於2ppm的鐵、小於Ippm 的鎳、小於Ippm的銅、小於Ippm的鉻以及小於Ippm的鋅。在一些其它特定實施方案中，超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料包含小於 IOOppm的鈉、小於50ppm的鎂、小於50ppm的鋁、小於IOppm的硫、小於IOppm的氯、小於 IOppm的鉀、小於Ippm的鉻以及小於Ippm的錳。公開的碳材料包含高的表面積。儘管不希望由理論所限制，但應認為這類高表面積可以對從包含超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料的裝置中獲得的高的能量密度起作用。因此，在一些實施方案中，超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料包含的BET比表面積為至少1000m2/g、至少1500m2/g、至少2000m2/g、至少2400m2/g、至少2500m2/g、至少 2750m2/g或至少3000m2/g。例如，在前述一些實施方案中，超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料為活化的。在另一實施方案中，超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料的振實密度為 0. 2g/cc 至 0. 6g/cc、0. 3g/cc 至 0. 5g/cc 或 0. 4g/cc 至 0. 5g/cc。在另一實施方案中，超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料的總孔體積為至少0. 5cm7g、至少0. 7cm7g、至少 0. 75cm3/g、至少 0. 9cm3/g、至少 1. 0cm3/g、至少 1. lcm3/g、至少 1. 2cm3/g、至少 1. 3cm3/g、至少 1. 4cm3/g、至少 1. 5cm3/g 或至少 1. 6cm3/g。公開的碳材料的孔徑分布為一個可對合成無定形碳材料的電化學性能產生影響的參數。例如，大小可以包含容納特定電解質離子的孔隙的碳材料可以在EDLC裝置中特別有用。此外，包含具有短有效長度(即，如由TEM所測量，為小於lOnm、小於5nm或小於3nm) 的中孔隙的碳材料可用於增強離子傳送並使功率最大化。因此，在一個實施方案中，超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料包含為IOOnm或低於IOOnm的孔隙的孔體積分數，其包括至少50 %的總孔體積、至少75 %的總孔體積、至少90 %的總孔體積或至少99 %的總孔體積。在其它實施方案中，超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料包含為20nm或低於20nm 的孔隙的孔體積分數，其包括至少50%的總孔體積、至少75%的總孔體積、至少90%的總孔體積或至少99 %的總孔體積。在另一實施方案中，超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料包含為IOOnm或低於IOOnm的孔隙的孔隙表面積分數，其包括至少50%的總孔隙表面積、至少75%的總孔隙表面積、至少90%的總孔隙表面積或至少99%的總孔隙表面積。在另一實施方案中，超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料包含為20nm或低於20nm的孔隙的孔隙表面積分數， 其包括至少50%的總孔隙表面積、至少75%的總孔隙表面積、至少90%的總孔隙表面積或至少99%的總孔隙表面積。
在本公開的另一實施方案中，超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料由本文公開的方法製備，例如，在一些實施方案中，超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料通過包括如本所公開的熱解乾燥的超純聚合物凝膠的方法製備。在一些實施方案中，將熱解的超純聚合物凝膠進一步活化以獲得超純合成活化碳材料或超純合成無定形碳材料。下面更詳細地描述製備公開的碳材料的方法。B.超純合成無定形碳材料的製備在一個實施方案中，提供了製備新型超純聚合物凝膠的方法。在另一實施方案中， 提供了製備超純合成碳材料的方法，例如，在一些實施方案中，超純合成碳材料為超純合成無定形碳材料。這類超純聚合物凝膠和超純合成碳材料不能通過以前報導的方法獲得。在一些其它實施方案中，提供了製備諸如超純合成無定形活化碳材料的超純合成活化碳材料的方法。下面描述公開方法的多種實施方案的可變工藝參數的細節。1.超純聚合物凝膠的製備超純聚合物凝膠可由溶膠凝膠過程製備。例如，超純聚合物凝膠可通過在適當溶劑中共聚一種或多種聚合物前體製備。在一個實施方案中，在酸性條件下共聚一種或多種聚合物前體。在一些實施方案中，第一聚合物前體為酚化合物並且第二聚合物前體為醛化合物。在本方法的一個實施方案中，酚化合物為間苯二酚、鄰苯二酚、對苯二酚、間苯三酚、 苯酚或其組合；並且醛化合物為甲醛、乙醛、丙醛、丁醛、苯甲醛、肉桂醛或其組合。在其它實施方案中，酚化合物為間苯二酚、苯酚或其組合物，醛化合物為甲醛。在其它實施方案中，酚化合物為間苯二酚，並且醛化合物為甲醛。溶膠凝膠聚合過程通常在催化劑條件下進行。因此，在一些實施方案中，製備超純聚合物凝膠包括在催化劑存在下共聚一種或多種聚合物前體。在一些實施方案中，催化劑包含鹼性揮發性催化劑。例如，在一些實施方案中，鹼性揮發性催化劑包含碳酸銨、碳酸氫銨、乙酸銨、氫氧化銨或其組合。在其它實施方案中，鹼性揮發性催化劑為碳酸銨。在另一其它實施方案中，鹼性揮發性催化劑為乙酸銨。催化劑與酚化合物的摩爾比可對超純聚合物凝膠的最終性質以及由此製備的諸如超純合成無定形碳材料的超純合成碳材料的最終性質產生影響。因此，在一些實施方案中，這類催化劑以為10 1至2000 1的酚化合物催化劑的摩爾比使用。在一些實施方案中，這類催化劑以為20 1至200 1的酚化合物催化劑的摩爾比使用。例如，在其它實施方案中，這類催化劑以為25 1至100 1的酚化合物催化劑的摩爾比使用。反應溶劑為另一個工藝參數，可以使其變化以獲得超純聚合物凝膠和合成無定形碳材料的期望性質。在一些實施方案中，用於製備超純聚合物凝膠的溶劑為水和可混共溶劑的混合溶劑體系。例如，在某些實施方案中，溶劑包括水溶性酸。水溶性酸的實例包括但不限於丙酸、乙酸和甲酸。在其它實施方案中，溶劑包括的水溶性酸與水的比為99 1、 90 10,75 25,50 50,25 75,10 90或1 90。在其它實施方案中，通過向反應溶劑添加固體酸來提供酸性。在前述一些其它實施方案中，用於製備超純聚合物凝膠的溶劑為酸性的。例如，在某些實施方案中，溶劑包括乙酸。例如，在某些實施方案中，溶劑為100%的乙酸。在其它實施方案中，提供了混合溶劑體系，其中溶劑中的一種為酸性的。例如，在本方法的一個實施方案中，溶劑為包含乙酸和水的二元溶劑。在其它實施方案中，溶劑包含的乙酸與水的比為99 1,90 10,75 25,50 50,25 75,10 90 或 1 90。在其它實施方案中，通過
向反應溶劑添加固體酸來提供酸性。公開的方法的一些實施方案不包括在凍幹之前的溶劑交換步驟(例如，將丁醇交換成水)。例如，在本文描述的任一方法的一個實施方案中，在冷凍之前，用水衝洗超純聚合物凝膠或超純聚合物凝膠顆粒。在一個實施方案中，在冷凍之前，所述超純聚合物凝膠顆粒的平均直徑為小於25mm，例如，為0. OOlmm至25mm ；或者，在冷凍之前，所述超純聚合物凝膠顆粒的平均直徑為0. Olmm至15mm，例如，為1. Omm至15mm。在一些實例中，超純聚合物凝膠顆粒為Imm至10mm。在其它實施方案中，超純聚合物凝膠顆粒通過浸入低於約-10°C、例如低於_20°C或者低於約_30°C的介質中冷凍。例如，介質可為液氮或在乾冰中的乙醇(或其它有機溶劑)或由其它方法冷卻的乙醇。在一些實施方案中，真空乾燥包括使冷凍的顆粒經過低於約1400毫託的真空壓力。還設想了快速冷凍超純聚合物凝膠顆粒的其它方法。在另一實施方案中，通過將超純聚合物凝膠顆粒與諸如乾冰(固體二氧化碳)的適當冷固體共混或物理混合來快速冷凍超純聚合物凝膠。另一種方法是在_60°C下使用氣流冷凍器與金屬板以從在其表面上散布的超純聚合物凝膠顆粒快速除去熱量。快速冷卻超純聚合物凝膠顆粒中的水的第三種方法是通過非常快速地抽高真空來驟冷(snap freeze)顆粒(真空度使得對應於平衡氣壓的溫度允許冷凍)。快速冷凍的另一方法包括將超純聚合物凝膠與適當的冷氣體混合。在一些實施方案中，冷氣體的溫度可小於約-io°c。在一些實施方案中，冷氣體的溫度可低於約-20°C。在一些實施方案中，冷氣體的溫度可低於約-30°C。在其它實施方案中，氣體的溫度可為約-196°C。例如，在一些實施方案中，氣體為氮氣。在其它實施方案中，在-20°C或更低的溫度下，在冷幹機擱板上冷凍超純聚合物凝膠顆粒。例如，在一些實施方案中，在_30°C或更低的溫度下，在冷幹機擱板上冷凍超純聚合物凝膠顆粒。在一些其它實施方案中，使超純聚合物凝膠整體經過冷凍解凍循環(從室溫至-20°C或更低的溫度，並且返回至室溫)、冷凍解凍凝膠的物理破壞從而產生顆粒，然後進一步經過凍幹過程。例如，在一些其它實施方案中，使超純聚合物凝膠整體經過冷凍解凍循環(從室溫至_30°C或更低的溫度，並且返回至室溫)、冷凍解凍凝膠的物理破壞從而產生顆粒，然後進一步經過凍幹過程。在本文所述方法的一些實施方案中，酚前體與催化劑的摩爾比為約10 1至約 2000 1或酚前體與催化劑的摩爾比為約20 1至約200 1。在其它實施方案中，酚前體與催化劑的摩爾比為約25 1至約100 1。在其它實施方案中，酚前體與催化劑的摩爾比為約25 1至約50 1。在其它實施方案中，酚前體與催化劑的摩爾比為約100 1 至約50 1。在聚合物前體中的一種為間苯二酚並且另一種聚合物前體為甲醛的特定實施方案中，能改變間苯二酚與催化劑的比以獲得生成的超純聚合物凝膠和合成無定形碳材料的期望性質。在本文所述方法的一些實施方案中，間苯二酚與催化劑的摩爾比為約10 1至約2000 1或間苯二酚與催化劑的摩爾比為約20 1至約200 1。在其它實施方案中， 間苯二酚與催化劑的摩爾比為約25 1至約100 1。在其它實施方案中，間苯二酚與催化劑的摩爾比為約25 1至約50 1。在其它實施方案中，間苯二酚與催化劑的摩爾比為約 100 1 至約 50 1。
能通過本領域所述的各種方法來完成形成超純聚合物凝膠的聚合。例如，能在適當的催化劑的存在下，通過將適當的聚合物前體材料孵育一段時間來完成聚合。聚合時間根據溫度能為幾分鐘或幾小時至幾天(溫度越高，反應速率越快，並且相應地，所需時間越短)。聚合溫度能為室溫至接近(但低於)初始溶液沸點的溫度。例如，溫度能為約20°C 至約90°C。在一種聚合物前體為間苯二酚並且一種聚合物前體為甲醛的特定實施方案中， 溫度為約200C至約100°C，通常為約25°C至約90°C。在一些實施方案中，能在約90°C下，在催化劑的存在下，通過將適當的合成聚合物前體材料孵育至少24小時來完成聚合。通常， 在約90°C下，在約6小時至約24小時能完成聚合，例如在約90°C下，在約18小時至約24 小時能完成聚合。本文公開的聚合物前體材料包括(a)醇、酚化合物及其它單羥基化合物或多羥基化合物以及(b)醛、酮及其組合。在本文中典型的醇包括直鏈和支鏈、飽和和不飽和醇。適當的酚化合物包括多羥基苯，例如二羥基或三羥基苯。典型的多羥基苯包括間苯二酚(即， 1，3-二羥基苯)、鄰苯二酚、對苯二酚以及間苯三酚。還能使用兩種或多種多羥基苯的混合物。還能使用苯酚(單羥基苯)。典型的多羥基化合物包括諸如葡萄糖的糖以及諸如甘露醇的多元醇。本文中的醛包括直鏈飽和醛，例如甲醛(methanal)(甲醛(formaldehyde))、 ZjM (ethanal) ( ZjM (acetaldehyde))(propanal) ( ^fg (propionaldehyde)) >T 醛(butanal) (丁醛(butyraldehyde))等；直鏈不飽和醛，例如乙烯酮和其它烯酮、2_丙烯醛(丙烯醛)、2_ 丁烯醛(巴豆醛)、3_ 丁烯醛等；支鏈飽和和不飽和醛；以及芳香型醛，例如苯甲醛、水楊醛、氫化肉桂醛等。合適的酮包括直鏈飽和酮，例如丙酮和2 丁酮等；直鏈不飽和酮，例如丙酮，2-丁酮和3-丁酮(甲基乙烯酮)等；支鏈飽和和不飽和酮；以及芳香型酮，例如甲基苄基酮(苯基丙酮)、乙基苄基酮等。超純聚合物前體材料還能為上述前體的組合。在一些實施方案中，一種聚合物前體為含醇的物質並且另一種聚合物前體為含羰基的物質。基本能改變與含羰基的物質(例如，醛、酮或其組合)反應的含醇的物質(例如， 醇、酚化合物以及單羥基化合物或多羥基化合物或其組合)的相對量。在一些實施方案中， 選擇含醇的物質與含醛物質的比，以便含醇的物質中的反應性醇基團的總摩爾與醛物質中的反應性羰基的總摩爾基本相同。類似地，可以選擇含醇的物質與含酮物質的比，以便含醇的物質中的反應性醇基團的總摩爾與酮物質中的反應性羰基的總摩爾基本相同。當含羰基的物質包含醛物質和酮物質的組合時，使相同的大體1 1的摩爾比保持準確。能改變在超純聚合物凝膠形成之前的水溶液中的總固體含量。間苯二酚與水的重量比為約0. 05比1至約0. 70比1。或者，間苯二酚與水的比為約0. 15比1至約0. 6比1。 或者，間苯二酚與水的比為約0. 15比1至約0. 35比1。或者，間苯二酚與水的比為約0. 25 比1至約0. 5比1。或者，間苯二酚與水的比為約0. 3比1至約0. 4比1。在本文公開的製備超純聚合物凝膠中可使用的溶劑的實例包括但不限於水或諸如乙醇、叔丁醇、甲醇的醇或者這些任選地進一步與水的混合物。這類溶劑可用於溶解聚合物前體材料，例如溶解酚化合物。此外，在一些方法中，可採用這類溶劑以在超純聚合物凝膠中進行溶劑交換(在冷凍和乾燥之前)，其中將得自諸如間苯二酚和甲醛的前體的超純聚合的溶劑交換為純的醇。在本申請的一個實施方案中，通過不包括溶劑交換的方法製備超純聚合物凝膠。
在製備超純聚合物凝膠中的合適的催化劑包括促進將前體材料聚合為整體超純聚合物的揮發性鹼性催化劑。催化劑還包括上述催化劑的多種組合。在包含酚化合物的實施方案中，這類催化劑能以為20 1至200 1的酚化合物催化劑的摩爾比使用。例如， 在一些特定實施方案中，這類催化劑能以為25 1至100 1的酚化合物催化劑的摩爾比使用。2.超純聚合物凝膠顆粒的產牛能按照本領域已知的多種技術，將整體超純聚合物凝膠物理破壞以產生更小的顆粒。生成的超純聚合物凝膠顆粒通常的平均直徑為小於約30mm，例如為約Imm至約25mm， 或為約Imm至約5mm或為約0. 5mm至約10mm。或者，超純聚合物凝膠顆粒的尺寸能為低於約1mm，例如為約10微米至1000微米。從整體材料產生超純聚合物凝膠顆粒的技術包括手動或機械破壞方法，例如，篩選、碾磨、研磨或其組合。這類方法對本領域技術人員是公知的。在本文中能採用多種類型的研磨，例如軋制機、珠磨機和球磨機及旋轉壓碎機，以及本領域已知的類似顆粒產生設備。在特定實施方案中，採用軋制機。軋制機具有三個臺面以逐漸降低凝膠顆粒的尺寸。對於「溼」材料，超純聚合物凝膠通常非常易碎，並且摸上去不潮溼。因此，它們易於使用該方法研磨，然而，適當地設定各個臺面的寬度以達到靶標的最終目數。對凝膠配方和目徑的各個組合進行該調整並使該調整有效。使各個凝膠經過已知目徑的篩網研磨。篩選的顆粒能臨時儲存在密封容器中。在一個實施方案中，採用旋轉破碎機。旋轉壓碎機的篩子目徑為約l/8th英寸。在另一實施方案中，旋轉壓碎機的篩子目徑為約3/8th英寸。在另一實施方案中，旋轉壓碎機的篩子目徑為約5/8th英寸。在另一實施方案中，旋轉壓碎機的篩子目徑為約3/8th英寸。在室溫下，按照本領域技術人員的公知方法能完成研磨。或者，例如通過將超純聚合物凝膠與固體二氧化碳(乾冰)顆粒共研磨來低溫完成研磨。在該實施方案中，在單一步驟中完成兩步，即(a)從整體超純聚合物凝膠產生顆粒以及(b)快速多向冷凍超純聚合物凝膠。3.超純聚合物凝膠的快速冷凍在從整體超純聚合物凝膠形成超純聚合物凝膠顆粒之後，如上詳細描述的，快速並以多向方式完成超純聚合物凝膠顆粒的冷凍。如在本文實例中所證實的，諸如通過在凍幹機中的擱板冷凍的緩慢且單向方式的冷凍，導致了乾燥的材料具有非常低的表面積。類似地，驟冷(即，通過由抽深度真空而快速冷卻超純聚合物凝膠顆粒來完成的冷凍)還導致乾燥的材料具有低的表面積。如本文所公開，能通過使材料溫度快速降低為至少約-10°C 或更低，例如-20°c或更低，或者例如至少約-30°c或更低，來完成多向方式的快速冷凍。由於冰晶體的廣泛成核，所以超純聚合物凝膠顆粒的快速冷凍在顆粒內產生了精細冰晶體結構，但幾乎沒有留下冰晶體生長時間。這提供了冰晶體和烴模塊間的高比表面積，必須從冰模塊中排除這種高比表面。在晶體生長期間促進成核的極快速冷凍的概念能應用於混合的溶劑體系。在一個實施方案中，當混合的溶劑體系快速冷卻時，主要的溶劑組分將在其平衡熔融溫度下經歷結晶，同時共溶劑的濃度增加並伴隨著進一步的冰點降低。當溫度進一步降低時，主要溶劑的結晶和共溶劑的濃度增加，直至達到共晶組合物，在該點，共晶組合物經歷了從液態至固態的轉變，而沒有進一步的組分濃縮和產物冷卻，直至實現完全冷凍。在水和乙酸(其作為純物質分別具有0°C和17°C的冰點)的特定情況下，共晶組合物由約59%的乙酸和41%的水組成，並且在約_27°C下冷凍。因此，在一個實施方案中，混合的溶劑體系為共晶組合物， 例如，在一個實施方案中，混合的溶劑體系包含59%的乙酸和41%的水。4.超純聚合物凝膠的乾燥在一個實施方案中，在設定為避免材料破裂並保持在乾燥產物中的精細表面結構和孔隙率的條件下，將包含精細冰模塊的冷凍的超純聚合物凝膠顆粒凍幹。本文提供了凍幹條件的詳述。通常，在將產物溫度保持低於將以其它方式導致產物孔隙破裂的溫度，由此能使乾燥的材料保留極高的表面積的條件下完成乾燥。在乾燥產物中具有極高表面積的一個益處為超純聚合物凝膠對於製造電容器、能量存儲裝置的用途以及其它能量相關應用的改善的效用。不同的超純聚合物凝膠應用需要孔徑分布的變化，例如，不同水平的微孔體積、中孔體積、表面積和孔徑。通過調節超純聚合物凝膠的多種工藝參數，能根據期望的應用，在許多不同孔徑下實現高孔體積。在超純乾燥的聚合物凝膠結構中反映出最終碳材料的結構，所述超純乾燥的聚合物凝膠結構反過來由超純聚合物凝膠性質確定。使用本文所述的溶膠凝膠處理方法能在超純聚合物凝膠中產生這些特徵，但若在溶劑去除過程中不細心的話，則結構將不能保持。 目的在於基於冷凍過程的控制而保留超純聚合物凝膠的初始結構並隨著冰晶體形成來改變其結構二者。在一些實施方案中，在乾燥之前，超純聚合物凝膠的含水量為約50%至約 99%。在某些實施方案中，當乾燥時，超純聚合物凍凝膠的含水量為小於約10%，或者為小於約5%或小於約2. 5%。超純聚合物水凝膠的差示掃描量熱(DSC)數據證明了在約_18°C的大量放熱情況。這些數據與冷凍約4nm半徑的孔隙內的水相一致。這些發現指出對於電流應用目的的極快速冷凍不僅形成快速冷卻速率，而且降低程度使材料低於至少_18°C。DSC數據還證明了當升溫時，存在廣泛、複雜的吸熱行為，同時在約_13°C開始並中點為約-10°c。似乎在約-2°c處出現熱傳遞，並且在約+1°C處出現最終熔融。所述各種情況可對應於不同類型的微觀結構的熔融。數據表示，為了避免在冷凍態的最終產物結構的損失，在初始(例如，初級)乾燥期間的產物溫度應保持在低於_13°C。例如，這可以在乾燥步驟中完成，在所述乾燥步驟中，在初級乾燥期間的熱傳遞主要受控於對流而非傳導，因此，在升華期間的產物溫度將對應於與腔室壓力(chamber pressure)平衡的冰溫度。約2250微米的凍幹機腔室壓力導致為約-10°C的乾燥產物的初級乾燥溫度。在約2250微米腔室壓力或更低的腔室壓力下乾燥提供了在初級乾燥期間的產物溫度，其不高於約-10°C。為了進一步說明，約1500微米的腔室壓力導致為約-15°C的乾燥產物初級乾燥溫度。在約1500微米腔室壓力或更低的腔室壓力下乾燥提供了在初級乾燥期間不高於約_15°C的產物溫度。為了進一步說明，約750微米的腔室壓力導致為約_20°C的乾燥產物初級乾燥溫度。在750微米腔室壓力或更低的腔室壓力下乾燥提供了在初級乾燥期間不高於約_20°C的產物溫度。為了進一步說明，約300微米的腔室壓力導致為約_30°C的乾燥產物初級乾燥溫度。在300微米腔室壓力或更低的腔室壓力下乾燥提供了在初級乾燥期間不高於約_30°C的產物溫度。5.超純聚合物凝膠的高溫分解和活化
在另一實施方案中，提供了製備諸如超純合成活化無定形碳材料的超純合成活化碳材料的方法，其包括本文公開的乾燥聚合物凝膠的高溫分解和活化。在本公開的一些實施方案中，所提供的超純合成活化碳材料或超純合成活化無定形碳材料具有的比表面積為至少 1000m2/g、至少 1500m2/g、至少 2000m2/g、至少 2400m2/g、至少 2500m2/g 或至少 3000m2/ 通常，在高溫分解過程中，將乾燥的超純聚合物凝膠稱重並放置在迴轉窯中。溫度斜度設定為每分鐘5°C，設定滯留時間和滯留溫度；通過爐子的自然冷卻速率來測定冷卻。 整個過程通常在諸如氮氣環境的惰性環境下進行。然後將熱解的樣品移除並稱重。其它高溫分解過程對本領域技術人員是公知的。在一些實施方案中，高溫分解滯留時間(樣品處於期望溫度所經歷的時間)為約0 分鐘至約120分鐘、約0分鐘至約60分鐘、約0分鐘至約30分鐘、約0分鐘至約10分鐘、 約0分鐘至5分鐘或約0分鐘至1分鐘。與上述相比，高溫分解還能更緩慢地進行。例如，在一個實施方案中，在約120分鐘至480分鐘進行高溫分解。在其它實施方案中，在約120分鐘至240分鐘進行高溫分解。在一些實施方案中，高溫分解滯留溫度為約650°C至1800°C。在其它實施方案中， 高溫分解滯留溫度為約700°至約1200°C。在其它實施方案中，高溫分解滯留溫度為約 850°C至約1050°C。在其它實施方案中，高溫分解滯留溫度為約800°C至約900°C。在一些實施方案中，在高溫分解過程中改變高溫分解滯留溫度。在一個實施方案中，在具有分離的不同加熱區的迴轉窯中進行高溫分解，每個區的溫度從迴轉窯管的入口至出口末端依次降低。在一個實施方案中，在具有分離的不同加熱區的迴轉窯中進行高溫分解，每個區的溫度從迴轉窯管的入口至出口末端依次升高。在一個實施方案中，將加熱區的入口末端設定為690°C，加熱區中部設定為750°C並且加熱區出口末端設定為850°C。活化時間和活化溫度均對最終活化碳材料的性能及其製備成本產生重大影響。與更低溫度和更短滯留時間相比，增加的活化溫度和活化滯留時間導致更高的活化百分率， 這通常對應於去除更多材料。活化溫度還能改變碳的孔隙結構，其中更低的溫度導致更多微孔隙碳，而更高溫度導致中孔隙。這歸因於發生在更高溫度下的活化氣體擴散限制性反應和發生在更低溫度下的反應動力學驅動反應。更高的活化百分率通常增加最終活化碳的性能，但其還通過降低總產率增加成本。改善活化水平相當於在更低的成本下實現更高性能的產品。熱解的超純聚合物凝膠可通過使熱解的超純聚合物凝膠與活化劑接觸而活化。許多氣體適於活化，例如包含氧的氣體。活化氣體的非限制性實例包括二氧化碳、一氧化碳、 蒸氣和氧氣。活化劑還可包括腐蝕性化學物，例如酸、鹼或鹽(例如，磷酸、氫氧化鉀、氫氧化鈉、氯化鋅等)。其它活化劑為本領域技術人員已知的。在一個實施方案中，活化時間為1分鐘至48小時。在其它實施方案中，活化時間為1分鐘至24小時。在其它實施方案中，活化時間為5分鐘至24小時。在其它實施方案中，活化時間為1小時至24小時。在其它實施方案中，活化時間為12小時至24小時。在某些其它實施方案中，活化時間為30分鐘至4小時。在一些其它實施方案中，活化時間為 1小時至2小時。通常，在活化過程中，將樣品稱重並放置在迴轉窯中，對於所述迴轉窯，自動氣體控制管的斜度設定為在每分鐘20°C速率處。一旦達到合適的活化溫度，將二氧化碳引入窯環境中，持續一段時間。在發生活化之後，由氮氣取代二氧化碳，並且將窯冷卻。在過程結束時，將樣品稱重以評價活化水平。其它活化過程對本領域技術人員是公知的。在本文公開的一些實施方案中，活化溫度可為800°C至1300°C。在另一實施方案中，活化溫度可為 800°C至1050°C。在另一實施方案中，活化溫度可為約850°C至約950°C。本領域技術人員應認識到可以採用其它的更低或更高的活化溫度。根據在活化步驟期間損失的熱解乾燥超純聚合物凝膠的質量百分比來測量活化度。在本文公開方法的一個實施方案中，活化包括的活化度為5%至90%或10%至80% ； 在一些情況下，活化包括的活化度為40 %至70 %或45 %至65 %。在本文公開的用於產生高表面積超純合成活化碳材料的方法中，設計超純聚合物凝膠以產生已為高孔隙且在其超純聚合物骨架內包含碳結構的材料，其中，當熱解和活化時，所述碳結構將產生包含中孔隙和微孔隙的靶標混合物的活化碳材料。通過產生具有合適的中孔隙和微孔隙的靶標混合物的超純聚合物凝膠，降低所需活化的量，由此改善產率並降低成本。此外，調節中間體性質(例如，孔徑)的能力引入了可調度，其還未通過更常用的熱解和過度活化現有碳材料的方法實現。例如，與調節高溫分解和活化變量的常規方法相比，操作本文所述中間體的處理變量對最終碳納米結構具有更顯著的影響。已證實了按比例擴大本文公開的製備方法以滿足本文公開的活化碳材料所期望的高需求的能力。能確定所述過程的三個部分1)從前體超純聚合物材料超純聚合；2)冷凍乾燥；以及幻高溫分解/活化。在一個實施方案中，採用三個現有行業的標準製備設備可以分別衡量這些步驟中的每一個，所述現有行業例如從事黏合劑和環氧的專業化學公司；藥品和食品相關的冷凍乾燥提供商；以及低等級活化碳的製造商。已表明在初始溶膠中的催化劑的量和水的百分比對活化碳材料的最終性能具有重要影響(例如，當在超級電容器中使用時)。大量的工藝變量和在這些變量間的相互作用能連續精煉所述過程並允許在最終碳結構上進行一些控制。因此，在一個實施方案中，本公開提供了精煉的工藝變量。公開的精煉導致了以先前未獲得的方式在最終碳結構上施加控制的能力。在本領域中使用的精煉工藝變量的最常見的方法為除了使一個變量可以改變外保持所有變量恆定，並且測定改變一個參數的影響。或者，如本文所述，將統計分析方法的組合DFE Pro Software以及實驗方法的析因設計用於系統地改變多個參數，同時獲得製備活化碳材料的最優工藝。通過使用該方法，評價這些變量中的每一個對與活化碳材料結構相關的不同度量(例如，表面積、密度、孔體積等)範圍的影響。當在超級電容器中採用超純合成活化碳材料時，可以評價其它的性能度量。例如，可以評價電容、密度和功率密度。C.超純聚合物凝膠和超純合成碳材料的表徵使用在17K下的氮吸附可以測量最終的超純合成活化碳材料、超純合成活化無定形碳材料、乾燥的聚合物凝膠以及熱解但未活化的超純聚合物凝膠的結構性質，所述氮吸附為本領域技術人員已知的方法。成品超純合成活化碳材料的最終性能和表徵至關重要， 但是，如本領域技術人員已知的，特別從品質控制標準點，還能評價中間體產物(乾燥的超純聚合物凝膠和熱解但未活化的超純聚合物凝膠)。將Micromeretics ASAP 2020用於進行詳細的微孔隙和中孔隙分析，其顯示孔徑分布為0. 35nm至50nm。系統生成在10-7大氣壓下開始的氮氣等溫線，這能給予亞Inm範圍的高分辨孔徑分布。軟體生成的報告利用了密度泛函理論(DFT)法以計算諸如孔徑分布、表面積分布、總表面積、總孔體積和某些孔徑範圍內的孔體積的性質。在一些實施方案中，熱解的超純聚合物凝膠的表面積為約100m2/g至約1200m2/g。 在其它實施方案中，熱解的超純聚合物凝膠的表面積為約500m2/g至約800m2/g。在其它實施方案中，熱解的超純聚合物凝膠的表面積為約500m2/g至約600m2/g。在一些實施方案中，熱解的超純聚合物凝膠的振實密度為約0. lcc/g至約l.Occ/ go在其它實施方案中，熱解的超純聚合物凝膠的振實密度為約0.3cc/g至約0.6cc/g。在其它實施方案中，熱解的超純聚合物凝膠的振實密度為約0. 35cc/g至約0. 45cc/g。P.調整超純聚合物凝膠的孔徑和其它件質公開的從合成的充分表徵的前體中合成的超純碳材料不同於得自諸如煤、浙青、 椰子等天然來源的活化碳。這部分歸因於它們能通過仔細地預先設計和實施工藝控制而在微孔隙和中孔隙結構和化學方面進行調節的事實。此外，本文所述的超純碳材料包含多孔結構，這能對給定的應用(例如，當在超級電容器或其它能量存儲裝置中使用時)進行優化。伴隨調整碳納米結構的能力，獲得超過得自常規活化碳的現有性能數據的性能。重要的變量包括大的可及表面積、短的用於電解鹽擴散的微孔以及最小限度的損耗孔體積，從而增強比電容。工藝變量的操作允許產生具有適於期望應用的性質的超純合成活化碳材料。因此，在一個實施方案中，提供了使產生超純聚合物凝膠、乾燥的超純聚合物凝膠、熱解的超純聚合物凝膠和超純合成活化碳材料的工藝變量最優化的方法。使工藝參數最優化的一個方法包括設計實驗策略。使用該策略，能由相對較少的實驗來研究多個工藝變量(例如，高達8個變量)的影響。從實驗設計中獲得的數據能用於操作工藝變量以獲得超純聚合物凝膠、乾燥的超純聚合物凝膠、熱解的超純聚合物凝膠和活化的超純聚合物凍凝膠的特定性質。例如，在一些實施方案中，對工藝參數進行操作以獲得期望的產品特性，所述工藝參數選自間苯二酚/催化劑的比、間苯二酚/水的比、冷凍步驟的粒徑、淬滅溫度、高溫分解時間、高溫分解溫度、活化溫度和活化時間，及其組合。在一些實施方案中，與四甲銨(TMA)陽離子共同使用一組電化學測試電池。儘管四乙銨(TEA)離子直徑為0.69nm，但四甲銨離子直徑僅為0.57nm。各個陽離子與直徑為 0.46nm的四氟硼酸鹽(TFB)陰離子配對。這些各種離子的尺寸闡明了上述孔徑範圍。只要微孔隙為短的且不為彎曲的，則它們接納比孔隙直徑更小的離子。增加電容和能量密度的一種方法為通過使離子進入碳網絡中儘可能多的孔隙中。例如，小於0. 5nm的孔隙接納 TFB陰離子，但不接納TEA或TMA陽離子。0. 5nm至0. 65nm的孔隙接納TMA陽離子，但不接納TEA，並且大於0. 65nm的孔隙將接納TEA離子。該概念總結了離子篩分理論，其中認為碳材料為僅允許小於孔徑的離子進入的篩。在包含TMATFB與TEATFB電解質的電池的陽極和陰極上發展的電容和由此發展的能量密度的差異的評價提供了對某些孔徑範圍內孔體積重要性的深入理解。工藝變量的操作允許產生具有適於所選擇的電解質體系的孔徑分布的超純合成活化碳。例如，可以產生具有約0. 8nm的微孔隙峰的碳陽極，其集中在適於TEA離子的孔徑。 基於DFE Pro Software的輸出值，基於最統計顯著的那些變量，對於設定為最初性能度量的孔體積和表面積為0. 7nm至1. Onm的孔隙選擇工藝設置。將變量的相互作用和多個變量 「等高線」用於推斷工藝設置，其位於上述使用的設定之間或位於上述規定的範圍外。在確定用於滿足本任務的孔徑需求的靶標工藝變量之後，根據使用這些設置來生產一批諸如活化碳凍凝膠的超純合成活化碳。然後，使用孔徑分布分析用的ASAP 2020和密度泛函理論來表徵陽極材料，以確認高體積和表面積峰存在於0. 7nm至1. Onm的規定範圍內。類似地，將不同的孔徑範圍0. 6nm至0. 8nm用作調整TMA陽離子孔徑的靶標，同時還使用本文所述的相同方法。此外，該方法能用於生產對應於TFB陰離子的孔徑分布小於 0. 6nm的碳。改變陽極和陰極中每克碳開發的電容能夠產生具有匹配的陰離子和陽離子容量的電荷平衡電池。該方法改善了總電池的能量密度，同時降低了與產生對電解質離子不適合的尺寸的孔隙有關的成本。此外，根據本文公開的方法，對於許多電解質離子，能夠批量生產具有靶標粒徑分布的碳。對於特定體系研究，選擇本文所述的孔徑範圍，然而，根據本文公開的方法能夠產生其它範圍。例如，能從ASAP 2020軟體產生的報告中提取數據，並且能改變實驗的DFE Pro設計以顯示任何尺寸的孔隙用的合適調整參數。儘管本文未公開特定參數，但實驗的析因設計方法能使本領域技術人員進行調整以產生靶標峰值孔徑。這些結果的分析提供了許多不同的理解。使用已知尺寸的鹽離子，研究具有已知微孔尺寸峰的陽極或陰極開發最大電容的能力提供了對離子發揮作用的有效尺寸以及何種孔徑篩選出哪種離子的信息。使用本文公開的孔體積數據以及體系電容數據提供了對開發具有較大四乙銨陽離子與較小的四甲銨陽離子或四氟硼酸鹽陰離子的電容所需的最小孔徑的識別。當孔隙過小以不能使離子電吸附至孔隙壁表面時，一種用作電極的靶標碳材料為微孔隙峰恰好高於閥值的體系，同時使孔體積在其它範圍中最小化。當與特定範圍內的孔體積共同用作性能度量時，實驗的析因設計方法指示如何調節工藝參數以使孔徑體積在該孔徑範圍中最大化。在電場不存在的情況下，當電解質離子在無約束溶劑中為游離的時，它們通常由溶劑離子包圍，這有助於平衡它們的電荷。期望這在某種程度仍然發生，儘管在孔隙內存在強電場和狹窄的空間。各個離子對保持自身成為溶劑化物具有不同傾向，因此具有不同的有效尺寸，即對強溶劑化物更大並對弱溶劑化物更小。上述離子篩選研究評價了這些鹽保持為溶劑化物的程度，以及何種尺寸孔隙為合適的。如上所述，一種使納米結構碳電極的能量密度最大化的方法為產生對電吸附至該電極表面的離子而言為適當尺寸的孔隙。將具有適於陰離子的孔徑分布和適於陽離子的另一孔徑分布的活化碳裝配在非對稱電池中，其能夠超過其它對稱電池的電容和能量密度。E.乾燥的超純聚合物凝膠和超純合成碳材料的用途諸如超純合成無定形碳材料的超純合成碳材料能用在需要穩定、高表面積的微孔隙和中孔隙結構的裝置中。公開的碳材料的應用實例包括但不限於能量存儲和分配裝置； 超級電容器電極；偽電容器電極；電池電極；鉛酸電池電極；氣體擴散電極，其包括鋰空氣電池和鋅空氣電池；鋰離子電池和電容器(例如作為陰極材料)；在電化學體系中用於其它活性材料的導電收集器/支架；納米結構材料支持支架；固態氣體存儲器(例如，吐和014存儲器)；鹽水的電容去電離；生物醫學應用，包括中毒控制和藥物控釋；空氣過濾；水過濾；化學過濾；催化劑轉化器；隔熱；色譜填充物；吸附劑和用於其它催化作用的碳基支架支持結構，例如氫存儲或燃料電池電極。公開的碳材料還可以在動能收集應用中使用，例如混合動力交通車輛、重型混合動力、全電動車輛、起重機、鏟車、升降機、電動軌道、混合機車以及電動自行車。超純合成無定形碳材料還可以在電氣備用應用中使用，例如UPS、數據中心橋式電源、電壓驟降補償、 電動制動執行器、電動門執行器、電子產品、電信塔橋式電源。可以使用本公開的超純合成活化碳的需要脈衝電源的應用包括但不限於板網穩定；電子產品，包括手機、PDA、相機閃光燈、電動玩具；風力渦輪葉片節距執行器；功率品質/功率調節/頻率調節；電動增壓器。 超純合成無定形碳材料的其它應用包括在下述中的用途汽車啟動和制動系統、電動工具、 閃光燈、個人電子產品、自包含的太陽能照明系統、RFID片和系統、用於測量裝置功率的風場顯色劑、感應器、脈衝雷射系統和移相器。公開的碳材料還可在超純度為決定性的應用中使用，例如在醫藥、電子、化學分析、mems (微型機械)和生物領域中使用。所有類型的化學和電化學感應器或探測器將經歷更少的雜質幹擾或經歷更少的由雜質引起或催化的副反應。實例為空氣中的雜質(爆炸物、危險化學物、合成的突出部分)或水中的雜質，諸如有機液體中的有機物或水雜質。碳的酸/鹼性質很大程度上為包含化學吸附的氧的雜質的函數。因此，超純合成無定形碳材料可用於期望控制碳材料的酸/鹼性質的應用。碳用作化學製備材料中的反應物，並且用作電化學製備材料中的電極。因此，公開的碳材料在化學和電化學製備高純度材料，尤其是金屬，中得到應用。公開的碳材料還可用作鋅-錳氧化物電池(通常為手電筒電池)和鋅-滷素電池中的電極，並且併入碳-超純聚合物複合物以用作導電粘合劑和封條，以及用於使輻射洩漏最小化。本文公開的乾燥超純聚合物凝膠在許多應用中得到使用。例如，乾燥超純聚合物凝膠可用作木材粘合劑(例如，用於夾板和刨花板)、將織物和金屬粘合至橡膠(例如，橡膠輪胎)、過濾介質、介電絕緣、隔熱以及用作複合材料(例如，玻璃纖維和碳纖維等)中的樹脂。1.超級電容器裝置EDLC使用浸入電解質溶液的電解作為它們的能量存儲元件。通常，浸入電解質或注有電解質的多孔隔離器確保了電極不發生彼此接觸，避免電子電流直接在電極間流動。 同時，多孔隔離器使離子電流以兩個方向流經電極間的電解質，由此在電解和電解質間的界面處形成雙層電荷。當在EFLC的電極對間施加電勢時，在電解質內存在的離子被吸引至相反電荷電極的表面，並且向該電極遷移。因此，產生了相反電荷離子層，並且保持在各個電極表面附近。在相應電極表面的這些離子層和電荷層之間的電荷分離層中存儲電能。實際上，電荷分離層基本表現為靜電電容器。在由電勢誘發的電場的影響下，通過電解液分子的取向和排列，還能將靜電能存儲在EDLC中。然而，該能量存儲模式是次要的。包含諸如超純合成無定形碳材料的超純合成碳材料的EDLC能在多種期望高功率的電子裝置中應用。因此，在一個實施方案中，提供了包含超純合成碳材料的電極。在另一實施方案中，提供了包含超純合成無定形碳材料的電極。在其它實施方案中，電極包含超純合成活化碳材料，例如包含超純合成活性無定形碳材料。在其它實施方案中，提供了包括包含超純合成碳材料的電極的超級電容器。在前述的其它實施方案中，超純合成碳材料為超純合成無定形碳材料，例如為超純合成活性無定形碳材料。公開的碳材料在許多電子裝置中得到應用，例如，無線用戶和商業裝置，諸如數位相機、筆記本PC、醫療裝置、位置跟蹤裝置、汽車裝置、緊湊型快閃記憶體裝置、行動電話、PCMCIA 卡、手持裝置和數碼音樂播放器。超級電容器還應用在重型設備中，例如挖掘機和其它推土設備；鏟車；垃圾車；用於港口和建築的起重機；以及運送系統，例如公共汽車、汽車和火車。在一個實施方案中，包含超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料的超級電容器裝置包括的重量功率為至少10W/g、至少15W/g、至少20W/g、至少25W/g、至少30W/g或至少 35W/g。在另一實施方案中，包含超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料的超級電容器裝置包括的體積功率為至少5W/cc、至少10W/cc、至少15W/cc或至少20W/cc。在另一實施方案中，包含超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料的超級電容器裝置包括的重量能量為至少 2. 5Wh/kg、至少 5. OWh/kg、至少 7. 5Wh/kg、至少 10Wh/kg、至少 12. 5Wh/kg、至少 15. Offh/ kg、至少17. 5Wh/kg、至少20. OWh/kg、至少22. 5ffh/kg或至少25. 0Wh/kg。在另一實施方案中，包含超純合成活化碳的超級電容器裝置包括的體積能量為至少1. 5ffh/升、至少3. Offh/ 升、至少5. Offh/升、至少7. 5ffh/升、至少10. Offh/升、至少12. 5ffh/升、至少15Wh/升、至少 17. 5ffh/升或至少20. Offh/升。在前述的一些實施方案中，採用1.0M四氟硼酸四乙銨的乙腈(在AN中為1. OM的 TEATFB)電解質溶液和0. 5秒時間常數，通過從2. 7V至1. 89V的恆電流放電來測量包含超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料的超級電容器裝置的重量功率、體積功率、重量能量和體積能量。在一個實施方案中，包含超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料的超級電容器裝置包括至少2. 5ff/g的重量功率、至少10. 0ff/cc的體積功率、至少5. 0Wh/kg的重量能量和至少3. 0ffh/L的體積能量。在另一實施方案中，包含超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料的超級電容器裝置包括至少15W/g的重量功率、至少10. 0ff/cc的體積功率、至少20. 0Wh/kg的重量能量和至少12. 5ffh/L的體積能量。在一個實施方案中，包含超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料的超級電容器裝置包括的重量電容為至少15F/g、至少20F/g、至少25F/g、至少30F/g或至少35F/g。在另一實施方案中，包含超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料的超級電容器裝置包括的體積電容為至少10F/cc、至少15F/cc、至少18F/cc、至少20F/cc、至少22F/cc或至少25F/ Cc0在前述的一些實施方案中，使用5秒時間常數並且採用1.8M四氟硼酸四乙銨的乙腈 (在AN中為1. 8M的TEATFB)電解質溶液和0. 5A/g、l. 0A/g、4. 0A/g或8. 0A/g的電流密度， 通過從2. 7V至0. IV的恆電流放電來測量重量電容和體積電容。在一個實施方案中，本公開提供了包含如本文所公開的超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料的超級電容器，其中在電壓保持期之後，包含超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料的超級電容器的初始電容(即，在經過電壓保持之前的電容)的降低百分率小於包含已知碳材料的超級電容器的初始電容的降低百分率。在一個實施方案中，在65°C 下，在2. 7V的保持電壓持續M小時之後，包含超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料的超級電容器剩餘的初始電容的百分率為至少90%、至少80%、至少70%、至少60%、至少 50 %、至少40 %、至少30 %、至少20 %或至少10 %。在前述的其它實施方案中，在0. 5A/g、 lA/g、4A/g或8A/g的電流密度下測量在保持電壓期之後剩餘的原始電容的百分率。在另一實施方案中，本公開提供了包含如本文所公開的超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料的超級電容器，其中在重複電壓循環之後，包含超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料的超級電容器的初始電容的降低百分率小於經過相同條件的包含已知碳材料的超級電容器的初始電容的降低百分率。例如，在一個實施方案中，在4A/g的電流密度下，在包含2V至IV間循環的1000次、2000次、4000次、6000次、8000次或1000次電壓循環活動之後，包含超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料的超級電容器剩餘的初始電容的百分率大於包含已知碳材料的超級電容器剩餘的初始電容的百分率。在另一實施方案中，在4A/g的電流密度下，在包含2V至IV間循環的1000次、2000次、4000次、6000次、8000 次或1000次電壓循環活動之後，包含超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料的超級電容器剩餘的初始電容的百分率為至少90%、至少80%、至少70%、至少60%、至少50%、至少40%、至少30%、至少20%或至少10%。如上所述，能將超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料併入超級電容器裝置。 在一些實施方案中，使用Labomill氣流研磨機在氮氣環境中進行操作，將超純合成碳材料或超純合成無定形碳材料研磨至平均粒徑為約10微米。儘管希望不受理論限制，但應認為該精細粒徑增加了顆粒與顆粒的導電性，以及能製備非常薄的片電極。氣流研磨機基本通過將碳在由高壓氮推進的盤形腔室內旋轉來使碳與其自身進行碾磨。當供給更大顆粒時， 離心力將它們推至腔室外部；當它們彼此碾磨時，顆粒向中心遷移，其中，一旦它們已達到適當的尺寸，則它們最終離開碾磨腔室。在其它實施方案中，在氣流研磨之後，將碳與纖維性特氟綸粘合劑(3%重量比) 混合以將顆粒以片的形式保持在一起。將碳特氟綸混合物捏合，直至達到均勻一致。然後， 使用導致50微米最終厚度的高壓輥成型，將混合物捲成片。在乾燥氬氣環境下，將這些電極衝壓為盤形並加熱至195°C以去除水和/或其它空氣運輸的汙染物。將電極稱重並使用卡尺測量它們的大小。使用適當的電解液溼潤EDLC的碳電極。用於本申請裝置中的電解液中使用的溶劑的實例包括但不限於碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、碳酸丁烯酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯、環丁碸、甲基環丁碸和乙腈。這類溶劑通常與溶質混合，所述溶質包括四烷基銨鹽，諸如TEATFB(四氟硼酸四乙銨)、TEMATFB(四氟硼酸三乙基甲銨)、EMITFB(四氟硼酸 1-乙基-3-甲基咪唑)、四甲銨或基於三乙銨的鹽。此外，電解質可為水基酸性或鹼性電解質，例如弱硫酸或氫氧化鉀。在一些實施方案中，使用1. OM的四氟硼酸四乙銨的乙腈(在AN中為1.0M的 TEATFB)電解質溶液溼潤電極。在其它實施方案中，使用1. OM的四氟硼酸四乙銨的碳酸丙烯酯(在PC中為1.0M的TEATFB)電解質溶液溼潤電極。這些為在研究和工業中均使用的常規電解質，並且被認為用於評價裝置性能的標準。在其它實施方案中，在諸如氬氣手套箱 (glove box)的惰性環境中組裝對稱碳-碳(C-C)電容器，並且30微米厚的NKK多孔膜用作隔離器。一旦組裝，可根據樣品的孔隙率而將樣品在電解質中浸漬20分鐘或更長時間。在一些實施方案中，在生物VMP3電化學工作檯上，在多種電壓(從1.0V至2. 5V的最大電壓)和電流水平(ImA至IOmA)下，使用循環伏安法(CV)、計時電勢分析法(CP)和阻抗譜來測量電容和功率輸出。在該實施方案中，可以使用下述公式從電勢圖的放電曲線中計算電容方程
權利要求
1.超純的合成碳材料，通過質子誘發的X射線發射測量，所述超純的合成碳材料包含總雜質含量小於500ppm的原子數為11至92的元素。
2.如權利要求1所述的碳材料，其中所述碳材料為超純的合成無定形碳材料。
3.如權利要求1或2所述的碳材料，其中通過質子誘發的X射線發射測量，所述碳材料包含總雜質含量小於200ppm的原子數為11至92的元素。
4.如權利要求1或2所述的碳材料，其中從質子誘發的X射線發射數據計算的所述碳材料的含灰量小於0. 03%。
5.如權利要求1或2所述的碳材料，其中從質子誘發的X射線發射數據計算的所述碳材料的含灰量小於0.01%。
6.如權利要求1或2所述的碳材料，其中通過燃燒分析和質子誘發的X射線發射測量， 所述碳材料包含至少95%重量比的碳。
7.如權利要求1或2所述的碳材料，其中通過質子誘發的X射線發射測量，所述碳材料包含小於3ppm的鐵。
8.如權利要求1或2所述的碳材料，其中通過質子誘發的X射線發射測量，所述碳材料包含小於Ippm的鎳。
9.如權利要求1或2所述的碳材料，其中通過質子誘發的X射線發射測量，所述碳材料包含小於5ppm的硫。
10.如權利要求1或2所述的碳材料，其中通過質子誘發的X射線發射測量，所述碳材料包含小於Ippm的鉻。
11.如權利要求1或2所述的碳材料，其中通過質子誘發的X射線發射測量，所述碳材料包含小於Ippm的銅。
12.如權利要求1或2所述的碳材料，其中通過質子誘發的X射線發射測量，所述碳材料包含小於IOOppm的鈉、小於300ppm的矽、小於50ppm的硫、小於IOOppm的鈣、小於20ppm 的鐵、小於IOppm的鎳、小於140ppm的銅、小於5ppm的鉻以及小於5ppm的鋅。
13.如權利要求1或2所述的碳材料，其中通過質子誘發的X射線發射測量，所述碳材料包含小於50ppm的鈉、小於50ppm的矽、小於30ppm的硫、小於IOppm的鈣、小於2ppm的鐵、小於Ippm的鎳、小於Ippm的銅、小於Ippm的鉻以及小於Ippm的鋅。
14.如權利要求1或2所述的碳材料，其中通過燃燒分析測定，所述碳材料包含小於 3.0%的氧、小於0. 1 %的氮以及小於0. 5%的氫。
15.如權利要求1或2所述的碳材料，其中通過燃燒分析測定，所述碳材料包含小於 1. 0%的氧。
16.如權利要求1或2所述的碳材料，其中所述碳材料包含熱解的超純聚合物凍凝膠。
17.如權利要求1或2所述的碳材料，其中所述碳材料包含活化的超純聚合物凍凝膠。
18.如權利要求1或2所述的碳材料，其中所述碳材料包含至少1500m2/g的BET比表面積。
19.如權利要求1或2所述的碳材料，其中所述碳材料包含至少2000m2/g的BET比表面積。
20.如權利要求1或2所述的碳材料，其中所述碳材料包含至少2400m2/g的BET比表面積。
21.如權利要求1或2所述的碳材料，其中所述碳材料包含至少0.7cc/g的孔體積。
22.超純聚合物凝膠，通過質子誘發的X射線發射測量，所述超純聚合物凝膠包含碳、 氫、氧以及總雜質含量小於500ppm的原子數為11至92的元素。
23.如權利要求22所述的超純聚合物凝膠，其中通過質子誘發的X射線發射測量，所述超純聚合物凝膠包含總雜質含量小於200ppm的原子數為11至92的元素。
24.如權利要求22所述的超純聚合物凝膠，其中所述超純聚合物凝膠為乾燥的超純聚合物凝膠。
25.如權利要求24所述的乾燥的超純聚合物凝膠，其包含至少400m2/g的BET比表面積。
26.如權利要求22所述的超純聚合物凝膠，其中通過將一種或多種可混溶劑、一種或多種酚化合物、一種或多種醛和一種或多種催化進行混合來製備所述超純聚合物凝膠。
27.如權利要求26所述的超純聚合物凝膠，其中通過將水、乙酸、間苯二酚、甲醛和乙酸銨進行混合來製備所述超純聚合物凝膠。
28.裝置，其包含超純的合成碳材料，其中通過質子誘發的X射線發射測量，所述超純的合成碳材料包含總雜質含量小於500ppm的原子數為11至92的元素。
29.如權利要求28所述的裝置，其中所述碳材料為超純的合成無定形碳材料。
30.如權利要求28至29中任一權利要求所述的裝置，其中所述裝置為雙電層電容器 (EDLC)裝置，其包括a)正極和負極，其中每一所述正極和負極包含所述超純的合成碳材料；b)惰性多孔隔離器；以及c)電解質；其中所述正極和負極被所述惰性多孔隔離器隔離。
31.如權利要求28至30中任一權利要求所述的EDLC裝置，其中所述EDLC裝置包含至少15W/g的重量功率。
32.如權利要求28至31中任一權利要求所述的EDLC裝置，其中所述EDLC裝置包含至少10W/cc的體積功率。
33.如權利要求28至32中任一權利要求所述的EDLC裝置，其中所述EDLC裝置包含至少20. Offh/kg的重量能量。
34.如權利要求28至33中任一權利要求所述的EDLC裝置，其中所述EDLC裝置包含至少10. Offh/升的體積能量。
35.如權利要求28至34中任一權利要求所述的EDLC裝置，其中採用1.8M四氟硼酸四乙銨的乙腈電解質溶液和0. 5A/g電流密度，通過具有5秒時間常數的由2. 7V至0. IV的恆電流放電測量，所述EDLC裝置包含至少25F/g的重量電容。
36.如權利要求28至35中任一權利要求所述的EDLC裝置，其中採用1.8M四氟硼酸四乙銨的乙腈電解質溶液和0. 5A/g電流密度，通過具有5秒時間常數的由2. 7V至0. IV的恆電流放電測量，所述EDLC裝置包含至少20F/CC的體積電容。
37.如權利要求28至36中任一權利要求所述的EDLC裝置，其中通過質子誘發的X射線發射測量，所述超純的合成無定形碳材料包含總雜質含量小於200ppm的原子數為11至 92的元素。
38.如權利要求28至37中任一權利要求所述的EDLC裝置，其中從質子誘發的X射線發射數據計算的所述碳材料的含灰量小於0. 03%。
39.如權利要求28至38中任一權利要求所述的EDLC裝置，其中從質子誘發的X射線發射數據計算的所述碳材料的含灰量小於0.01 %。
40.如權利要求28至39中任一權利要求所述的EDLC裝置，其中通過燃燒分析和質子誘發的X射線發射測量，所述碳材料包含至少95%的碳。
41.如權利要求28至40中任一權利要求所述的EDLC裝置，其中通過質子誘發的X射線發射測量，所述碳材料包含小於3ppm的鐵。
42.如權利要求28至41中任一權利要求所述的EDLC裝置，其中通過質子誘發的X射線發射測量，所述碳材料包含小於Ippm的鎳。
43.如權利要求28至42中任一權利要求所述的EDLC裝置，其中通過質子誘發的X射線發射測量，所述碳材料包含小於5ppm的硫。
44.如權利要求28至43中任一權利要求所述的EDLC裝置，其中通過質子誘發的X射線發射測量，所述碳材料包含小於Ippm的鉻。
45.如權利要求28至44中任一權利要求所述的EDLC裝置，其中通過質子誘發的X射線發射測量，所述碳材料包含小於Ippm的銅。
46.如權利要求28至45中任一權利要求所述的EDLC裝置，其中通過質子誘發的X射線發射測量，所述碳材料包含小於IOOppm的鈉、小於300ppm的矽、小於IOOppm的鈣、小於 50ppm的硫、小於20ppm的鐵、小於IOppm的鎳、小於140ppm的銅、小於5ppm的鉻以及小於 5ppm的鋅。
47.如權利要求28至46中任一權利要求所述的EDLC裝置，其中所述碳材料包含活化的超純聚合物凍凝膠。
48.如權利要求28至47中任一權利要求所述的EDLC裝置，其中所述碳材料包含至少 1500m2/g的BET比表面積。
49.如權利要求28至48中任一權利要求所述的EDLC裝置，其中所述碳材料包含至少 2000m2/g的BET比表面積。
50.如權利要求28至49中任一權利要求所述的EDLC裝置，其中所述碳材料包含至少 2400m2/g的BET比表面積。
51.如權利要求28所述的裝置，其中所述裝置為電池。
52.如權利要求51所述的裝置，其中所述裝置為鋰/碳電池、鋅/碳電池、鋰空氣電池或鉛酸電池。
53.電極，其包含超純的合成碳材料和粘合劑，其中通過質子誘發的X射線發射測量， 所述超純的合成碳材料包含總雜質含量小於500ppm的原子數為11至92的元素。
54.如權利要求53所述的電極，其中所述碳材料為超純的合成無定形碳材料。
55.製備超純的合成碳材料的方法，所述方法包括在揮發性鹼性催化劑的存在下，使一種或多種聚合物前體在酸性條件下反應以獲得超純聚合物凝膠。
56.如權利要求55所述的方法，其中所述碳材料為超純的合成無定形碳材料。
57.如權利要求55至56中任一權利要求所述的方法，其包括使一種或多種聚合物前體在包含乙酸和水的溶劑中混合。
58.如權利要求55至57中任一權利要求所述的方法，其中所述揮發性鹼性催化劑包括碳酸銨、碳酸氫銨、乙酸銨、氫氧化銨或其組合。
59.如權利要求55至58中任一權利要求所述的方法，其中所述一種或多種聚合物前體包括間苯二酚和甲醛。
60.如權利要求55至59中任一權利要求所述的方法，其還包括(a)冷凍乾燥所述超純聚合物凝膠以獲得超純聚合物凍凝膠；(b)熱解所述超純聚合物凍凝膠以獲得熱解的超純凍凝膠；以及(c)活化所述熱解的超純凍凝膠以獲得超純的合成活化碳材料。
全文摘要
本發明一般涉及具有高表面積和高孔隙率的超純的合成碳材料、超純的聚合物凝膠以及包含所述超純的合成碳材料和超純的聚合物凝膠的裝置。公開的超純的合成碳材料在許多裝置中得到應用，例如在雙電層電容器裝置和電池中。還公開了製備超純的合成碳材料和超純的聚合物凝膠的方法。
文檔編號B29C70/42GK102481730SQ201080037992
公開日2012年5月30日 申請日期2010年7月1日 優先權日2009年7月1日
發明者亞倫·M·費沃爾, 亨利·R·克斯坦蒂諾, 威廉·D·斯科特 申請人:艾納G2技術公司