超纯合成碳材料的制作方法

专利名称：超纯合成碳材料的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及超纯合成碳材料、制备所述碳材料的方法以及包含所述碳材料的
直ο相关领域描述活化碳通常应用在电存储和分配装置中。活化碳的高表面积、导电率和孔隙率使得设计的电动装置与采用其它材料的装置相比具有更高的能量密度。双电层电容器(EDLC) 为这类装置的实例。EDLC通常具有由活化碳材料和合适的电解质制成的电极，并且与常用电容器相比具有极高的能量密度。EDLC的典型用途包括在需要用于数据传输或峰值功率运行的功率短脉冲的装置中的能量存储和分配，例如无线调制解调器、移动电话、数码相机和其它手提电子装置。EDLC还通常在诸如电动汽车、火车、公共汽车等的电动交通工具中使用。电池是另一种常用的能量存储和分配装置，其通常包含活化碳材料(例如，作为阳极材料、集电器或导电率增强器)。例如，设置有锂的具有碳阳极的锂/碳电池表现为有前景的能量存储装置。含碳的电池的其它类型包括将多孔碳用作空气电极的集电器的锂空气电池，以及通常在阳极或阴极中包含碳添加剂的铅酸电池。电池在许多需要低电流密度电功率(与EDLC的高电流密度相比)的电子装置中使用。一个已知的EDLC和碳基电池的局限性为在高温、高电压操作、重复充电/放电循环下和/或老化时的降低的性能。该降低的性能归因于电解质杂质或碳电极自身的杂质导致电极在电解质/电极界面处击穿。因此，建议与现有装置相比，能将包含由更高纯度的碳材料制成的电极的EDLC和/或电池在更高的电压下操作并能在更高温度下操作更长时间。尽管亟需确认具有高表面积和高孔隙率的更高纯度的碳材料，但这类碳材料不可商购，并且报道的制备方法不能产生高性能电动装置所需的高纯度碳。一种制备高表面积活化碳材料的常规方法为热解现有的含碳材料(例如，椰子纤维或轮胎橡胶)。这导致具有相对低表面积的碳，其随后能被过度活化以产生具有期望应用所必须的表面积和孔隙率的材料。这类方法固有地受限于前体材料的现有结构，并且通常导致低过程产率和含灰量(即金属杂质)等于或大于的碳材料。活化碳材料还能通过化学活化而制备。例如，使用酸、碱或盐(例如，磷酸、氢氧化钾、氢氧化钠、氯化锌等)以及随后进行加热来处理含碳材料而产生活化碳材料。然而，这类化学活化产生了具有高水平的残留过程杂质(例如金属)的活化碳材料。制备高表面积的活化碳材料的另一种方法为从含碳的有机基础材料(例如，超纯聚合物凝胶)制备合成的聚合物。对于现有的有机材料，将合成制备的聚合物热解并活化以产生活化碳材料。与上述常规方法相比，合成制备的聚合物的固有孔隙率导致更高的过程产率，因为在活化步骤中损失更少的材料。然而，对于从其它已知方法制备的碳材料，通过报道的方法从合成聚合物制备的活化碳材料包含不适当水平的杂质(例如金属)。尽管在本领域已经得到显著的发展，但在本领域还亟需高纯碳材料以及制备高纯碳材料的方法和包含高纯碳材料的装置。本发明实现了这些需求并提供其它相关优势。简述一般而言，本发明涉及超纯合成碳材料以及制备这类材料的方法和包含这类材料的装置。这类材料在电存储和分配装置的环境中得到应用，特别在EDLC和电池的电极中使用。现有的碳材料包含残留水平的多种杂质(例如，氯、硫、金属等)，其已知降低电极所浸入的电解质的击穿电压。因此，与包含本发明的超纯合成碳材料的装置相比，现有的电极必须在较低电压下操作并具有较短的寿命。碳电极中的杂质还促使EDLC或电池内的其它组分的降解。例如，在EDLC中隔离两个碳电极的多孔膜可被碳电极内的氯或其它杂质降解。 本文公开的超纯合成碳材料与任何已知的碳材料相比显著更纯，并因此改善了许多电存储和/或分配装置的操作。因此，在一个实施方案中，公开了超纯合成碳材料。如质子诱发的X射线发射所测量的，超纯合成碳材料包含总杂质含量小于500ppm的原子数为11至92的元素。在前述的另一实施方案中，碳材料为超纯合成无定形碳材料。在另一实施方案中，如质子诱发的X射线发射所测量的，超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料包含总杂质含量小于200ppm的原子数为11至92的元素。在其它实施方案中，如质子诱发X射线数据所计算的，超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料的含灰量小于0. 03%、例如小于0. 01%。在其它实施方案中，如燃烧分析和质子诱发的X射线发射所测量的，超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料包含至少95 %重量比的碳。在其它实施方案中，如质子诱发的X射线发射所测量的，超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料包含小于3ppm的铁、小于Ippm的镍、小于5ppm的硫、小于Ippm的铬或小于Ippm的铜。在其它实施方案中，如质子诱发的X射线发射所测量的，超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料包含小于IOOppm的钠、小于300ppm的硅、小于50ppm的硫、小于IOOppm 的钙、小于20ppm的铁、小于IOppm的镍、小于140ppm的铜、小于5ppm的铬以及小于5ppm的锌。例如，在一些实施方案中，如质子诱发的X射线发射所测量的，超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料包含小于50ppm的钠、小于50ppm的硅、小于30ppm的硫、小于IOppm的钙、小于2ppm的铁、小于Ippm的镍、小于Ippm的铜、小于Ippm的铬以及小于Ippm的锌。在其它实施方案中，由燃烧分析所测定的，超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料包含小于3.0%的氧、小于0. 的氮和小于0.5%的氢。例如，在其它具体实施方案中，由燃烧分析所测定的，超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料包含小于1. 0%的氧。在其它实施方案中，超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料包含热解的超纯聚合物冻凝胶(cryogel)。而在其它实施方案中，超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料包含活化的超纯聚合物冻凝胶。在一些其它实施方案中，超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料的BET比表面积为至少1500m2/g、至少2000m2/g或至少2400m2/g。在其它实施方案中，超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料的孔体积为至少 0. 7cc/g0在另一实施方案中，提供超纯聚合物凝胶。如质子诱发的X射线发射所测量的，超纯聚合物凝胶包含碳、氢、氧，和总杂质含量小于500ppm且通常小于200ppm的原子数为11 至92的元素。在一些实施方案中，超纯聚合物凝胶为干燥的超纯聚合物凝胶。在另一实施方案中，超纯聚合物凝胶的BET比表面积为至少400m2/g。在一些其它的实施方案中，通过将一种或多种可混溶剂、一种或多种酚化合物、一种或多种醛和一种或多种催化剂进行混合来制备超纯聚合物凝胶。例如，在一些实施方案中，通过将水、乙酸、间笨二酚、甲醛和乙酸铵进行混合来制备超纯聚合物凝胶。该公开的碳材料的高纯度能归因于公开的溶胶凝胶过程。申请人发现在挥发性碱性催化剂的存在下，当诸如酚化合物和醛的一种或多种聚合物前体在酸性条件下共聚时， 产生超纯聚合物凝胶。这与其它报道的导致超纯聚合物凝胶包含残留水平的金属和/或其它杂质以及残留水平的反应溶剂和/或萃取溶剂的制备超纯聚合物凝胶的方法相反。从这些不纯的超纯聚合物凝胶中通过例如高温分解和/或活化而制备的碳材料导致碳材料仍为不纯的。公开的超纯合成无定形碳材料可由超纯聚合物凝胶通过超纯聚合物凝胶的高温分解和/或活化而制成。超纯聚合物凝胶反过来可在挥发性碱性催化剂存在下通过将一种或多种聚合物前体在酸性条件下进行反应以获得超纯聚合物凝胶而制得。因此，在本公开的一个实施方案中提供了制备超纯合成碳材料的方法，所述方法包括在挥发性碱性催化剂的存在下，使一种或多种聚合物前体在酸性条件下反应以获得超纯聚合物凝胶。在其它实施方案中，碳材料为超纯合成无定形碳材料。在其它实施方案中，该方法还包括在包含乙酸和水的溶剂中混合一种或多种聚合物前体。在其它实施方案中，所述挥发碱性催化剂包括碳酸铵、碳酸氢铵、乙酸铵、氢氧化铵或其组合，在其它实施方案中，一种或多种聚合物前体包含间苯二酚和甲醛。在一些其它实施方案中，该方法还包括(a)冷冻干燥所述超纯聚合物凝胶以获得超纯聚合物冻凝胶；(b)热解所述超纯聚合物冻凝胶以获得热解的超纯冻凝胶；以及(c)活化热解的超纯冻凝胶以获得超纯合成活化碳材料。超纯合成无定形碳材料在许多电存储和分配装置中得到应用。超纯度、高孔隙率和高表面积的组合允许制备具有优于已知装置的性质的电存储和分配装置。包含超纯合成无定形碳材料的装置与从较低纯度的碳制备的对比装置相比，能在更高的温度下，在更高电压下操作更长时间。因此，在本公开的另一实施方案中提供了包含超纯合成碳材料的装置，其中如质子诱发的X射线发射所测量的，所述超纯合成碳材料包含总杂质含量小于500ppm、特别是 200ppm的原子数为11至92的元素。例如，在前述的一些其它实施方案中，碳材料为超纯合成无定形碳材料。在一些其它实施方案中，装置为双电层电容器(EDLC)装置，其包括a)正极和负极，其中每一所述正极和负极包含超纯合成碳材料；b)惰性多孔隔离器；以及c)电解质；其中由所述惰性多孔隔离器隔离所述正极和负极。在一些其它实施方案中，EDLC装置的重量功率为至少15W/g、体积功率为至少 10W/CC、重量能量为至少20. Offh/kg或体积能量为至少10. Offh/升。在一些其它实施方案中，采用1. 8M四氟硼酸四乙铵的乙腈电解质溶液和0. 5A/g 电流密度，通过具有5秒时间常数的由2. 7V至0. IV的恒电流放电所测量的，所述EDLC装置的重量电容为至少25F/CC或体积电容为至少20F/CC。在EDLC装置的一些其它实施方案中，如从质子诱发的X射线发射数据所计算的， 碳材料的含灰量为小于0. 03%，特别为小于0. 01%，并且在一些其它实施方案中，由燃烧分析和质子诱发的X射线发射所测量的，碳材料包含至少95%的碳。在EDLC装置的一些其它实施方案中，如质子诱发的X射线发射所测量的，碳材料包含小于3ppm的铁、小于Ippm的镍、小于5ppm的硫、小于Ippm的铬或小于Ippm的铜。在EDLC装置的其它实施方案中，如质子诱发的X射线发射所测量的，碳材料包含小于IOOppm的钠、小于300ppm的硅、小于IOOppm的钙、小于50ppm的硫、小于20ppm的铁、 小于IOppm的镍、小于140ppm的铜、小于5ppm的铬以及小于5ppm的锌。在EDLC装置的一些其它实施方案中，碳材料包含活化的超纯聚合物冻凝胶，并且在EDLC装置的一些其它实施方案中，碳材料的BET比表面积为至少1500m2/g、至少2000m2/ g 或至少 2400m2/g。在其它特定实施方案中，本公开涉及电池，例如锂/碳电池、锌/碳电池、锂空气电池或铅酸电池，所述电池包含本文所公开的超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料。在其它实施方案中，本公开涉及包含本文所公开的超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料的电极。这类电极可用于电存储和分配装置，例如EDLC和电池。附图简述在图中，相同的序号确定相似的元素。在图中元素的尺寸和相对位置不必按比例绘制，并且这些元素中的一些被任意放大并放置以改善图的可读性。此外，绘制的元素的特定形状并非旨在表达任何与特定元素真实形状有关的信息，并且对其单独地进行选择以易于在图中识别。

图1显示由100%乙酸溶剂制备的RF超纯聚合物冻凝胶的增加的孔体积对孔宽度。图2描述由90 10的乙酸水的溶剂制备的RF超纯聚合物冻凝胶的增加的孔体积对孔宽度。
图3描述由50 50的乙酸水的溶剂制备的RF超纯聚合物冻凝胶的增加的孔体积对孔宽度。图4表示由25 75的乙酸水的溶剂制备的RF超纯聚合物冻凝胶的增加的孔体积对孔宽度。图5表示由10 90的乙酸水的溶剂制备的RF超纯聚合物冻凝胶的增加的孔体积对孔宽度。图6为由RS = 0. 3且不同水平的乙酸和铵盐制备的RF超纯聚合物冻凝胶的比表面积对PH的图。图7A和7B分别为RF超纯聚合物冻凝胶和热解的RF超纯聚合物冻凝胶的增加的孔体积的图。图8A和8B分别为RF超纯聚合物冻凝胶和热解的RF超纯聚合物冻凝胶的增加的孔体积的图。图9A和9B分别为RF超纯聚合物冻凝胶和热解的RF超纯聚合物冻凝胶的增加的孔体积的图。图IOA和IOB分别为RF超纯聚合物冻凝胶和热解的RF超纯聚合物冻凝胶的增加的孔体积的图。图IlA和IlB分别为RF超纯聚合物冻凝胶和热解的RF超纯聚合物冻凝胶的增加的孔体积的图。图12描述了多种超纯合成活化碳材料的比表面积对活化重量损失。图13为超纯合成活化碳材料的增加的孔体积的图。发明详述在下述描述中，陈述了某些具体细节以提供多种实施方案的深入理解。然而，本领域技术人员应明白本发明可以在没有这些细节的情况下而实施。在其它实例中，未将公知结构示出或详细描述以避免不必要地使实施方案描述变得模糊。除非上下文另有需要，整个说明书和权利要求书遵循下述要求，措辞“包含”及其变体，例如“包含(comprises) ”和 “包含(comprising)”应被解释为开放式、包含的含义，S卩，解释为“包括，但不限于”。此外， 本文提供的标题仅为了便利，并不说明所要求保护的发明的范围和内涵。整个本说明书对“一个实施方案”或“实施方案”的参考是指实施方案中描述的特定特征、结构或特性包括在至少一个实施方案中。因此，在整个本说明书的多处中均出现的措辞“在一个实施方案中”或“在实施方案中”不必全部涉及相同的实施方案。此外，在一个或多个实施方案中，特定特征、结构或特性可以以任何合适的方式组合。同样，如在本说明书和随附的权利要求书中所用，单数形式“一个(a)”、“一个(an)”和“该(the) ”包括复数指示物，除非该内容明显另有所指。还应注意，术语“或”通常以其包含“和/或”的含义而使用，除非内容明显另有所指。^X如本文所用，并且除非上下文另有所指，以下术语具有下述所指的含义。“碳材料”是指基本由碳组成的材料或物质。碳材料包括无定形碳材料和结晶碳材料。碳材料的实例包括但不限于，活化碳、热解的干燥超纯聚合物凝胶、热解的超纯聚合物冻凝胶、热解的超纯聚合物干凝胶、热解的超纯聚合物气凝胶、活化的干燥超纯聚合物凝胶、活化的超纯聚合物冻凝胶、活化的超纯聚合物干凝胶、活化的超纯聚合物气凝胶等。“无定形”是指诸如无定形碳材料的材料，其的组成原子、分子或离子无规排列，且没有规则的重复型式。无定形材料可具有一些局部结晶性(即，规则性)，但缺少长程有序的原子位置。热解和/或活化碳材料通常为无定形的。“结晶”是指材料的组成原子、分子或离子以有序重复型式排列。结晶碳材料的实例包括但不限于钻石和石墨烯。“合成”是指通过化学方法而非从天然来源制备的物质。例如，合成的碳材料为从前体材料合成而不从天然来源分离的碳材料。“杂质”或“杂质元素”是指在材料内的外来物质(即，元素)，其不同于基材的化学组成。例如，在超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料中的杂质是指除碳之外的任何元素或元素的组合，其在超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料中存在。杂质水平通常以每百万份(PPm)的形式表达。"PIXE杂质”为碳原子数为11至92的杂质元素(即从钠到铀)。措辞“总PIXE杂质含量”和“总PIXE杂质水平”二者是指在样品中存在的所有PIXE杂质的总和，所述样品例如超纯聚合物凝胶、超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料。PIXE杂质浓度和同一性可由质子诱发的X射线发射(PIXE)而测定。“超纯”是指总PIXE杂质含量小于0. 050%的物质。例如，“超纯碳材料”、“超纯合成碳材料”或“超纯合成无定形碳材料”为总PIXE杂质含量小于0.050% (即，500ppm)的碳材料。“含灰量”是指在物质经过高分解温度之后残留的非挥发性无机物。对此，从通过质子诱发的X射线发射测量的总PIXE杂质含量计算碳材料的含灰量，假设非挥发性元素完全转化为期望的燃烧产物(即，氧化物)。“聚合物”是指由两种或多种结构重复单元组成的大分子。“合成聚合物前体材料”或“聚合物前体”是指在制备合成聚合物中使用的化合物。能在本文公开的制备中使用的聚合物前体的实例包括但不限于醛(即，HC( = 0)R, 其中R为有机基团)，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体包括但不限于酚化合物，例如苯酚和诸如二羟基苯或三羟基苯的多羟基苯，例如间苯二酚(即，1，3_ 二羟基苯)、邻苯二酚、对苯二酚和间苯三酚。两种或多种多羟基苯的混合物也包含在聚合物前体的含义内。“整体”是指本质上不为颗粒的固体、三维结构。“溶胶”是指前体颗粒(即，聚合物前体)的胶状悬浮液，并且术语“凝胶”是指由前体颗粒的缩合或反应获得的湿润的三维多孔网格。“聚合物凝胶”是指其中网格组分为聚合物的凝胶，通常，聚合物凝胶为由从合成前体或聚合物前体形成的聚合物组成的湿润(水性或非水性基)三维结构。“溶胶凝胶”是指聚合物凝胶的子类，其中聚合物为通过聚合物前体反应获得的形成湿润三维多孔网格的胶状悬浮液。“聚合物水凝胶”或“水凝胶”是指聚合物凝胶或凝胶的子类，其中用于合成前体或单体的溶剂为水或水和一种或多种水溶性溶剂的混合物。"RF聚合物水凝胶”是指聚合物凝胶的子类，其中在水或水和一种或多种水溶性溶剂的混合物中，由间苯二酚和甲醛的催化反应形成所述聚合物。“酸”是指能够降低溶液pH的任何物质。酸包括阿伦尼乌斯酸、布朗斯泰德酸和路易斯酸。“固体酸”是指当溶解于溶剂中时能产生酸性溶液的干燥或粒状化合物。术语“酸性”表示具有酸的性质。“碱”是指能够升高溶液pH的任何物质。碱包括阿伦尼乌斯碱、布朗斯泰德碱和路易斯碱。“固体碱”是指当溶解于溶剂中时能产生碱性溶液的干燥或粒状化合物。术语“碱性”表示具有碱的性质。“混合的溶剂体系”是指由两种或多种溶剂、例如两种或多种可混溶剂组成的溶剂体系。二元溶剂体系(即，包含两种溶剂)的实例包括但不限于水和乙酸；水和甲酸；水和丙酸；水和丁酸等。三元溶剂体系(即，包含三种溶剂)的实例包括但不限于水、乙酸和乙醇；水、乙酸和丙酮；水、乙酸和甲酸；水、乙酸和丙酸；等。本发明包含所有包含两种或多种溶剂的混合溶剂体系。“可混”是指混合物的性质，其中所述混合物在某些温度、压力和组分范围内形成单相。“催化剂”是改变化学反应速率的物质。催化剂以催化剂循环再生的循环方式参与反应。本公开包含不含钠的催化剂。在本文所述制备超纯聚合物凝胶中使用的催化剂能为促进聚合物前体聚合以形成超纯聚合物凝胶的任何化合物。“挥发性催化剂”为在大气压下或低于大气压下具有蒸发趋势的催化剂。示例性的挥发性催化剂包括但不限于铵盐，例如碳酸氢铵、碳酸铵、氢氧化铵及其组合。“溶剂”是指溶解或悬浮反应物(例如，超纯聚合物前体)并提供可发生反应的介质的物质。本文所公开的制备凝胶、超纯聚合物凝胶、超纯合成碳材料和超纯合成无定形碳材料中可用的溶剂的实例包括但不限于水、醇及其组合。示例性的醇包括乙醇、叔丁醇、甲醇及其混合物。这类溶剂可用于溶解合成超纯聚合物前体材料，例如溶解酚或醛化合物。此夕卜，在一些方法中，可采用这类溶剂以在聚合物水凝胶中进行溶剂交换(在冷冻和干燥之前)，其中将来自诸如间苯二酚和甲醛的前体的聚合的溶剂交换为纯的醇。在本申请的一个实施方案中，通过不包括溶剂交换的方法制备冻凝胶。“干燥凝胶”或“干燥超纯聚合物凝胶”分别是指从其中基本除去溶剂的凝胶或超纯聚合物凝胶，通常为水或水和一种或多种水溶性溶剂的混合物。“热解的干燥超纯聚合物凝胶”是指已热解但未活化的干燥超纯聚合物凝胶，而 “活化的干燥超纯聚合物凝胶”是指已经活化的干燥超纯聚合物凝胶。“冻凝胶”是指已经通过冷冻干燥而干燥的干燥凝胶。类似地，“超纯聚合物冻凝胶”为已通过冷冻干燥而干燥的干燥超纯聚合物凝胶。"RF冻凝胶”或“RF超纯聚合物冻凝胶”分别是指已通过冷冻干燥而干燥的干燥凝胶或干燥超纯聚合物凝胶，其中所述凝胶或超纯聚合物凝胶由间苯二酚和甲醛的催化反应而形成。“热解的冻凝胶”或“热解的超纯聚合物冻凝胶”分别为已热解但未活化的冻凝胶或超纯聚合物冻凝胶。
“活化的冻凝胶”或“活化的超纯聚合物冻凝胶”分别为已被活化以获得活化碳材料的冻凝胶或超纯聚合物冻凝胶。“干凝胶”是指例如在大气压下或低于大气压下，已通过空气干燥而干燥的干燥凝胶。类似地，“超纯聚合物干凝胶”为已通过空气干燥而干燥的干燥超纯聚合物凝胶。“热解的干凝胶”或“热解的超纯聚合物干凝胶”分别为已热解但未活化的干凝胶或超纯聚合物干凝胶。“活化的干凝胶”或“活化的超纯聚合物干凝胶”分别为已被活化以获得活化碳材料的干凝胶或超纯聚合物干凝胶。“气凝胶”是指例如使用超临界二氧化碳，已通过超临界干燥而干燥的干燥凝胶。 类似地，“超纯聚合物气凝胶”为已通过超临界干燥而干燥的干燥超纯聚合物凝胶。“热解的气凝胶”或“热解的超纯聚合物气凝胶”分别为已热解但未活化的气凝胶或超纯聚合物气凝胶。“活化的气凝胶”或“活化的超纯聚合物气凝胶”分别为已被活化以获得活化碳材料的气凝胶或超纯聚合物气凝胶。“有机萃取溶剂”是指在聚合物前体聚合开始之后，通常在聚合物水凝胶聚合完成之后向聚合物水凝胶添加的有机溶剂。“快速多向冷冻”是指通过从整体聚合物凝胶生成聚合物凝胶颗粒并使所述聚合物凝胶颗粒经过合适的冷介质而冷冻聚合物凝胶的方法。冷介质能为，例如，液氮、氮气或固体二氧化碳。在快速多向冷冻期间，冰的成核作用在冰晶体生长中占优。合适的冷介质能为，例如，具有低于约-10°c的气体、液体或固体。或者，合适的冷介质能为具有低于约-20°c的气体、液体或固体。或者，合适的冷介质能为具有低于约-30°c的气体、液体或固体。“活化(activate) ”和“活化作用(activation) ”各自是指在暴露于氧化环境(例如，二氧化碳、氧气或蒸气)时，在活化滞留温度(dwell temperature)下加热原材料或碳化/热解的物质以生成“活化”物质(例如，活化的冻凝胶或活化碳材料)的过程。活化过程通常导致颗粒表面的剥离，导致增加的表面积。或者，活化作用能通过化学方法实现，例如通过注入含碳的前体材料与化学物然后进行碳化，其中所述化学物例如诸如磷酸的酸或诸如氢氧化钾、氢氧化钠的碱或诸如氯化锌的盐。“活化的”是指已经过活化过程的材料或物质，例如，超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料。“碳化”(carbonizing)、“热解(pyrolyzing)，，、“碳化(carbonization)，，和“高温分解(pyrolysis)”各自是指在惰性环境(例如，氩气或氮气)或真空中，在高温分解滞留温度下，将含碳的物质加热以使在过程结束时收集的靶材料主要为碳的过程。“热解的”是指已经过高温分解过程的材料或物质，例如，超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料。“滞留温度”是指在一部分过程期间，保留以维持相对恒温(即，不升高也不降低温度)的炉温。例如，高温分解滞留温度是指在高温热解期间相对恒定的炉温，并且活化滞留温度是指在活化期间相对恒定的炉温。“孔隙”是指表面中的开口或凹陷，或者是指碳材料中的通道，碳材料例如活化碳、 热解的干燥超纯聚合物凝胶、热解的超纯聚合物冻凝胶、热解的超纯聚合物干凝胶、热解的超纯聚合物气凝胶、活化的干燥超纯聚合物凝胶、活化的超纯聚合物冻凝胶、活化的超纯聚合物干凝胶、活化的超纯聚合物气凝胶等。孔隙在贯穿结构的连续网络中能为单独的通道或与其它通道连接。“孔隙结构”是指在诸如活化碳材料的碳材料内的内在孔隙表面的布置。孔隙结构的构成包括孔径、孔体积、表面积、密度、孔径分布和孔隙长度。通常，活化碳材料的孔隙结构包括微孔隙和中孔隙。“中孔隙”通常是指直径为约2纳米至约50纳米的孔隙，而术语“微孔隙”是指直径小于约2纳米的孔隙。“表面积”是指通过BET技术测量的物质的总比表面积。表面积通常以m2/g的单位表达。BET(Brunauer/Emmett/Teller)技术采用诸如氮气的惰性气体以测量在材料上吸附的气体量，并通常在本领域中使用以测定材料的可及表面积。当在中孔隙和微孔隙中使用时“连接的”是指这类孔隙的空间定位。“有效长度”是指部分的孔隙长度，即为足以可用于从电解质接收盐离子的直径。“可调的”是指向上或向下调节碳材料中孔隙和微孔隙中之一或二者的孔径、孔体积、表面积、密度、孔径分布、孔隙长度或其组合的能力。例如，可调性可以是指调节孔径从而当将本文所述的超纯合成无定形碳材料用作电极材料时适当地容纳靶电解质离子。在一些实施方案中，能调节超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料的孔隙结构。例如，在超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料的制备中，能以许多方式完成调节孔隙结构，包括但不限于，改变生产超纯聚合物凝胶时的参数；改变冷冻干燥超纯聚合物凝胶时的参数；改变碳化超纯聚合物冻凝胶时的参数以及改变活化热解的超纯聚合物冻凝胶时的参数。“电极”是指电进入或离开目标、物质或区域所通过的导体。“粘合剂”是指能够将碳的单独颗粒保持在一起的材料，以便在将粘结剂和碳混合在一起之后，生成的混合物能成形为片状、球状、盘状或其它形状。粘合剂的非排他性实例包括氟化超纯聚合物，例如，PTFE(聚四氟乙烯，特氟纶)、PFA(全氟烷氧基超纯聚合物树月旨，还称为特氟纶)、FEP (氟化乙烯丙烯，还称为特氟纶)、ETFE(聚乙烯四氟乙烯，以Tefzel 和Fluon销售)、PVF (聚氟乙烯，以Tedlar销售)、ECTFE (聚乙烯氯三氟乙烯，以Halar销售)、PVDF (聚偏二氟乙烯，以Kynar销售)、PCTFE (聚氯三氟乙烯，以Kel-F和CTFE销售)、 三氟乙醇及其组合。“惰性”是指在电解质中不活跃的材料，S卩，其不吸附显著量的离子或在化学方面变化，例如降解。“导电的”是指材料通过传送松散保持的价电子而传导电子的能力。“电解质”是指包含游离离子以使物质导电的物质。电解质的实例包括但不限于与溶质结合的溶剂，所述溶剂例如碳酸丙烯酯、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、环丁砜、甲基环丁砜、乙腈或其混合物，所述溶质例如四烷基铵盐，诸如TEATFB (四氟硼酸四乙铵)、MTEATFB (四氟硼酸甲基三乙铵)、EMITFB (四氟硼酸1_乙基-3-甲基咪唑)、四乙铵、基于三乙铵的盐或其混合物。在一些实施方案中，电解质能为水基酸或水基碱电解质，例如弱水性硫酸或水性氢氧化钾。A.超纯聚合物凝胶和超纯合成碳材料在一个实施方案中，提供了超纯合成碳材料。在另一个实施方案中，提供了超纯合成无定形碳材料。如上所讨论，已知包含具有残留水平的各种杂质(例如，氯、硫、金属等)的碳材料的电极降低了电极所浸入的电解质的击穿电压。因此，与包含较高纯度的碳的装置相比，这些电极必须在较低的电压下操作并具有更短的寿命。还认为碳电极中的杂质促使EDLC或电池内的其它组分的降解。例如，在EDLC中隔离两个碳电极的多孔膜可被碳电极内的氯或其它杂质降解。本文公开的超纯合成碳材料和超纯合成无定形碳材料与任何已知的碳材料相比显著更纯，并因此预期改善许多电存储和/或分配装置的操作。该公开的碳材料的高纯度能归因于公开的溶胶凝胶过程。申请人发现在挥发碱性催化剂存在下，当一种或多种聚合物前体、例如酚化合物和醛在酸性条件下共聚时，产生超纯聚合物凝胶。这与其它报道的制备聚合物凝胶的方法相比，所述其它报道的方法导致聚合物凝胶包含残留水平的金属和/或其它杂质以及残留水平的反应溶剂和/或萃取溶剂。 从这些不纯的聚合物凝胶中通过例如高温分解和/或活化而制备的碳材料导致碳材料仍为不纯的。与制备碳材料的已知方法相比，公开的超纯聚合物凝胶允许制备超纯合成碳材料和超纯合成无定形碳材料。例如，能通过在惰性环境(例如氮气)中加热而热解超纯聚合物凝胶以产生公开的包含高表面积和高孔体积的碳材料。这些碳材料能在不使用化学活化技术-其引入杂质-的情况下进一步活化以获得公开的超纯活化碳材料。这类材料在许多电存储和分配应用中得到利用。由公开的方法制备的碳材料不仅为超纯的，它们还包含期望的物理性质，例如高孔隙率和高表面积。对于超纯度，公开的碳材料的高孔隙率和高表面积归因于本文公开的独特过程。公开的过程允许改变许多工艺参数以控制碳材料的物理性质。超纯度、高孔隙率和高表面积的组合允许制备具有优于已知装置的性质的电存储和分配装置。在下面更详细地讨论公开的超纯聚合物凝胶、超纯合成碳材料和超纯合成无定形碳材料的性质以及它们的制备方法。1.超纯聚合物凝胶超纯聚合物凝胶为在公开的超纯碳材料的制备中的中间体。对此，超纯聚合物凝胶的物理和化学性质对超纯碳材料的性质起到作用。因此，在一些实施方案中，超纯聚合物凝胶为干燥的超纯聚合物凝胶，例如，在一些实施方案中，干燥的超纯聚合物凝胶为超纯聚合物冻凝胶。在其它实施方案中，干燥的超纯聚合物凝胶为超纯聚合物干凝胶或超纯聚合物气凝胶。在一些实施方案中，超纯聚合物凝胶由酚化合物和醛类化合物而制备，例如，在一个实施方案中，超纯聚合物凝胶能由间苯二酚和甲醛制备。在另一实施方案中，在酸性条件下制备超纯聚合物凝胶。在一些实施方案中，能通过溶解固体酸性化合物、通过将酸用作反应溶剂或通过采用其中一种溶剂为酸的混合溶剂体系来提供酸性。在下面更详细地描述超纯聚合物凝胶的制备。公开的方法包括在碱性挥发性催化剂存在下聚合以形成聚合物凝胶。因此，在一些实施方案中，超纯聚合物凝胶包含一种或多种盐，例如，在一些实施方案中，一种或多种盐为碱性挥发性盐。碱性挥发性盐的实例包括但不限于碳酸铵、碳酸氢铵、乙酸铵、氢氧化铵及其组合。因此，在一些实施方案中，本公开提供了包含碳酸铵、碳酸氢铵、乙酸铵、氢氧化铵及其组合的超纯聚合物凝胶。在其它实施方案中，超纯聚合物凝胶包含碳酸铵。在其它实施方案中，超纯聚合物凝胶包含乙酸铵。在本文所述任一方面或变体的一个实施方案中，超纯聚合物凝胶基本不含叔丁醇。例如，在一个实施方案中，超纯聚合物凝胶包含小于IOOOppm的叔丁醇、小于IOOppm的叔丁醇、小于IOppm的叔丁醇或小于Ippm的叔丁醇。在本文所述任一方面或变体的另一实施方案中，超纯聚合物凝胶基本不含叔丙酮。例如，在一个实施方案中，超纯聚合物凝胶包含小于IOOOppm的丙酮、小于IOOppm的丙酮、小于IOppm的丙酮或小于Ippm的丙酮。超纯聚合物凝胶包含低水平的杂质。因此，在一些实施方案中，超纯聚合物凝胶包含碳、氢和氧，并且总PIXE杂质含量小于或等于lOOOppm。在另一实施方案中，超纯聚合物凝胶的总PIXE杂质含量为小于lOOOppm、小于800ppm、小于500ppm、小于300ppm、小于 200ppm、小于 lOOpprn、小于 50ppm、小于 25ppm、小于 lOppm、小于 5ppm 或小于 Ippm0超纯聚合物凝胶可还包含低含灰量，其可对由其制备的超纯碳材料的低含灰量起到作用。因此，在一些实施方案中，超纯聚合物凝胶的含灰量为0. 1 %至0. 001 %。在另一实施方案中，超纯聚合物凝胶的含灰量为小于0. 1%、小于0. 08%、小于0. 05%、小于0. 03%, 小于 0. 025%、小于 0. 01%、小于 0. 0075%、小于 0. 005%或小于 0. 001%。在其它实施方案中，超纯聚合物凝胶具有小于500ppm的总PIXE杂质含量和小于 0. 08%的含灰量。在其它实施方案中，超纯聚合物凝胶具有小于300ppm的总PIXE杂质含量和小于0. 05%的含灰量。在另一其它实施方案中，超纯聚合物凝胶具有小于200ppm的总 PIXE杂质含量和小于0. 02%的含灰量。在另一其它实施方案中，超纯聚合物凝胶具有小于 200ppm的总PIXE杂质含量和小于0. 01%的含灰量。如上所述，包含杂质的聚合物凝胶一般产生也包含杂质的碳材料。因此，本发明的一方面为具有低残留杂质的超纯聚合物凝胶。在超纯聚合物凝胶中存在的单独的PIXE 杂质量能由质子诱发的X射线发射而测定。在一些实施方案中，在超纯聚合物凝胶中存在的钠水平为小于lOOOppm、小于500ppm、小于lOOppm、小于50ppm、小于IOppm或小于lppm。 在一些实施方案中，在超纯聚合物凝胶中存在的镁水平为小于lOOOppm、小于lOOppm、小于 50ppm、小于IOppm或小于lppm。在一些实施方案中，在超纯聚合物凝胶中存在的铝水平为小于lOOOppm、小于lOOppm、小于50ppm、小于IOppm或小于lppm。在一些实施方案中，在超纯聚合物凝胶中存在的硅水平为小于500ppm、小于300ppm、小于lOOppm、小于50ppm、小于 20ppm、小于IOppm或小于lppm。在一些实施方案中，在超纯聚合物凝胶中存在的磷水平为小于lOOOppm、小于lOOppm、小于50ppm、小于IOppm或小于lppm。在一些实施方案中，在超纯聚合物凝胶中存在的硫水平为小于lOOOppm、小于lOOppm、小于50ppm、小于30ppm、小于lOppm、小于5ppm或小于lppm。在一些实施方案中，在超纯聚合物凝胶中存在的氯水平为小于lOOOppm、小于lOOppm、小于50ppm、小于IOppm或小于lppm。在一些实施方案中， 在超纯聚合物凝胶中存在的钾水平为小于lOOOppm、小于lOOppm、小于50ppm、小于IOppm 或小于lppm。在一些实施方案中，在超纯聚合物凝胶中存在的钙水平为小于lOOppm、小于 50ppm、小于20ppm、小于lOppm、小于5ppm或小于lppm。在一些实施方案中，在超纯聚合物凝胶中存在的铬水平为小于lOOOppm、小于lOOppm、小于50ppm、小于lOppm、小于5ppm、小于 4ppm、小于3ppm、小于2ppm或小于lppm。在一些实施方案中，在超纯聚合物凝胶中存在的铁水平为50ppm、小于20ppm、小于lOppm、小于5ppm、小于4ppm、小于3ppm、小于2ppm或小于lppm。在一些实施方案中，在超纯聚合物凝胶中存在的镍水平为小于20ppm、小于lOppm、 小于5ppm、小于4ppm、小于3ppm、小于2ppm或小于lppm。在一些实施方案中，在超纯聚合物凝胶中存在的铜水平为小于140ppm、小于lOOppm、小于40ppm、小于20ppm、小于lOppm、小于5ppm、小于4ppm、小于3ppm、小于2ppm或小于lppm。在其它实施方案中，在超纯聚合物凝胶中存在的锌水平为小于20ppm、小于lOppm、小于5ppm、小于2ppm或小于lppm。在其它实施方案中，在超纯聚合物凝胶中存在的除了钠、镁、铝、硅、磷、硫、氯、钾、钙、铬、铁、镍、铜和锌以外的所有PIXE杂质的总量为小于lOOOppm、小于500ppm、小于300ppm、小于200ppm、 小于lOOppm、小于50ppm、小于25ppm、小于IOppm或小于lppm。如上所述，在一些实施方案中，诸如氢、氧和/或氮的其它杂质可以以小于10%至小于0.01%的水平存在。在一些实施方案中，超纯聚合物凝胶包含邻近或低于质子诱发的X射线发射分析的检测限的PIXE杂质。例如，在一些实施方案中，超纯聚合物凝胶包含小于50ppm的钠、小于15ppm的镁、小于IOppm的铝、小于8ppm的硅、小于4ppm的磷、小于3ppm的硫、小于3ppm 的氯、小于2ppm的钾、小于3ppm的钙、小于2ppm的钪、小于Ippm的钛、小于Ippm的钒、小于0. 5ppm铬、小于0. 5ppm的锰、小于0. 5ppm的铁、小于0. 25ppm的钴、小于0. 25ppm的镍、 小于0. 25ppm的铜、小于0. 5ppm的锌、小于0. 5ppm的镓、小于0. 5ppm的锗、小于0. 5ppm的砷、小于0. 5ppm的硒、小于Ippm的溴、小于Ippm的铷、小于1. 5ppm的锶、小于2ppm的钇、 小于3ppm的锆、小于2ppm的铌、小于4ppm的钼、小于4ppm的锝、小于7ppm的铷、小于6ppm 的铑、小于6ppm的钯、小于9ppm的银、小于6ppm的镉、小于6ppm的铟、小于5ppm的锡、小于6ppm的锑、小于6ppm的硫、小于5ppm的碘、小于4ppm的铯、小于4ppm的钡、小于3ppm 的镧、小于3ppm的铈、小于2ppm的镨、小于2ppm的钕、小于1. 5ppm的钷、小于Ippm的钐、 小于Ippm的铕、小于Ippm的轧、小于Ippm的铖、小于Ippm的镝、小于Ippm的钬、小于Ippm 的铒、小于Ippm的铥、小于Ippm的镱、小于Ippm的镥、小于Ippm的铪、小于Ippm的钽、小于Ippm的钨、小于1. 5ppm的铼、小于Ippm的锇、小于Ippm的铱、小于Ippm的钼、小于Ippm 的银、小于Ippm的汞、小于Ippm的铊、小于Ippm的铅、小于1. 5ppm的铋、小于2ppm的钍或小于4ppm的铀。在一些特定实施方案中，超纯聚合物凝胶包含小于IOOppm的钠、小于300ppm的硅、小于50ppm的硫、小于IOOppm的钙、小于20ppm的铁、小于IOppm的镍、小于40ppm的铜、小于5ppm的铬以及小于5ppm的锌。在一些特定实施方案中，超纯聚合物凝胶包含小于50ppm的钠、小于IOOppm的硅、小于30ppm的硫、小于50ppm的钙、小于IOppm的铁、小于 5ppm的镍、小于20ppm的铜、小于2ppm的铬以及小于2ppm的锌。在其它特定实施方案中，超纯聚合物凝胶包含小于50ppm的钠、小于50ppm的硅、 小于30ppm的硫、小于IOppm的钙、小于2ppm的铁、小于Ippm的镍、小于Ippm的铜、小于 Ippm的铬以及小于Ippm的锌。在一些特定实施方案中，超纯聚合物凝胶包含小于IOOppm的钠、小于50ppm的镁、 小于50ppm的铝、小于IOppm的硫、小于IOppm的氯、小于IOppm的钾、小于Ippm的铬以及小于Ippm的猛。公开的方法产生包含高比表面积的超纯聚合物凝胶。为了不受理论限制，应认为超纯聚合物凝胶的表面积有助于、至少部分有助于期望的超纯合成无定形碳材料的表面积性质。能使用本领域技术人员公知的BET技术来测量表面积。在本文公开的任一方面的一个实施方案中，超纯聚合物凝胶的BET比表面积为至少150m2/g、至少250m2/g、至少400m2/ g、至少 500m2/g、至少 600m2/g 或至少 700m2/g。
在一个实施方案中，超纯聚合物凝胶的BET比表面积为至少100m2/g至1000m2/g。 或者，超纯聚合物凝胶的BET比表面积为150m2/g至700m2/g。或者，超纯聚合物凝胶的BET 比表面积为400m2/g至700m2/g。在一个实施方案中，超纯聚合物凝胶的振实密度为0. lOg/cc至0. 60g/cc。在一个实施方案中，超纯聚合物凝胶的振实密度为0. 15g/cc至0. 25g/cc。在本公开的一个实施方案中，超纯聚合物凝胶的BET比表面积为至少150m2/g，并且振实密度小于0. 60g/cc。或者， 超纯聚合物凝胶的BET比表面积为至少250m2/g，并且振实密度小于0. 4g/cc。在另一实施方案中，超纯聚合物凝胶的BET比表面积为至少500m2/g，并且振实密度小于0. 30g/cc。在本文公开的任一方面或变体的另一实施方案中，超纯聚合物凝胶包含的残留含水量为小于15%、小于13%、小于10%、小于5%或小于1%。在一个实施方案中，超纯聚合物凝胶的为IOOnm或低于IOOnm孔隙具有孔体积分数，其包括至少50%的总孔体积、至少75%的总孔体积、至少90%的总孔体积或至少99% 的总孔体积。在另一实施方案中，超纯聚合物凝胶的20nm或低于20nm的孔隙具有孔体积分数，其包括至少50%的总孔体积、至少75%的总孔体积、至少90%的总孔体积或至少99% 的总孔体积。在一个实施方案中，超纯聚合物凝胶的为IOOnm或低于IOOnm孔隙具有孔隙表面积分数，其包括至少50%的总孔隙表面积、至少75%的总孔隙表面积、至少90%的总孔隙表面积或至少99%的总孔隙表面积。在另一实施方案中，超纯聚合物凝胶的为20nm或低于 20nm孔隙具有孔隙表面积分数，其包括至少50%的总孔隙表面积、至少75%的总孔隙表面积、至少90%的总孔隙表面积或至少99%的总孔隙表面积。在催化条件下，能通过将一种或多种聚合物前体在适当的溶剂体系中聚合而制备超纯聚合物凝胶。因此，在一个实施方案中，通过将一种或多种可混溶剂、一种或多种酚化合物、一种或多种醛和一种或多种催化剂进行混合来制备超纯聚合物凝胶。例如，在其它实施方案中，通过将水、乙酸、间苯二酚、甲醛和乙酸铵进行混合来制备超纯聚合物凝胶。在下面更详细地讨论超纯聚合物凝胶的制备。2.超纯合成碳材料如上所述，本发明涉及为超纯(即，小于500ppm的总PIXE杂质)的合成碳材料。 在一些实施方案中，合成超纯碳材料为无定形的。尽管不希望由理论所限制，但应认为碳材料的纯度和性质为其制备方法的函数，并且制备参数的变化能产生具有不同性质的碳材料。因此，在一些实施方案中，超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料为热解的干燥超纯聚合物凝胶，例如，热解的超纯聚合物冻凝胶、热解的超纯聚合物干凝胶或热解的超纯聚合物气凝胶。在其它实施方案中，超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料为活化的(即，超纯合成活化碳材料)。例如，在其它实施方案中，超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料为活化的干燥超纯聚合物凝胶，活化的超纯聚合物冻凝胶、活化的超纯聚合物干凝胶或活化的超纯聚合物气凝胶。超纯合成碳材料和超纯合成无定形碳材料包含低的总PIXE杂质。因此，在一些实施方案中，超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料的总PIXE杂质含量(由质子诱发的X 射线发射所测量)为小于lOOOppm。在其它实施方案中，超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料的总PIXE杂质含量为小于800ppm、小于500ppm、小于300ppm、小于200ppm、小于150ppm、小于lOOppm、小于50ppm、小于25ppm、小于lOppm、小于5ppm或小于Ippm0在前述的其它实施方案中，超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料为热解的干燥超纯聚合物凝胶、热解的超纯聚合物冻凝胶、热解的超纯聚合物干凝胶、热解的超纯聚合物气凝胶、活化的干燥超纯聚合物凝胶、活化的超纯聚合物冻凝胶、活化的超纯聚合物干凝胶或活化的超纯聚合物气凝胶。除了低的PIXE杂质含量，公开的碳材料包含高的总碳含量。除了碳，超纯合成碳材料和超纯合成无定形碳材料还可包含氧、氢和氮。在一些实施方案中，以重量/重量为基础，超纯合成碳材料或超纯合成无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。在一些其它实施方案中，以重量/重量为基础，超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料包含小于10% 的氧、小于5%的氧、小于3.0%的氧、小于2. 5%的氧、小于1 %的氧或小于0. 5%的氧。在其它实施方案中，以重量/重量为基础，超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料包含小于10 %的氢、小于5 %的氢、小于2. 5 %的氢、小于1 %的氢、小于0. 5 %的氢或小于0. 1 %的氢。在其它实施方案中，以重量/重量为基础，超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料包含小于5%的氮、小于2. 5%的氮、小于的氮、小于0. 5%的氮、小于0. 25%的氮或小于 0.01%的氮。公开的碳材料的氧、氢和氮含量能由燃烧分析而测定。在本领域已知由燃烧分析来测定元素组成的技术。在某些实例中，碳材料的总含灰量对碳材料的电化学性能具有影响。因此，在一些实施方案中，超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料的含灰量为0. 至0. 001%, 例如，在某些特定实施方案中，超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料的含灰量为小于 0. 1%、小于0.08%、小于0. 05%、小于0· 03%、小于0· 025%、小于 0. 01%、小于0· 0075%, 小于0. 005%或小于0. 001%。在其它实施方案中，超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料的总PIXE杂质含量小于500ppm，并且含灰量小于0. 08%。在其它实施方案中，超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料的总PIXE杂质含量小于300ppm，并且含灰量小于0. 05%。在其它实施方案中，超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料的总PIXE杂质含量小于200ppm并且含灰量小于0. 05%。在其它实施方案中，超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料的总PIXE杂质含量小于200ppm，并且含灰量小于0. 025 %。在其它实施方案中，超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料的总PIXE杂质含量小于lOOppm，并且含灰量小于0. 02%。在其它实施方案中，超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料的总PIXE杂质含量小于50ppm，并且含灰量小于0.01%。在公开的碳材料中存在的单独的PIXE杂质量能由质子诱发的X射线发射测定。 单独的PIXE杂质可以以不同方式对公开的碳材料的总体电化学性起作用。因此，在一些实施方案中，在超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料中存在的钠水平小于lOOOppm、小于500ppm、小于lOOppm、小于50ppm、小于IOppm或小于lppm。在一些实施方案中，在超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料中存在的镁水平为小于lOOOppm、小于lOOppm、小于 50ppm、小于IOppm或小于lppm。在一些实施方案中，在超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料中存在的铝水平为小于lOOOppm、小于lOOppm、小于50ppm、小于IOppm或小于lppm。 在一些实施方案中，在超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料中存在的硅水平为小于500ppm、小于300ppm、小于lOOppm、小于50ppm、小于20ppm、小于IOppm或小于Ippm0在一些实施方案中，在超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料中存在的磷水平为小于lOOOppm、 小于lOOppm、小于50ppm、小于IOppm或小于lppm。在一些实施方案中，在超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料中存在的硫水平为小于lOOOppm、小于lOOppm、小于50ppm、小于 30ppm、小于lOppm、小于5ppm或小于lppm。在一些实施方案中，在超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料中存在的氯水平为小于lOOOppm、小于lOOppm、小于50ppm、小于IOppm或小于lppm。在一些实施方案中，在超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料中存在的钾水平为小于lOOOppm、小于lOOppm、小于50ppm、小于IOppm或小于lppm。在其它实施方案中，在超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料中存在的钙水平为小于lOOppm、小于50ppm、小于20ppm、小于lOppm、小于5ppm或小于lppm。在一些实施方案中，在超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料中存在的铬水平为小于lOOOppm、小于lOOppm、小于50ppm、小于lOppm、 小于5ppm、小于4ppm、小于3ppm、小于2ppm或小于lppm。在其它实施方案中，在超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料中存在的铁水平为小于50ppm、小于20ppm、小于lOppm、小于5ppm、小于4ppm、小于3ppm、小于2ppm或小于lppm。在其它实施方案中，在超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料中存在的镍水平为小于20ppm、小于lOppm、小于5ppm、小于 4ppm、小于3ppm、小于2ppm或小于lppm。在一些其它实施方案中，在超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料中存在的铜水平为小于140ppm、小于lOOppm、小于40ppm、小于20ppm、小于lOppm、小于5ppm、小于4ppm、小于3ppm、小于2ppm或小于lppm。在其它实施方案中，在超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料中存在的锌水平为小于20ppm、小于lOppm、小于 5ppm、小于2ppm或小于lppm。在其它实施方案中，在超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料中存在的除了钠、镁、铝、硅、磷、硫、氯、钾、钙、铬、铁、镍、铜和锌以外的所有PIXE杂质的总量为小于lOOOppm、小于500ppm、小于300ppm、小于200ppm、小于lOOppm、小于50ppm、 小于25ppm、小于IOppm或小于lppm。如上所述，在一些实施方案中，诸如氢、氧和/或氮的其它杂质可以以小于10%至小于0. 01 %的水平存在。 在一些实施方案中，超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料包含邻近或低于质子诱发的X射线发射分析的检测限的PIXE杂质。例如，在一些实施方案中，超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料包含小于50ppm的钠、小于15ppm的镁、小于IOppm的铝、小于 8ppm的硅、小于4ppm的磷、小于3ppm的硫、小于3ppm的氯、小于2ppm的钾、小于3ppm的钙、小于2ppm的钪、小于Ippm的钛、小于Ippm的钒、小于0. 5ppm铬、小于0. 5ppm的锰、小于0. 5ppm的铁、小于0. 25ppm的钴、小于0. 25ppm的镍、小于0. 25ppm的铜、小于0. 5ppm的锌、小于0. 5ppm的镓、小于0. 5ppm的锗、小于0. 5ppm的砷、小于0. 5ppm的硒、小于Ippm的溴、小于Ippm的铷、小于1. 5ppm的锶、小于2ppm的钇、小于3ppm的锆、小于2ppm的铌、小于4ppm的钼、小于4ppm的锝、小于7ppm的铷、小于6ppm的铑、小于6ppm的钯、小于9ppm 的银、小于6ppm的镉、小于6ppm的铟、小于5ppm的锡、小于6ppm的锑、小于6ppm的碲、小于5ppm的碘、小于4ppm的铯、小于4ppm的钡、小于3ppm的镧、小于3ppm的铈、小于2ppm 的镨、小于2ppm的钕、小于1. 5ppm的钷、小于Ippm的钐、小于Ippm的铕、小于Ippm的钆、 小于Ippm的铖、小于Ippm的镝、小于Ippm的钬、小于Ippm的铒、小于Ippm的钱、小于Ippm 的镱、小于Ippm的镥、小于Ippm的铪、小于Ippm的钽、小于Ippm的钨、小于1. 5ppm的铼、 小于Ippm的锇、小于Ippm的铱、小于Ippm的钼、小于Ippm的银、小于Ippm的萊、小于Ippm的铊、小于Ippm的铅、小于1. 5ppm的铋、小于2ppm的钍或小于4ppm的铀。在一些特定实施方案中，由质子诱发的X射线发射所测量的，超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料包含小于IOOppm的钠、小于300ppm的硅、小于50ppm的硫、小于 IOOppm的钙、小于20ppm的铁、小于IOppm的镍、小于140ppm的铜、小于5ppm的铬以及小于5ppm的锌。在一些特定实施方案中，超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料包含小于50ppm的钠、小于30ppm的硫、小于IOOppm的硅、小于50ppm的钙、小于IOppm的铁、小于 5ppm的镍、小于20ppm的铜、小于2ppm的铬以及小于2ppm的锌。在其它特定实施方案中，超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料包含小于 50ppm的钠、小于50ppm的硅、小于30ppm的硫、小于IOppm的钙、小于2ppm的铁、小于Ippm 的镍、小于Ippm的铜、小于Ippm的铬以及小于Ippm的锌。在一些其它特定实施方案中，超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料包含小于 IOOppm的钠、小于50ppm的镁、小于50ppm的铝、小于IOppm的硫、小于IOppm的氯、小于 IOppm的钾、小于Ippm的铬以及小于Ippm的锰。公开的碳材料包含高的表面积。尽管不希望由理论所限制，但应认为这类高表面积可以对从包含超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料的装置中获得的高的能量密度起作用。因此，在一些实施方案中，超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料包含的BET比表面积为至少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，在前述一些实施方案中，超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料为活化的。在另一实施方案中，超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料的振实密度为 0. 2g/cc 至 0. 6g/cc、0. 3g/cc 至 0. 5g/cc 或 0. 4g/cc 至 0. 5g/cc。在另一实施方案中，超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料的总孔体积为至少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。公开的碳材料的孔径分布为一个可对合成无定形碳材料的电化学性能产生影响的参数。例如，大小可以包含容纳特定电解质离子的孔隙的碳材料可以在EDLC装置中特别有用。此外，包含具有短有效长度(即，如由TEM所测量，为小于lOnm、小于5nm或小于3nm) 的中孔隙的碳材料可用于增强离子传送并使功率最大化。因此，在一个实施方案中，超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料包含为IOOnm或低于IOOnm的孔隙的孔体积分数，其包括至少50 %的总孔体积、至少75 %的总孔体积、至少90 %的总孔体积或至少99 %的总孔体积。在其它实施方案中，超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料包含为20nm或低于20nm 的孔隙的孔体积分数，其包括至少50%的总孔体积、至少75%的总孔体积、至少90%的总孔体积或至少99 %的总孔体积。在另一实施方案中，超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料包含为IOOnm或低于IOOnm的孔隙的孔隙表面积分数，其包括至少50%的总孔隙表面积、至少75%的总孔隙表面积、至少90%的总孔隙表面积或至少99%的总孔隙表面积。在另一实施方案中，超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料包含为20nm或低于20nm的孔隙的孔隙表面积分数， 其包括至少50%的总孔隙表面积、至少75%的总孔隙表面积、至少90%的总孔隙表面积或至少99%的总孔隙表面积。
在本公开的另一实施方案中，超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料由本文公开的方法制备，例如，在一些实施方案中，超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料通过包括如本所公开的热解干燥的超纯聚合物凝胶的方法制备。在一些实施方案中，将热解的超纯聚合物凝胶进一步活化以获得超纯合成活化碳材料或超纯合成无定形碳材料。下面更详细地描述制备公开的碳材料的方法。B.超纯合成无定形碳材料的制备在一个实施方案中，提供了制备新型超纯聚合物凝胶的方法。在另一实施方案中， 提供了制备超纯合成碳材料的方法，例如，在一些实施方案中，超纯合成碳材料为超纯合成无定形碳材料。这类超纯聚合物凝胶和超纯合成碳材料不能通过以前报道的方法获得。在一些其它实施方案中，提供了制备诸如超纯合成无定形活化碳材料的超纯合成活化碳材料的方法。下面描述公开方法的多种实施方案的可变工艺参数的细节。1.超纯聚合物凝胶的制备超纯聚合物凝胶可由溶胶凝胶过程制备。例如，超纯聚合物凝胶可通过在适当溶剂中共聚一种或多种聚合物前体制备。在一个实施方案中，在酸性条件下共聚一种或多种聚合物前体。在一些实施方案中，第一聚合物前体为酚化合物并且第二聚合物前体为醛化合物。在本方法的一个实施方案中，酚化合物为间苯二酚、邻苯二酚、对苯二酚、间苯三酚、 苯酚或其组合；并且醛化合物为甲醛、乙醛、丙醛、丁醛、苯甲醛、肉桂醛或其组合。在其它实施方案中，酚化合物为间苯二酚、苯酚或其组合物，醛化合物为甲醛。在其它实施方案中，酚化合物为间苯二酚，并且醛化合物为甲醛。溶胶凝胶聚合过程通常在催化剂条件下进行。因此，在一些实施方案中，制备超纯聚合物凝胶包括在催化剂存在下共聚一种或多种聚合物前体。在一些实施方案中，催化剂包含碱性挥发性催化剂。例如，在一些实施方案中，碱性挥发性催化剂包含碳酸铵、碳酸氢铵、乙酸铵、氢氧化铵或其组合。在其它实施方案中，碱性挥发性催化剂为碳酸铵。在另一其它实施方案中，碱性挥发性催化剂为乙酸铵。催化剂与酚化合物的摩尔比可对超纯聚合物凝胶的最终性质以及由此制备的诸如超纯合成无定形碳材料的超纯合成碳材料的最终性质产生影响。因此，在一些实施方案中，这类催化剂以为10 1至2000 1的酚化合物催化剂的摩尔比使用。在一些实施方案中，这类催化剂以为20 1至200 1的酚化合物催化剂的摩尔比使用。例如，在其它实施方案中，这类催化剂以为25 1至100 1的酚化合物催化剂的摩尔比使用。反应溶剂为另一个工艺参数，可以使其变化以获得超纯聚合物凝胶和合成无定形碳材料的期望性质。在一些实施方案中，用于制备超纯聚合物凝胶的溶剂为水和可混共溶剂的混合溶剂体系。例如，在某些实施方案中，溶剂包括水溶性酸。水溶性酸的实例包括但不限于丙酸、乙酸和甲酸。在其它实施方案中，溶剂包括的水溶性酸与水的比为99 1、 90 10,75 25,50 50,25 75,10 90或1 90。在其它实施方案中，通过向反应溶剂添加固体酸来提供酸性。在前述一些其它实施方案中，用于制备超纯聚合物凝胶的溶剂为酸性的。例如，在某些实施方案中，溶剂包括乙酸。例如，在某些实施方案中，溶剂为100%的乙酸。在其它实施方案中，提供了混合溶剂体系，其中溶剂中的一种为酸性的。例如，在本方法的一个实施方案中，溶剂为包含乙酸和水的二元溶剂。在其它实施方案中，溶剂包含的乙酸与水的比为99 1,90 10,75 25,50 50,25 75,10 90 或 1 90。在其它实施方案中，通过
向反应溶剂添加固体酸来提供酸性。公开的方法的一些实施方案不包括在冻干之前的溶剂交换步骤(例如，将丁醇交换成水)。例如，在本文描述的任一方法的一个实施方案中，在冷冻之前，用水冲洗超纯聚合物凝胶或超纯聚合物凝胶颗粒。在一个实施方案中，在冷冻之前，所述超纯聚合物凝胶颗粒的平均直径为小于25mm，例如，为0. OOlmm至25mm ；或者，在冷冻之前，所述超纯聚合物凝胶颗粒的平均直径为0. Olmm至15mm，例如，为1. Omm至15mm。在一些实例中，超纯聚合物凝胶颗粒为Imm至10mm。在其它实施方案中，超纯聚合物凝胶颗粒通过浸入低于约-10°C、例如低于_20°C或者低于约_30°C的介质中冷冻。例如，介质可为液氮或在干冰中的乙醇(或其它有机溶剂)或由其它方法冷却的乙醇。在一些实施方案中，真空干燥包括使冷冻的颗粒经过低于约1400毫托的真空压力。还设想了快速冷冻超纯聚合物凝胶颗粒的其它方法。在另一实施方案中，通过将超纯聚合物凝胶颗粒与诸如干冰(固体二氧化碳)的适当冷固体共混或物理混合来快速冷冻超纯聚合物凝胶。另一种方法是在_60°C下使用气流冷冻器与金属板以从在其表面上散布的超纯聚合物凝胶颗粒快速除去热量。快速冷却超纯聚合物凝胶颗粒中的水的第三种方法是通过非常快速地抽高真空来骤冷(snap freeze)颗粒(真空度使得对应于平衡气压的温度允许冷冻)。快速冷冻的另一方法包括将超纯聚合物凝胶与适当的冷气体混合。在一些实施方案中，冷气体的温度可小于约-io°c。在一些实施方案中，冷气体的温度可低于约-20°C。在一些实施方案中，冷气体的温度可低于约-30°C。在其它实施方案中，气体的温度可为约-196°C。例如，在一些实施方案中，气体为氮气。在其它实施方案中，在-20°C或更低的温度下，在冷干机搁板上冷冻超纯聚合物凝胶颗粒。例如，在一些实施方案中，在_30°C或更低的温度下，在冷干机搁板上冷冻超纯聚合物凝胶颗粒。在一些其它实施方案中，使超纯聚合物凝胶整体经过冷冻解冻循环(从室温至-20°C或更低的温度，并且返回至室温)、冷冻解冻凝胶的物理破坏从而产生颗粒，然后进一步经过冻干过程。例如，在一些其它实施方案中，使超纯聚合物凝胶整体经过冷冻解冻循环(从室温至_30°C或更低的温度，并且返回至室温)、冷冻解冻凝胶的物理破坏从而产生颗粒，然后进一步经过冻干过程。在本文所述方法的一些实施方案中，酚前体与催化剂的摩尔比为约10 1至约 2000 1或酚前体与催化剂的摩尔比为约20 1至约200 1。在其它实施方案中，酚前体与催化剂的摩尔比为约25 1至约100 1。在其它实施方案中，酚前体与催化剂的摩尔比为约25 1至约50 1。在其它实施方案中，酚前体与催化剂的摩尔比为约100 1 至约50 1。在聚合物前体中的一种为间苯二酚并且另一种聚合物前体为甲醛的特定实施方案中，能改变间苯二酚与催化剂的比以获得生成的超纯聚合物凝胶和合成无定形碳材料的期望性质。在本文所述方法的一些实施方案中，间苯二酚与催化剂的摩尔比为约10 1至约2000 1或间苯二酚与催化剂的摩尔比为约20 1至约200 1。在其它实施方案中， 间苯二酚与催化剂的摩尔比为约25 1至约100 1。在其它实施方案中，间苯二酚与催化剂的摩尔比为约25 1至约50 1。在其它实施方案中，间苯二酚与催化剂的摩尔比为约 100 1 至约 50 1。
能通过本领域所述的各种方法来完成形成超纯聚合物凝胶的聚合。例如，能在适当的催化剂的存在下，通过将适当的聚合物前体材料孵育一段时间来完成聚合。聚合时间根据温度能为几分钟或几小时至几天(温度越高，反应速率越快，并且相应地，所需时间越短)。聚合温度能为室温至接近(但低于)初始溶液沸点的温度。例如，温度能为约20°C 至约90°C。在一种聚合物前体为间苯二酚并且一种聚合物前体为甲醛的特定实施方案中， 温度为约200C至约100°C，通常为约25°C至约90°C。在一些实施方案中，能在约90°C下，在催化剂的存在下，通过将适当的合成聚合物前体材料孵育至少24小时来完成聚合。通常， 在约90°C下，在约6小时至约24小时能完成聚合，例如在约90°C下，在约18小时至约24 小时能完成聚合。本文公开的聚合物前体材料包括(a)醇、酚化合物及其它单羟基化合物或多羟基化合物以及(b)醛、酮及其组合。在本文中典型的醇包括直链和支链、饱和和不饱和醇。适当的酚化合物包括多羟基苯，例如二羟基或三羟基苯。典型的多羟基苯包括间苯二酚(即， 1，3-二羟基苯)、邻苯二酚、对苯二酚以及间苯三酚。还能使用两种或多种多羟基苯的混合物。还能使用苯酚(单羟基苯)。典型的多羟基化合物包括诸如葡萄糖的糖以及诸如甘露醇的多元醇。本文中的醛包括直链饱和醛，例如甲醛(methanal)(甲醛(formaldehyde))、 ZjM (ethanal) ( ZjM (acetaldehyde))(propanal) ( ^fg (propionaldehyde)) >T 醛(butanal) (丁醛(butyraldehyde))等；直链不饱和醛，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；支链饱和和不饱和醛；以及芳香型醛，例如苯甲醛、水杨醛、氢化肉桂醛等。合适的酮包括直链饱和酮，例如丙酮和2 丁酮等；直链不饱和酮，例如丙酮，2-丁酮和3-丁酮(甲基乙烯酮)等；支链饱和和不饱和酮；以及芳香型酮，例如甲基苄基酮(苯基丙酮)、乙基苄基酮等。超纯聚合物前体材料还能为上述前体的组合。在一些实施方案中，一种聚合物前体为含醇的物质并且另一种聚合物前体为含羰基的物质。基本能改变与含羰基的物质(例如，醛、酮或其组合)反应的含醇的物质(例如， 醇、酚化合物以及单羟基化合物或多羟基化合物或其组合)的相对量。在一些实施方案中， 选择含醇的物质与含醛物质的比，以便含醇的物质中的反应性醇基团的总摩尔与醛物质中的反应性羰基的总摩尔基本相同。类似地，可以选择含醇的物质与含酮物质的比，以便含醇的物质中的反应性醇基团的总摩尔与酮物质中的反应性羰基的总摩尔基本相同。当含羰基的物质包含醛物质和酮物质的组合时，使相同的大体1 1的摩尔比保持准确。能改变在超纯聚合物凝胶形成之前的水溶液中的总固体含量。间苯二酚与水的重量比为约0. 05比1至约0. 70比1。或者，间苯二酚与水的比为约0. 15比1至约0. 6比1。 或者，间苯二酚与水的比为约0. 15比1至约0. 35比1。或者，间苯二酚与水的比为约0. 25 比1至约0. 5比1。或者，间苯二酚与水的比为约0. 3比1至约0. 4比1。在本文公开的制备超纯聚合物凝胶中可使用的溶剂的实例包括但不限于水或诸如乙醇、叔丁醇、甲醇的醇或者这些任选地进一步与水的混合物。这类溶剂可用于溶解聚合物前体材料，例如溶解酚化合物。此外，在一些方法中，可采用这类溶剂以在超纯聚合物凝胶中进行溶剂交换(在冷冻和干燥之前)，其中将得自诸如间苯二酚和甲醛的前体的超纯聚合的溶剂交换为纯的醇。在本申请的一个实施方案中，通过不包括溶剂交换的方法制备超纯聚合物凝胶。
在制备超纯聚合物凝胶中的合适的催化剂包括促进将前体材料聚合为整体超纯聚合物的挥发性碱性催化剂。催化剂还包括上述催化剂的多种组合。在包含酚化合物的实施方案中，这类催化剂能以为20 1至200 1的酚化合物催化剂的摩尔比使用。例如， 在一些特定实施方案中，这类催化剂能以为25 1至100 1的酚化合物催化剂的摩尔比使用。2.超纯聚合物凝胶颗粒的产牛能按照本领域已知的多种技术，将整体超纯聚合物凝胶物理破坏以产生更小的颗粒。生成的超纯聚合物凝胶颗粒通常的平均直径为小于约30mm，例如为约Imm至约25mm， 或为约Imm至约5mm或为约0. 5mm至约10mm。或者，超纯聚合物凝胶颗粒的尺寸能为低于约1mm，例如为约10微米至1000微米。从整体材料产生超纯聚合物凝胶颗粒的技术包括手动或机械破坏方法，例如，筛选、碾磨、研磨或其组合。这类方法对本领域技术人员是公知的。在本文中能采用多种类型的研磨，例如轧制机、珠磨机和球磨机及旋转压碎机，以及本领域已知的类似颗粒产生设备。在特定实施方案中，采用轧制机。轧制机具有三个台面以逐渐降低凝胶颗粒的尺寸。对于“湿”材料，超纯聚合物凝胶通常非常易碎，并且摸上去不潮湿。因此，它们易于使用该方法研磨，然而，适当地设定各个台面的宽度以达到靶标的最终目数。对凝胶配方和目径的各个组合进行该调整并使该调整有效。使各个凝胶经过已知目径的筛网研磨。筛选的颗粒能临时储存在密封容器中。在一个实施方案中，采用旋转破碎机。旋转压碎机的筛子目径为约l/8th英寸。在另一实施方案中，旋转压碎机的筛子目径为约3/8th英寸。在另一实施方案中，旋转压碎机的筛子目径为约5/8th英寸。在另一实施方案中，旋转压碎机的筛子目径为约3/8th英寸。在室温下，按照本领域技术人员的公知方法能完成研磨。或者，例如通过将超纯聚合物凝胶与固体二氧化碳(干冰)颗粒共研磨来低温完成研磨。在该实施方案中，在单一步骤中完成两步，即(a)从整体超纯聚合物凝胶产生颗粒以及(b)快速多向冷冻超纯聚合物凝胶。3.超纯聚合物凝胶的快速冷冻在从整体超纯聚合物凝胶形成超纯聚合物凝胶颗粒之后，如上详细描述的，快速并以多向方式完成超纯聚合物凝胶颗粒的冷冻。如在本文实例中所证实的，诸如通过在冻干机中的搁板冷冻的缓慢且单向方式的冷冻，导致了干燥的材料具有非常低的表面积。类似地，骤冷(即，通过由抽深度真空而快速冷却超纯聚合物凝胶颗粒来完成的冷冻)还导致干燥的材料具有低的表面积。如本文所公开，能通过使材料温度快速降低为至少约-10°C 或更低，例如-20°c或更低，或者例如至少约-30°c或更低，来完成多向方式的快速冷冻。由于冰晶体的广泛成核，所以超纯聚合物凝胶颗粒的快速冷冻在颗粒内产生了精细冰晶体结构，但几乎没有留下冰晶体生长时间。这提供了冰晶体和烃模块间的高比表面积，必须从冰模块中排除这种高比表面。在晶体生长期间促进成核的极快速冷冻的概念能应用于混合的溶剂体系。在一个实施方案中，当混合的溶剂体系快速冷却时，主要的溶剂组分将在其平衡熔融温度下经历结晶，同时共溶剂的浓度增加并伴随着进一步的冰点降低。当温度进一步降低时，主要溶剂的结晶和共溶剂的浓度增加，直至达到共晶组合物，在该点，共晶组合物经历了从液态至固态的转变，而没有进一步的组分浓缩和产物冷却，直至实现完全冷冻。在水和乙酸(其作为纯物质分别具有0°C和17°C的冰点)的特定情况下，共晶组合物由约59%的乙酸和41%的水组成，并且在约_27°C下冷冻。因此，在一个实施方案中，混合的溶剂体系为共晶组合物， 例如，在一个实施方案中，混合的溶剂体系包含59%的乙酸和41%的水。4.超纯聚合物凝胶的干燥在一个实施方案中，在设定为避免材料破裂并保持在干燥产物中的精细表面结构和孔隙率的条件下，将包含精细冰模块的冷冻的超纯聚合物凝胶颗粒冻干。本文提供了冻干条件的详述。通常，在将产物温度保持低于将以其它方式导致产物孔隙破裂的温度，由此能使干燥的材料保留极高的表面积的条件下完成干燥。在干燥产物中具有极高表面积的一个益处为超纯聚合物凝胶对于制造电容器、能量存储装置的用途以及其它能量相关应用的改善的效用。不同的超纯聚合物凝胶应用需要孔径分布的变化，例如，不同水平的微孔体积、中孔体积、表面积和孔径。通过调节超纯聚合物凝胶的多种工艺参数，能根据期望的应用，在许多不同孔径下实现高孔体积。在超纯干燥的聚合物凝胶结构中反映出最终碳材料的结构，所述超纯干燥的聚合物凝胶结构反过来由超纯聚合物凝胶性质确定。使用本文所述的溶胶凝胶处理方法能在超纯聚合物凝胶中产生这些特征，但若在溶剂去除过程中不细心的话，则结构将不能保持。 目的在于基于冷冻过程的控制而保留超纯聚合物凝胶的初始结构并随着冰晶体形成来改变其结构二者。在一些实施方案中，在干燥之前，超纯聚合物凝胶的含水量为约50%至约 99%。在某些实施方案中，当干燥时，超纯聚合物冻凝胶的含水量为小于约10%，或者为小于约5%或小于约2. 5%。超纯聚合物水凝胶的差示扫描量热(DSC)数据证明了在约_18°C的大量放热情况。这些数据与冷冻约4nm半径的孔隙内的水相一致。这些发现指出对于电流应用目的的极快速冷冻不仅形成快速冷却速率，而且降低程度使材料低于至少_18°C。DSC数据还证明了当升温时，存在广泛、复杂的吸热行为，同时在约_13°C开始并中点为约-10°c。似乎在约-2°c处出现热传递，并且在约+1°C处出现最终熔融。所述各种情况可对应于不同类型的微观结构的熔融。数据表示，为了避免在冷冻态的最终产物结构的损失，在初始(例如，初级)干燥期间的产物温度应保持在低于_13°C。例如，这可以在干燥步骤中完成，在所述干燥步骤中，在初级干燥期间的热传递主要受控于对流而非传导，因此，在升华期间的产物温度将对应于与腔室压力(chamber pressure)平衡的冰温度。约2250微米的冻干机腔室压力导致为约-10°C的干燥产物的初级干燥温度。在约2250微米腔室压力或更低的腔室压力下干燥提供了在初级干燥期间的产物温度，其不高于约-10°C。为了进一步说明，约1500微米的腔室压力导致为约-15°C的干燥产物初级干燥温度。在约1500微米腔室压力或更低的腔室压力下干燥提供了在初级干燥期间不高于约_15°C的产物温度。为了进一步说明，约750微米的腔室压力导致为约_20°C的干燥产物初级干燥温度。在750微米腔室压力或更低的腔室压力下干燥提供了在初级干燥期间不高于约_20°C的产物温度。为了进一步说明，约300微米的腔室压力导致为约_30°C的干燥产物初级干燥温度。在300微米腔室压力或更低的腔室压力下干燥提供了在初级干燥期间不高于约_30°C的产物温度。5.超纯聚合物凝胶的高温分解和活化
在另一实施方案中，提供了制备诸如超纯合成活化无定形碳材料的超纯合成活化碳材料的方法，其包括本文公开的干燥聚合物凝胶的高温分解和活化。在本公开的一些实施方案中，所提供的超纯合成活化碳材料或超纯合成活化无定形碳材料具有的比表面积为至少 1000m2/g、至少 1500m2/g、至少 2000m2/g、至少 2400m2/g、至少 2500m2/g 或至少 3000m2/ 通常，在高温分解过程中，将干燥的超纯聚合物凝胶称重并放置在回转窑中。温度斜度设定为每分钟5°C，设定滞留时间和滞留温度；通过炉子的自然冷却速率来测定冷却。 整个过程通常在诸如氮气环境的惰性环境下进行。然后将热解的样品移除并称重。其它高温分解过程对本领域技术人员是公知的。在一些实施方案中，高温分解滞留时间(样品处于期望温度所经历的时间)为约0 分钟至约120分钟、约0分钟至约60分钟、约0分钟至约30分钟、约0分钟至约10分钟、 约0分钟至5分钟或约0分钟至1分钟。与上述相比，高温分解还能更缓慢地进行。例如，在一个实施方案中，在约120分钟至480分钟进行高温分解。在其它实施方案中，在约120分钟至240分钟进行高温分解。在一些实施方案中，高温分解滞留温度为约650°C至1800°C。在其它实施方案中， 高温分解滞留温度为约700°至约1200°C。在其它实施方案中，高温分解滞留温度为约 850°C至约1050°C。在其它实施方案中，高温分解滞留温度为约800°C至约900°C。在一些实施方案中，在高温分解过程中改变高温分解滞留温度。在一个实施方案中，在具有分离的不同加热区的回转窑中进行高温分解，每个区的温度从回转窑管的入口至出口末端依次降低。在一个实施方案中，在具有分离的不同加热区的回转窑中进行高温分解，每个区的温度从回转窑管的入口至出口末端依次升高。在一个实施方案中，将加热区的入口末端设定为690°C，加热区中部设定为750°C并且加热区出口末端设定为850°C。活化时间和活化温度均对最终活化碳材料的性能及其制备成本产生重大影响。与更低温度和更短滞留时间相比，增加的活化温度和活化滞留时间导致更高的活化百分率， 这通常对应于去除更多材料。活化温度还能改变碳的孔隙结构，其中更低的温度导致更多微孔隙碳，而更高温度导致中孔隙。这归因于发生在更高温度下的活化气体扩散限制性反应和发生在更低温度下的反应动力学驱动反应。更高的活化百分率通常增加最终活化碳的性能，但其还通过降低总产率增加成本。改善活化水平相当于在更低的成本下实现更高性能的产品。热解的超纯聚合物凝胶可通过使热解的超纯聚合物凝胶与活化剂接触而活化。许多气体适于活化，例如包含氧的气体。活化气体的非限制性实例包括二氧化碳、一氧化碳、 蒸气和氧气。活化剂还可包括腐蚀性化学物，例如酸、碱或盐(例如，磷酸、氢氧化钾、氢氧化钠、氯化锌等)。其它活化剂为本领域技术人员已知的。在一个实施方案中，活化时间为1分钟至48小时。在其它实施方案中，活化时间为1分钟至24小时。在其它实施方案中，活化时间为5分钟至24小时。在其它实施方案中，活化时间为1小时至24小时。在其它实施方案中，活化时间为12小时至24小时。在某些其它实施方案中，活化时间为30分钟至4小时。在一些其它实施方案中，活化时间为 1小时至2小时。通常，在活化过程中，将样品称重并放置在回转窑中，对于所述回转窑，自动气体控制管的斜度设定为在每分钟20°C速率处。一旦达到合适的活化温度，将二氧化碳引入窑环境中，持续一段时间。在发生活化之后，由氮气取代二氧化碳，并且将窑冷却。在过程结束时，将样品称重以评价活化水平。其它活化过程对本领域技术人员是公知的。在本文公开的一些实施方案中，活化温度可为800°C至1300°C。在另一实施方案中，活化温度可为 800°C至1050°C。在另一实施方案中，活化温度可为约850°C至约950°C。本领域技术人员应认识到可以采用其它的更低或更高的活化温度。根据在活化步骤期间损失的热解干燥超纯聚合物凝胶的质量百分比来测量活化度。在本文公开方法的一个实施方案中，活化包括的活化度为5%至90%或10%至80% ； 在一些情况下，活化包括的活化度为40 %至70 %或45 %至65 %。在本文公开的用于产生高表面积超纯合成活化碳材料的方法中，设计超纯聚合物凝胶以产生已为高孔隙且在其超纯聚合物骨架内包含碳结构的材料，其中，当热解和活化时，所述碳结构将产生包含中孔隙和微孔隙的靶标混合物的活化碳材料。通过产生具有合适的中孔隙和微孔隙的靶标混合物的超纯聚合物凝胶，降低所需活化的量，由此改善产率并降低成本。此外，调节中间体性质(例如，孔径)的能力引入了可调度，其还未通过更常用的热解和过度活化现有碳材料的方法实现。例如，与调节高温分解和活化变量的常规方法相比，操作本文所述中间体的处理变量对最终碳纳米结构具有更显著的影响。已证实了按比例扩大本文公开的制备方法以满足本文公开的活化碳材料所期望的高需求的能力。能确定所述过程的三个部分1)从前体超纯聚合物材料超纯聚合；2)冷冻干燥；以及幻高温分解/活化。在一个实施方案中，采用三个现有行业的标准制备设备可以分别衡量这些步骤中的每一个，所述现有行业例如从事黏合剂和环氧的专业化学公司；药品和食品相关的冷冻干燥提供商；以及低等级活化碳的制造商。已表明在初始溶胶中的催化剂的量和水的百分比对活化碳材料的最终性能具有重要影响(例如，当在超级电容器中使用时)。大量的工艺变量和在这些变量间的相互作用能连续精炼所述过程并允许在最终碳结构上进行一些控制。因此，在一个实施方案中，本公开提供了精炼的工艺变量。公开的精炼导致了以先前未获得的方式在最终碳结构上施加控制的能力。在本领域中使用的精炼工艺变量的最常见的方法为除了使一个变量可以改变外保持所有变量恒定，并且测定改变一个参数的影响。或者，如本文所述，将统计分析方法的组合DFE Pro Software以及实验方法的析因设计用于系统地改变多个参数，同时获得制备活化碳材料的最优工艺。通过使用该方法，评价这些变量中的每一个对与活化碳材料结构相关的不同度量(例如，表面积、密度、孔体积等)范围的影响。当在超级电容器中采用超纯合成活化碳材料时，可以评价其它的性能度量。例如，可以评价电容、密度和功率密度。C.超纯聚合物凝胶和超纯合成碳材料的表征使用在17K下的氮吸附可以测量最终的超纯合成活化碳材料、超纯合成活化无定形碳材料、干燥的聚合物凝胶以及热解但未活化的超纯聚合物凝胶的结构性质，所述氮吸附为本领域技术人员已知的方法。成品超纯合成活化碳材料的最终性能和表征至关重要， 但是，如本领域技术人员已知的，特别从品质控制标准点，还能评价中间体产物(干燥的超纯聚合物凝胶和热解但未活化的超纯聚合物凝胶)。将Micromeretics ASAP 2020用于进行详细的微孔隙和中孔隙分析，其显示孔径分布为0. 35nm至50nm。系统生成在10-7大气压下开始的氮气等温线，这能给予亚Inm范围的高分辨孔径分布。软件生成的报告利用了密度泛函理论(DFT)法以计算诸如孔径分布、表面积分布、总表面积、总孔体积和某些孔径范围内的孔体积的性质。在一些实施方案中，热解的超纯聚合物凝胶的表面积为约100m2/g至约1200m2/g。 在其它实施方案中，热解的超纯聚合物凝胶的表面积为约500m2/g至约800m2/g。在其它实施方案中，热解的超纯聚合物凝胶的表面积为约500m2/g至约600m2/g。在一些实施方案中，热解的超纯聚合物凝胶的振实密度为约0. lcc/g至约l.Occ/ go在其它实施方案中，热解的超纯聚合物凝胶的振实密度为约0.3cc/g至约0.6cc/g。在其它实施方案中，热解的超纯聚合物凝胶的振实密度为约0. 35cc/g至约0. 45cc/g。P.调整超纯聚合物凝胶的孔径和其它件质公开的从合成的充分表征的前体中合成的超纯碳材料不同于得自诸如煤、浙青、 椰子等天然来源的活化碳。这部分归因于它们能通过仔细地预先设计和实施工艺控制而在微孔隙和中孔隙结构和化学方面进行调节的事实。此外，本文所述的超纯碳材料包含多孔结构，这能对给定的应用(例如，当在超级电容器或其它能量存储装置中使用时)进行优化。伴随调整碳纳米结构的能力，获得超过得自常规活化碳的现有性能数据的性能。重要的变量包括大的可及表面积、短的用于电解盐扩散的微孔以及最小限度的损耗孔体积，从而增强比电容。工艺变量的操作允许产生具有适于期望应用的性质的超纯合成活化碳材料。因此，在一个实施方案中，提供了使产生超纯聚合物凝胶、干燥的超纯聚合物凝胶、热解的超纯聚合物凝胶和超纯合成活化碳材料的工艺变量最优化的方法。使工艺参数最优化的一个方法包括设计实验策略。使用该策略，能由相对较少的实验来研究多个工艺变量(例如，高达8个变量)的影响。从实验设计中获得的数据能用于操作工艺变量以获得超纯聚合物凝胶、干燥的超纯聚合物凝胶、热解的超纯聚合物凝胶和活化的超纯聚合物冻凝胶的特定性质。例如，在一些实施方案中，对工艺参数进行操作以获得期望的产品特性，所述工艺参数选自间苯二酚/催化剂的比、间苯二酚/水的比、冷冻步骤的粒径、淬灭温度、高温分解时间、高温分解温度、活化温度和活化时间，及其组合。在一些实施方案中，与四甲铵(TMA)阳离子共同使用一组电化学测试电池。尽管四乙铵(TEA)离子直径为0.69nm，但四甲铵离子直径仅为0.57nm。各个阳离子与直径为 0.46nm的四氟硼酸盐(TFB)阴离子配对。这些各种离子的尺寸阐明了上述孔径范围。只要微孔隙为短的且不为弯曲的，则它们接纳比孔隙直径更小的离子。增加电容和能量密度的一种方法为通过使离子进入碳网络中尽可能多的孔隙中。例如，小于0. 5nm的孔隙接纳 TFB阴离子，但不接纳TEA或TMA阳离子。0. 5nm至0. 65nm的孔隙接纳TMA阳离子，但不接纳TEA，并且大于0. 65nm的孔隙将接纳TEA离子。该概念总结了离子筛分理论，其中认为碳材料为仅允许小于孔径的离子进入的筛。在包含TMATFB与TEATFB电解质的电池的阳极和阴极上发展的电容和由此发展的能量密度的差异的评价提供了对某些孔径范围内孔体积重要性的深入理解。工艺变量的操作允许产生具有适于所选择的电解质体系的孔径分布的超纯合成活化碳。例如，可以产生具有约0. 8nm的微孔隙峰的碳阳极，其集中在适于TEA离子的孔径。 基于DFE Pro Software的输出值，基于最统计显著的那些变量，对于设定为最初性能度量的孔体积和表面积为0. 7nm至1. Onm的孔隙选择工艺设置。将变量的相互作用和多个变量 “等高线”用于推断工艺设置，其位于上述使用的设定之间或位于上述规定的范围外。在确定用于满足本任务的孔径需求的靶标工艺变量之后，根据使用这些设置来生产一批诸如活化碳冻凝胶的超纯合成活化碳。然后，使用孔径分布分析用的ASAP 2020和密度泛函理论来表征阳极材料，以确认高体积和表面积峰存在于0. 7nm至1. Onm的规定范围内。类似地，将不同的孔径范围0. 6nm至0. 8nm用作调整TMA阳离子孔径的靶标，同时还使用本文所述的相同方法。此外，该方法能用于生产对应于TFB阴离子的孔径分布小于 0. 6nm的碳。改变阳极和阴极中每克碳开发的电容能够产生具有匹配的阴离子和阳离子容量的电荷平衡电池。该方法改善了总电池的能量密度，同时降低了与产生对电解质离子不适合的尺寸的孔隙有关的成本。此外，根据本文公开的方法，对于许多电解质离子，能够批量生产具有靶标粒径分布的碳。对于特定体系研究，选择本文所述的孔径范围，然而，根据本文公开的方法能够产生其它范围。例如，能从ASAP 2020软件产生的报告中提取数据，并且能改变实验的DFE Pro设计以显示任何尺寸的孔隙用的合适调整参数。尽管本文未公开特定参数，但实验的析因设计方法能使本领域技术人员进行调整以产生靶标峰值孔径。这些结果的分析提供了许多不同的理解。使用已知尺寸的盐离子，研究具有已知微孔尺寸峰的阳极或阴极开发最大电容的能力提供了对离子发挥作用的有效尺寸以及何种孔径筛选出哪种离子的信息。使用本文公开的孔体积数据以及体系电容数据提供了对开发具有较大四乙铵阳离子与较小的四甲铵阳离子或四氟硼酸盐阴离子的电容所需的最小孔径的识别。当孔隙过小以不能使离子电吸附至孔隙壁表面时，一种用作电极的靶标碳材料为微孔隙峰恰好高于阀值的体系，同时使孔体积在其它范围中最小化。当与特定范围内的孔体积共同用作性能度量时，实验的析因设计方法指示如何调节工艺参数以使孔径体积在该孔径范围中最大化。在电场不存在的情况下，当电解质离子在无约束溶剂中为游离的时，它们通常由溶剂离子包围，这有助于平衡它们的电荷。期望这在某种程度仍然发生，尽管在孔隙内存在强电场和狭窄的空间。各个离子对保持自身成为溶剂化物具有不同倾向，因此具有不同的有效尺寸，即对强溶剂化物更大并对弱溶剂化物更小。上述离子筛选研究评价了这些盐保持为溶剂化物的程度，以及何种尺寸孔隙为合适的。如上所述，一种使纳米结构碳电极的能量密度最大化的方法为产生对电吸附至该电极表面的离子而言为适当尺寸的孔隙。将具有适于阴离子的孔径分布和适于阳离子的另一孔径分布的活化碳装配在非对称电池中，其能够超过其它对称电池的电容和能量密度。E.干燥的超纯聚合物凝胶和超纯合成碳材料的用途诸如超纯合成无定形碳材料的超纯合成碳材料能用在需要稳定、高表面积的微孔隙和中孔隙结构的装置中。公开的碳材料的应用实例包括但不限于能量存储和分配装置； 超级电容器电极；伪电容器电极；电池电极；铅酸电池电极；气体扩散电极，其包括锂空气电池和锌空气电池；锂离子电池和电容器(例如作为阴极材料)；在电化学体系中用于其它活性材料的导电收集器/支架；纳米结构材料支持支架；固态气体存储器(例如，吐和014存储器)；盐水的电容去电离；生物医学应用，包括中毒控制和药物控释；空气过滤；水过滤；化学过滤；催化剂转化器；隔热；色谱填充物；吸附剂和用于其它催化作用的碳基支架支持结构，例如氢存储或燃料电池电极。公开的碳材料还可以在动能收集应用中使用，例如混合动力交通车辆、重型混合动力、全电动车辆、起重机、铲车、升降机、电动轨道、混合机车以及电动自行车。超纯合成无定形碳材料还可以在电气备用应用中使用，例如UPS、数据中心桥式电源、电压骤降补偿、 电动制动执行器、电动门执行器、电子产品、电信塔桥式电源。可以使用本公开的超纯合成活化碳的需要脉冲电源的应用包括但不限于板网稳定；电子产品，包括手机、PDA、相机闪光灯、电动玩具；风力涡轮叶片节距执行器；功率品质/功率调节/频率调节；电动增压器。 超纯合成无定形碳材料的其它应用包括在下述中的用途汽车启动和制动系统、电动工具、 闪光灯、个人电子产品、自包含的太阳能照明系统、RFID片和系统、用于测量装置功率的风场显色剂、感应器、脉冲激光系统和移相器。公开的碳材料还可在超纯度为决定性的应用中使用，例如在医药、电子、化学分析、mems (微型机械)和生物领域中使用。所有类型的化学和电化学感应器或探测器将经历更少的杂质干扰或经历更少的由杂质引起或催化的副反应。实例为空气中的杂质(爆炸物、危险化学物、合成的突出部分)或水中的杂质，诸如有机液体中的有机物或水杂质。碳的酸/碱性质很大程度上为包含化学吸附的氧的杂质的函数。因此，超纯合成无定形碳材料可用于期望控制碳材料的酸/碱性质的应用。碳用作化学制备材料中的反应物，并且用作电化学制备材料中的电极。因此，公开的碳材料在化学和电化学制备高纯度材料，尤其是金属，中得到应用。公开的碳材料还可用作锌-锰氧化物电池(通常为手电筒电池)和锌-卤素电池中的电极，并且并入碳-超纯聚合物复合物以用作导电粘合剂和封条，以及用于使辐射泄漏最小化。本文公开的干燥超纯聚合物凝胶在许多应用中得到使用。例如，干燥超纯聚合物凝胶可用作木材粘合剂(例如，用于夹板和刨花板)、将织物和金属粘合至橡胶(例如，橡胶轮胎)、过滤介质、介电绝缘、隔热以及用作复合材料(例如，玻璃纤维和碳纤维等)中的树脂。1.超级电容器装置EDLC使用浸入电解质溶液的电解作为它们的能量存储元件。通常，浸入电解质或注有电解质的多孔隔离器确保了电极不发生彼此接触，避免电子电流直接在电极间流动。 同时，多孔隔离器使离子电流以两个方向流经电极间的电解质，由此在电解和电解质间的界面处形成双层电荷。当在EFLC的电极对间施加电势时，在电解质内存在的离子被吸引至相反电荷电极的表面，并且向该电极迁移。因此，产生了相反电荷离子层，并且保持在各个电极表面附近。在相应电极表面的这些离子层和电荷层之间的电荷分离层中存储电能。实际上，电荷分离层基本表现为静电电容器。在由电势诱发的电场的影响下，通过电解液分子的取向和排列，还能将静电能存储在EDLC中。然而，该能量存储模式是次要的。包含诸如超纯合成无定形碳材料的超纯合成碳材料的EDLC能在多种期望高功率的电子装置中应用。因此，在一个实施方案中，提供了包含超纯合成碳材料的电极。在另一实施方案中，提供了包含超纯合成无定形碳材料的电极。在其它实施方案中，电极包含超纯合成活化碳材料，例如包含超纯合成活性无定形碳材料。在其它实施方案中，提供了包括包含超纯合成碳材料的电极的超级电容器。在前述的其它实施方案中，超纯合成碳材料为超纯合成无定形碳材料，例如为超纯合成活性无定形碳材料。公开的碳材料在许多电子装置中得到应用，例如，无线用户和商业装置，诸如数码相机、笔记本PC、医疗装置、位置跟踪装置、汽车装置、紧凑型闪存装置、移动电话、PCMCIA 卡、手持装置和数码音乐播放器。超级电容器还应用在重型设备中，例如挖掘机和其它推土设备；铲车；垃圾车；用于港口和建筑的起重机；以及运送系统，例如公共汽车、汽车和火车。在一个实施方案中，包含超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料的超级电容器装置包括的重量功率为至少10W/g、至少15W/g、至少20W/g、至少25W/g、至少30W/g或至少 35W/g。在另一实施方案中，包含超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料的超级电容器装置包括的体积功率为至少5W/cc、至少10W/cc、至少15W/cc或至少20W/cc。在另一实施方案中，包含超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料的超级电容器装置包括的重量能量为至少 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。在另一实施方案中，包含超纯合成活化碳的超级电容器装置包括的体积能量为至少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。在前述的一些实施方案中，采用1.0M四氟硼酸四乙铵的乙腈(在AN中为1. OM的 TEATFB)电解质溶液和0. 5秒时间常数，通过从2. 7V至1. 89V的恒电流放电来测量包含超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料的超级电容器装置的重量功率、体积功率、重量能量和体积能量。在一个实施方案中，包含超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料的超级电容器装置包括至少2. 5ff/g的重量功率、至少10. 0ff/cc的体积功率、至少5. 0Wh/kg的重量能量和至少3. 0ffh/L的体积能量。在另一实施方案中，包含超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料的超级电容器装置包括至少15W/g的重量功率、至少10. 0ff/cc的体积功率、至少20. 0Wh/kg的重量能量和至少12. 5ffh/L的体积能量。在一个实施方案中，包含超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料的超级电容器装置包括的重量电容为至少15F/g、至少20F/g、至少25F/g、至少30F/g或至少35F/g。在另一实施方案中，包含超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料的超级电容器装置包括的体积电容为至少10F/cc、至少15F/cc、至少18F/cc、至少20F/cc、至少22F/cc或至少25F/ Cc0在前述的一些实施方案中，使用5秒时间常数并且采用1.8M四氟硼酸四乙铵的乙腈 (在AN中为1. 8M的TEATFB)电解质溶液和0. 5A/g、l. 0A/g、4. 0A/g或8. 0A/g的电流密度， 通过从2. 7V至0. IV的恒电流放电来测量重量电容和体积电容。在一个实施方案中，本公开提供了包含如本文所公开的超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料的超级电容器，其中在电压保持期之后，包含超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料的超级电容器的初始电容(即，在经过电压保持之前的电容)的降低百分率小于包含已知碳材料的超级电容器的初始电容的降低百分率。在一个实施方案中，在65°C 下，在2. 7V的保持电压持续M小时之后，包含超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料的超级电容器剩余的初始电容的百分率为至少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 %。在前述的其它实施方案中，在0. 5A/g、 lA/g、4A/g或8A/g的电流密度下测量在保持电压期之后剩余的原始电容的百分率。在另一实施方案中，本公开提供了包含如本文所公开的超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料的超级电容器，其中在重复电压循环之后，包含超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料的超级电容器的初始电容的降低百分率小于经过相同条件的包含已知碳材料的超级电容器的初始电容的降低百分率。例如，在一个实施方案中，在4A/g的电流密度下，在包含2V至IV间循环的1000次、2000次、4000次、6000次、8000次或1000次电压循环活动之后，包含超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料的超级电容器剩余的初始电容的百分率大于包含已知碳材料的超级电容器剩余的初始电容的百分率。在另一实施方案中，在4A/g的电流密度下，在包含2V至IV间循环的1000次、2000次、4000次、6000次、8000 次或1000次电压循环活动之后，包含超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料的超级电容器剩余的初始电容的百分率为至少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，能将超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料并入超级电容器装置。 在一些实施方案中，使用Labomill气流研磨机在氮气环境中进行操作，将超纯合成碳材料或超纯合成无定形碳材料研磨至平均粒径为约10微米。尽管希望不受理论限制，但应认为该精细粒径增加了颗粒与颗粒的导电性，以及能制备非常薄的片电极。气流研磨机基本通过将碳在由高压氮推进的盘形腔室内旋转来使碳与其自身进行碾磨。当供给更大颗粒时， 离心力将它们推至腔室外部；当它们彼此碾磨时，颗粒向中心迁移，其中，一旦它们已达到适当的尺寸，则它们最终离开碾磨腔室。在其它实施方案中，在气流研磨之后，将碳与纤维性特氟纶粘合剂(3%重量比) 混合以将颗粒以片的形式保持在一起。将碳特氟纶混合物捏合，直至达到均勻一致。然后， 使用导致50微米最终厚度的高压辊成型，将混合物卷成片。在干燥氩气环境下，将这些电极冲压为盘形并加热至195°C以去除水和/或其它空气运输的污染物。将电极称重并使用卡尺测量它们的大小。使用适当的电解液湿润EDLC的碳电极。用于本申请装置中的电解液中使用的溶剂的实例包括但不限于碳酸丙烯酯、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、环丁砜、甲基环丁砜和乙腈。这类溶剂通常与溶质混合，所述溶质包括四烷基铵盐，诸如TEATFB(四氟硼酸四乙铵)、TEMATFB(四氟硼酸三乙基甲铵)、EMITFB(四氟硼酸 1-乙基-3-甲基咪唑)、四甲铵或基于三乙铵的盐。此外，电解质可为水基酸性或碱性电解质，例如弱硫酸或氢氧化钾。在一些实施方案中，使用1. OM的四氟硼酸四乙铵的乙腈(在AN中为1.0M的 TEATFB)电解质溶液湿润电极。在其它实施方案中，使用1. OM的四氟硼酸四乙铵的碳酸丙烯酯(在PC中为1.0M的TEATFB)电解质溶液湿润电极。这些为在研究和工业中均使用的常规电解质，并且被认为用于评价装置性能的标准。在其它实施方案中，在诸如氩气手套箱 (glove box)的惰性环境中组装对称碳-碳(C-C)电容器，并且30微米厚的NKK多孔膜用作隔离器。一旦组装，可根据样品的孔隙率而将样品在电解质中浸渍20分钟或更长时间。在一些实施方案中，在生物VMP3电化学工作台上，在多种电压(从1.0V至2. 5V的最大电压)和电流水平(ImA至IOmA)下，使用循环伏安法(CV)、计时电势分析法(CP)和阻抗谱来测量电容和功率输出。在该实施方案中，可以使用下述公式从电势图的放电曲线中计算电容方程
权利要求
1.超纯的合成碳材料，通过质子诱发的X射线发射测量，所述超纯的合成碳材料包含总杂质含量小于500ppm的原子数为11至92的元素。
2.如权利要求1所述的碳材料，其中所述碳材料为超纯的合成无定形碳材料。
3.如权利要求1或2所述的碳材料，其中通过质子诱发的X射线发射测量，所述碳材料包含总杂质含量小于200ppm的原子数为11至92的元素。
4.如权利要求1或2所述的碳材料，其中从质子诱发的X射线发射数据计算的所述碳材料的含灰量小于0. 03%。
5.如权利要求1或2所述的碳材料，其中从质子诱发的X射线发射数据计算的所述碳材料的含灰量小于0.01%。
6.如权利要求1或2所述的碳材料，其中通过燃烧分析和质子诱发的X射线发射测量， 所述碳材料包含至少95%重量比的碳。
7.如权利要求1或2所述的碳材料，其中通过质子诱发的X射线发射测量，所述碳材料包含小于3ppm的铁。
8.如权利要求1或2所述的碳材料，其中通过质子诱发的X射线发射测量，所述碳材料包含小于Ippm的镍。
9.如权利要求1或2所述的碳材料，其中通过质子诱发的X射线发射测量，所述碳材料包含小于5ppm的硫。
10.如权利要求1或2所述的碳材料，其中通过质子诱发的X射线发射测量，所述碳材料包含小于Ippm的铬。
11.如权利要求1或2所述的碳材料，其中通过质子诱发的X射线发射测量，所述碳材料包含小于Ippm的铜。
12.如权利要求1或2所述的碳材料，其中通过质子诱发的X射线发射测量，所述碳材料包含小于IOOppm的钠、小于300ppm的硅、小于50ppm的硫、小于IOOppm的钙、小于20ppm 的铁、小于IOppm的镍、小于140ppm的铜、小于5ppm的铬以及小于5ppm的锌。
13.如权利要求1或2所述的碳材料，其中通过质子诱发的X射线发射测量，所述碳材料包含小于50ppm的钠、小于50ppm的硅、小于30ppm的硫、小于IOppm的钙、小于2ppm的铁、小于Ippm的镍、小于Ippm的铜、小于Ippm的铬以及小于Ippm的锌。
14.如权利要求1或2所述的碳材料，其中通过燃烧分析测定，所述碳材料包含小于 3.0%的氧、小于0. 1 %的氮以及小于0. 5%的氢。
15.如权利要求1或2所述的碳材料，其中通过燃烧分析测定，所述碳材料包含小于 1. 0%的氧。
16.如权利要求1或2所述的碳材料，其中所述碳材料包含热解的超纯聚合物冻凝胶。
17.如权利要求1或2所述的碳材料，其中所述碳材料包含活化的超纯聚合物冻凝胶。
18.如权利要求1或2所述的碳材料，其中所述碳材料包含至少1500m2/g的BET比表面积。
19.如权利要求1或2所述的碳材料，其中所述碳材料包含至少2000m2/g的BET比表面积。
20.如权利要求1或2所述的碳材料，其中所述碳材料包含至少2400m2/g的BET比表面积。
21.如权利要求1或2所述的碳材料，其中所述碳材料包含至少0.7cc/g的孔体积。
22.超纯聚合物凝胶，通过质子诱发的X射线发射测量，所述超纯聚合物凝胶包含碳、 氢、氧以及总杂质含量小于500ppm的原子数为11至92的元素。
23.如权利要求22所述的超纯聚合物凝胶，其中通过质子诱发的X射线发射测量，所述超纯聚合物凝胶包含总杂质含量小于200ppm的原子数为11至92的元素。
24.如权利要求22所述的超纯聚合物凝胶，其中所述超纯聚合物凝胶为干燥的超纯聚合物凝胶。
25.如权利要求24所述的干燥的超纯聚合物凝胶，其包含至少400m2/g的BET比表面积。
26.如权利要求22所述的超纯聚合物凝胶，其中通过将一种或多种可混溶剂、一种或多种酚化合物、一种或多种醛和一种或多种催化进行混合来制备所述超纯聚合物凝胶。
27.如权利要求26所述的超纯聚合物凝胶，其中通过将水、乙酸、间苯二酚、甲醛和乙酸铵进行混合来制备所述超纯聚合物凝胶。
28.装置，其包含超纯的合成碳材料，其中通过质子诱发的X射线发射测量，所述超纯的合成碳材料包含总杂质含量小于500ppm的原子数为11至92的元素。
29.如权利要求28所述的装置，其中所述碳材料为超纯的合成无定形碳材料。
30.如权利要求28至29中任一权利要求所述的装置，其中所述装置为双电层电容器 (EDLC)装置，其包括a)正极和负极，其中每一所述正极和负极包含所述超纯的合成碳材料；b)惰性多孔隔离器；以及c)电解质；其中所述正极和负极被所述惰性多孔隔离器隔离。
31.如权利要求28至30中任一权利要求所述的EDLC装置，其中所述EDLC装置包含至少15W/g的重量功率。
32.如权利要求28至31中任一权利要求所述的EDLC装置，其中所述EDLC装置包含至少10W/cc的体积功率。
33.如权利要求28至32中任一权利要求所述的EDLC装置，其中所述EDLC装置包含至少20. Offh/kg的重量能量。
34.如权利要求28至33中任一权利要求所述的EDLC装置，其中所述EDLC装置包含至少10. Offh/升的体积能量。
35.如权利要求28至34中任一权利要求所述的EDLC装置，其中采用1.8M四氟硼酸四乙铵的乙腈电解质溶液和0. 5A/g电流密度，通过具有5秒时间常数的由2. 7V至0. IV的恒电流放电测量，所述EDLC装置包含至少25F/g的重量电容。
36.如权利要求28至35中任一权利要求所述的EDLC装置，其中采用1.8M四氟硼酸四乙铵的乙腈电解质溶液和0. 5A/g电流密度，通过具有5秒时间常数的由2. 7V至0. IV的恒电流放电测量，所述EDLC装置包含至少20F/CC的体积电容。
37.如权利要求28至36中任一权利要求所述的EDLC装置，其中通过质子诱发的X射线发射测量，所述超纯的合成无定形碳材料包含总杂质含量小于200ppm的原子数为11至 92的元素。
38.如权利要求28至37中任一权利要求所述的EDLC装置，其中从质子诱发的X射线发射数据计算的所述碳材料的含灰量小于0. 03%。
39.如权利要求28至38中任一权利要求所述的EDLC装置，其中从质子诱发的X射线发射数据计算的所述碳材料的含灰量小于0.01 %。
40.如权利要求28至39中任一权利要求所述的EDLC装置，其中通过燃烧分析和质子诱发的X射线发射测量，所述碳材料包含至少95%的碳。
41.如权利要求28至40中任一权利要求所述的EDLC装置，其中通过质子诱发的X射线发射测量，所述碳材料包含小于3ppm的铁。
42.如权利要求28至41中任一权利要求所述的EDLC装置，其中通过质子诱发的X射线发射测量，所述碳材料包含小于Ippm的镍。
43.如权利要求28至42中任一权利要求所述的EDLC装置，其中通过质子诱发的X射线发射测量，所述碳材料包含小于5ppm的硫。
44.如权利要求28至43中任一权利要求所述的EDLC装置，其中通过质子诱发的X射线发射测量，所述碳材料包含小于Ippm的铬。
45.如权利要求28至44中任一权利要求所述的EDLC装置，其中通过质子诱发的X射线发射测量，所述碳材料包含小于Ippm的铜。
46.如权利要求28至45中任一权利要求所述的EDLC装置，其中通过质子诱发的X射线发射测量，所述碳材料包含小于IOOppm的钠、小于300ppm的硅、小于IOOppm的钙、小于 50ppm的硫、小于20ppm的铁、小于IOppm的镍、小于140ppm的铜、小于5ppm的铬以及小于 5ppm的锌。
47.如权利要求28至46中任一权利要求所述的EDLC装置，其中所述碳材料包含活化的超纯聚合物冻凝胶。
48.如权利要求28至47中任一权利要求所述的EDLC装置，其中所述碳材料包含至少 1500m2/g的BET比表面积。
49.如权利要求28至48中任一权利要求所述的EDLC装置，其中所述碳材料包含至少 2000m2/g的BET比表面积。
50.如权利要求28至49中任一权利要求所述的EDLC装置，其中所述碳材料包含至少 2400m2/g的BET比表面积。
51.如权利要求28所述的装置，其中所述装置为电池。
52.如权利要求51所述的装置，其中所述装置为锂/碳电池、锌/碳电池、锂空气电池或铅酸电池。
53.电极，其包含超纯的合成碳材料和粘合剂，其中通过质子诱发的X射线发射测量， 所述超纯的合成碳材料包含总杂质含量小于500ppm的原子数为11至92的元素。
54.如权利要求53所述的电极，其中所述碳材料为超纯的合成无定形碳材料。
55.制备超纯的合成碳材料的方法，所述方法包括在挥发性碱性催化剂的存在下，使一种或多种聚合物前体在酸性条件下反应以获得超纯聚合物凝胶。
56.如权利要求55所述的方法，其中所述碳材料为超纯的合成无定形碳材料。
57.如权利要求55至56中任一权利要求所述的方法，其包括使一种或多种聚合物前体在包含乙酸和水的溶剂中混合。
58.如权利要求55至57中任一权利要求所述的方法，其中所述挥发性碱性催化剂包括碳酸铵、碳酸氢铵、乙酸铵、氢氧化铵或其组合。
59.如权利要求55至58中任一权利要求所述的方法，其中所述一种或多种聚合物前体包括间苯二酚和甲醛。
60.如权利要求55至59中任一权利要求所述的方法，其还包括(a)冷冻干燥所述超纯聚合物凝胶以获得超纯聚合物冻凝胶；(b)热解所述超纯聚合物冻凝胶以获得热解的超纯冻凝胶；以及(c)活化所述热解的超纯冻凝胶以获得超纯的合成活化碳材料。
全文摘要
本发明一般涉及具有高表面积和高孔隙率的超纯的合成碳材料、超纯的聚合物凝胶以及包含所述超纯的合成碳材料和超纯的聚合物凝胶的装置。公开的超纯的合成碳材料在许多装置中得到应用，例如在双电层电容器装置和电池中。还公开了制备超纯的合成碳材料和超纯的聚合物凝胶的方法。
文档编号B29C70/42GK102481730SQ201080037992
公开日2012年5月30日 申请日期2010年7月1日 优先权日2009年7月1日
发明者亚伦·M·费沃尔, 亨利·R·克斯坦蒂诺, 威廉·D·斯科特 申请人:艾纳G2技术公司