用于混合能量存储装置中的碳-铅共混物的制作方法

用于混合能量存储装置中的碳-铅共混物的制作方法
【专利摘要】本申请是针对包含多个碳颗粒以及多个铅颗粒的共混物。这些共混物在多种电子装置中（例如铅酸电池中）得到应用。还披露了制造和使用这些共混物的方法。
【专利说明】用于混合能量存储装置中的碳-铅共混物
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请根据35U.S.C.§ 119(e)要求2011年6月3日提交的美国临时专利申请号61/493，350的权益，该申请通过引用以其全文结合在此。
[0003]发明背景
【技术领域】
[0004]本申请涉及用于能量存储和分配的组合物以及装置。这些组合物包括多个铅颗粒以及多个碳颗粒并且展现出适合于在混合碳-铅能量存储装置中使用的所希望的电化学特性。
_5] 相关技术描述
[0006]混合能量存储装置,也被称为非对称超级电容器(supercapacitor)或混合电池/超级电容器，利用电池电极和超级电容器电极的组合。例如，混合碳-铅能量存储装置采用铅酸电池正电极(阴极)和超电容器(ultracapacitor)负电极(阳极)。此类装置包括一组独特的特征，这些特征包括长循环寿命、增加的功率、快速再充电能力以及宽范围的温度可操作性。
[0007]常规的铅酸能量存储装置可能具有有限的有效寿命和功率性能。采用碳亦或铅酸电极(但在同一电极不采用它们的组合)的混合能量存储装置可以提供一些相对于常规铅酸装置的改进和优点；但是，它们的有效寿命、能量容量和功率性能同样有限。例如，在多次充电/放电循环之后，铅基正电极经常由于活性二氧化铅膏从集电体栅格脱落而失效。在多次充电/放电循环时，这些装置的阳极同样受损，这是因为放电硫酸铅晶体尺寸增大并且引起负电极板的“致密化”，这导致充电接受能力降低以及容量损失。认为这种电极失效归因于这些装置中所采用的碳材料中的杂质所引起的二级和三级副反应。此外，电极的低表面积以及相对高的离子迁移距离限制了这些装置的功率性能。
[0008]传统的观点是，这种能量存储装置、特别是以商业数量制造的那些要求当电极被放置到用于该能量存储装置的壳体中时这些电极的显著压缩。此外，由于在此所讨论的种类的超级电容器能量存储装置包括铅基正电极连同碳基负电极，并且铅基正电极由铅酸电池领域是已知的，已经对改进的负电极的开发给予了相当大的关注。
[0009]超电容器能量存储装置的正电极有效地定义了该装置的使用寿命。负电极通常不会磨损；但在另一方面，正如铅酸蓄电池一样，超电容器能量存储装置的铅基正电极典型地将会首先失效。那些失效总体上是由于在充电和放电循环过程中的剥落和尺寸变化劣化导致活性二氧化铅膏从集电体栅格脱落而损失的结果。
[0010]尽管已经认识到对于在混合铅-碳能量存储装置中使用的改进的碳材料的需要，此类碳材料还尚待开发。因此，在本领域中对于在混合铅-碳电能存储装置中使用的改进的电极材料，以及对于用于制备它们的方法和含有它们的装置继续存在一种需要。本发明实现了这些需求并且提供了进一步的相关优势。
[0011] 简要概述[0012]总体而言，本发明是针对采用碳颗粒和铅颗粒的物理共混物的用于能量存储和分配的组合物以及装置。铅与碳材料的这些共混物展现出适合于在混合碳-铅能量存储装置中使用的所希望的电化学特性。这些碳颗粒可以是任何适合的碳材料。例如，在一些实施例中，这些碳颗粒是活化的碳(activated carbon)颗粒,并且在其他实施例中,这些碳颗粒是超纯的。在其他实施例中，这些碳颗粒包含大于IOOOppm的总PIXE杂质含量(即“非超纯的”)。该碳材料还可以包括某些添加剂。例如，在一些实施例中，这些碳颗粒包括一种浸溃在碳的孔内或碳的表面上的铅材料(例如铅氧化物)。
[0013]因此，在一个实施例中，本发明提供了一种包含多个碳颗粒以及多个铅颗粒的共混物。
[0014]在其他实施例中，本发明提供了一种包含碳和铅的共混物，其中如由质子诱发X射线发射所测量的，该共混物包含小于500ppm的具有范围从11至92的原子序数的所有元素(不包括铅)的总杂质含量。
[0015]在另一个实施例中，本发明是针对一种包含多个碳颗粒以及多个铅颗粒的共混物，其中这些碳颗粒在碳颗粒的孔结构内或表面上包含铅。
[0016]在还有其他实施例中，本发明提供了 一种电能存储装置，该装置包括在此所披露的这些共混物之任何一种。例如，在一些实施例中，该装置是一种电池，该电池包括:
[0017]a)至少一个正电极，该正电极包含与一个第一集电体电接触的一种第一活性材料；
[0018]b)至少一个负电极，该负电极包含与一个第二集电体电接触的一种第二活性材料；以及
[0019]c) 一种电解质；
[0020]其中该正电极和该负电极由一个惰性多孔隔板分离，并且其中该第一或第二活性材料的至少一个包含根据本披露的共混物。
[0021]还提供了包含这些碳-铅共混物的负极活性材料。而且，还提供了包含该负极活性材料的能量存储装置。此外，还提供了使用这些新颖的组合物和装置的方法。
[0022]本发明的这些和其他方面通过参考以下的详细描述将变得清楚。为此，在此提出了更详细地描述某些背景信息、程序、化合物和/或组合物的各种参考文献，并且各自以其全文通过引用结合在此。
[0023]附图简要说明
[0024]在这些图中，相同的参考号标识相似的元件。在这些图中的元件的尺寸和相对位置不必按比例绘制并且这些元件中的某些被任意地放大和放置以改善图的易识别性。此夕卜，如所绘制的这些元件的特定形状并非旨在传达关于特定元件的实际形状的任何信息，并且仅仅已被选定来便于在图中识别。
[0025]图1描绘了一个示例性的能量存储装置的示意图。
[0026]图2呈现了不同碳样品的碳电容。
[0027]图3示出了微孔活化的碳的氮吸附等温线。
[0028]图4呈现了微孔碳的DFT孔体积分布。
[0029]图5描绘了介孔活化的碳的DFT孔体积分布。
[0030]图6示出了在浸溃乙酸铅之前(空心圆)和之后(实心菱形)，介孔碳的DFT孔体积分布。
[0031]图7是介孔碳材料的孔径分布。
[0032]图8示出了作为碳涂布的铅电极的涂布体积的函数的碳质量。
[0033]图9是一个示出了具有各种孔体积的活化和未活化的碳的吸水量的曲线图。
[0034]图10显示了不同碳颗粒的水增重。
[0035]图11示出了各种碳样品的表面积与重量比电容之间的关系。
[0036]图12是一个示出了电容与碳-铅共混物的比表面积的图。
[0037]图13描绘了包含碳-铅共混物的膏的密度与膏中溶剂与固体的比例的关系。
[0038]图14示出了不同碳样品的润湿性。
[0039]图15是一个示出了不同碳样品的孔体积增量的曲线图。
[0040]图16说明了硫酸溶液的摩尔浓度相对于活化的和预活化的碳样品的pH的变化。
[0041]详细说明
[0042]在下面的描述中，提出了某些具体细节以提供对各种实施例的充分理解。然而，本领域的普通技术人员将理解本发明可以在没有这些细节的情况下实施。在其他情况下，未将众所周知的结构示出或详细描述以避免不必要地使实施例描述变得含糊。除非上下文另有要求，在整个说明书和随后的权利要求书中，词语“包含”及其变化形式，如“包含(comprises)”和“包含(comprising)”应被解释为开放式、包含性的含义，即，解释为“包括，但不限于”。此外，在此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或含义。
[0043]在整个本说明书中提及“一个(one)实施例”或“一个(an)实施例”是指与该实施例有关所描述的特定特点、结构或特征包括在至少一个实施例中。因此，在整个本说明书的不同地方出现的短语“在一个(one)实施例中”或“在一个(an)实施例中”不必全部涉及同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，这些特定特点、结构或特征能够以任何适合的方式进行组合。并且，如在本说明书和随附的权利要求中所用的，单数形式“一个/种(a/an)”以及“该(the)”包括复数指示物，除非该内容清楚地另外指明。还应当指出的是，术语“或”通常以其包含“和/或”的含义而使用，除非上下文清楚地另外指明。
[0044]定义
[0045]如在此所用的，并且除非上下文另外指明，以下术语具有如下规定的含义。
[0046]“碳材料”指的是一种实质上包含碳的材料或物质。碳材料包括超纯的以及无定形的和结晶的碳材料。碳材料的实例包括但不限于，活化的碳、热解的干燥聚合物凝胶、热解的聚合物冷冻凝胶、热解的聚合物干凝胶、热解的聚合物气凝胶、活化的干燥聚合物凝胶、活化的聚合物冷冻凝胶、活化的聚合物干凝胶、活化的聚合物气凝胶、以及类似物。
[0047]“无定形的”指的是例如无定形碳材料的一种材料，其组成原子、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/或活化的碳材料通常是无定形的。
[0048]“结晶的”指的是其组成原子、分子、或离子以有序重复模式进行安排的材料。结晶碳材料的实例包括但不限于金刚石以及石墨烯。
[0049]“合成的”指的是一种通过化学手段制备的而非天然来源的物质。例如，合成的碳材料是从前体材料合成而不是从天然来源分离的碳材料。[0050]“杂质”或“杂质元素”指的是在材料内的所不希望的外来物质(例如，化学元素)，其不同于基体材料的化学组成。例如，碳材料中的杂质指的是该碳材料中存在的除碳之外的任何元素或元素的组合。杂质水平典型地以每百万份数(ppm)来表示。
[0051]“PIXE杂质”或“PIXE元素”是具有范围从11至92的原子序数的任何杂质元素(即，从钠到铀)。短语“总PIXE杂质含量”和“总PIXE杂质水平”都指的是样品(例如聚合物凝胶或碳材料)中存在的所有PIXE杂质的总和。电化学改性剂不被认为是PIXE杂质，这是因为它们是碳材料的所希望的组分。例如，在一些实施例中，有意地向碳材料中加入元素(例如铅)，并且该元素将不被认为是PIXE杂质，而在其他实施例中，同样的元素可能不是所希望的，并且如果存在于碳材料中，将被认为是PIXE杂质。PIXE杂质浓度和个性特征(identity)可由质子诱发χ射线发射(PIXE)来测定。
[0052]“超纯的”指的是总PIXE杂质含量小于0.010%的物质。例如，“超纯碳材料”是总PIXE杂质含量小于0.010% (即IOOOppm)的碳材料。
[0053]“灰分含量”指的是在物质经过高分解温度之后残留的非挥发性无机物。在此，由如通过质子诱发χ射线发射所测量的总PIXE杂质含量计算碳材料的灰分含量，假设非挥发性元素完全转化为期望的燃烧产物(即，氧化物)。
[0054]“聚合物”指的是包含两种或多种结构重复单元的大分子。
[0055]“合成聚合物前体材料”或“聚合物前体”指的是在合成聚合物的制备中使用的化合物。能用于在此所披露的某些制备实施例中的聚合物前体的实例包括但不限于，醛类(即,HC(=0)R,其中R是一个有机基团)，例如甲醒(methanal)(甲醒(formaldehyde))、乙醒(ethanal)(乙醒(acetaldehyde))、丙醒(propanal)(丙醒(propionaldehyde))、丁醒(butanal) (丁醒(butyraldehyde))、葡萄糖、苯甲醒以及肉桂醒。其他示例性的聚合物前体包括但不限于酚类化合物，例如苯酚以及多羟基苯类，诸如二羟基苯或三羟基苯，例如间苯二酚(即1，3-二羟基苯)、邻苯二酚、对苯二酚、以及间苯三酚。两种或更多种多羟基苯的混合物也认为在聚合物前体的含义内。
[0056]“单块的”指的是在性质上不为颗粒状的固态、三维结构。
[0057]“溶胶”指的是前体颗粒(例如，聚合物前体)的胶体悬浮液，并且术语“凝胶”指的是由前体颗粒的缩合或反应获得的湿的三维多孔网络。
[0058]“聚合物凝胶”指的是其中网络成分为聚合物的凝胶；通常聚合物凝胶是包含由合成前体或聚合物前体形成的聚合物的湿(水性或非水性基)三维结构。
[0059]“溶胶凝胶”指的是聚合物凝胶的子类，其中该聚合物是一种胶体悬浮液，该胶体悬浮液形成一种通过聚合物前体的反应获得的湿的三维多孔网络。
[0060]“聚合物水凝胶”或“水凝胶”指的是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与一种或多种水混溶性的溶剂的混合物。
[0061]“碳水凝胶”指的是水凝胶的子类，其中合成聚合物前体在性质上主要是有机的。
[0062]“RF聚合物水凝胶”指的是聚合物凝胶的子类，其中在水或水与一种或多种水混溶性的溶剂的混合物中，由间苯二酚与甲醛的催化反应形成该聚合物。
[0063]“酸”指的是能够降低溶液pH的任何物质。酸类包括阿伦尼乌斯酸、布朗斯台德酸以及路易斯酸。“固体酸”指的是当溶解于溶剂中时能产生酸性的溶液的干燥或粒状化合物。术语“酸性的”意味着具有酸的特性。[0064]“碱”指的是能够升高溶液pH的任何物质。碱类包括阿伦尼乌斯碱、布朗斯台德碱以及路易斯碱。“固体碱”指的是当溶解于溶剂中时能产生碱性的溶液的干燥或粒状化合物。术语“碱性的”意思是具有碱的特性。
[0065]“混合的溶剂体系”指的是包含两种或更更多种溶剂(例如两种或更多种可混溶性溶齐?)的溶剂体系。二元溶剂体系(即，含有两种溶剂)的实例包括但不限于:水和乙酸；7jc和甲酸；水和丙酸；水和丁酸等。三元溶剂体系(即，含有三种溶剂)的实例包括但不限于:水、乙酸、和乙醇；水、乙酸和丙酮；水、乙酸、和甲酸冰、乙酸、和丙酸；等。本发明考虑了所有包含两种或更多种溶剂的混合溶剂体系。
[0066]“可混溶的”指的是混合物的特性，其中该混合物在温度、压力、以及组成的一定范围内形成单相。
[0067]“催化剂”是一种改变化学反应速率的物质。催化剂以循环方式参与反应，以使催化剂循环再生。本披露考虑了无钠的催化剂。如在此所描述的超纯聚合物凝胶的制备中所使用的催化剂可以 是促进聚合物前体的聚合以形成超纯聚合物凝胶的任何化合物。“挥发性催化剂”为在大气压力下或低于大气压力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，如碳酸氢铵、碳酸铵、氢氧化铵、以及其组合。通常这类催化剂在10:1至2000:1的酚类化合物:催化剂的摩尔比范围内使用。典型地，这类催化剂可以在20:1至200:1的酚类化合物:催化剂的摩尔比范围内使用。例如，这类催化剂可以在25:1至100:1的酚类化合物:催化剂的摩尔比范围内使用。
[0068]“溶剂”指的是溶解或悬浮反应物(例如，超纯聚合物前体)并且提供反应可在其中发生的介质的物质。在此所披露的凝胶、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的制备中可用的溶剂的实例包括但不限于水、醇类及其混合物。示例性的醇类包括乙醇、叔丁醇、甲醇及其混合物。这类溶剂可用于溶解合成的超纯聚合物前体材料，例如溶解酚类化合物或醛化合物。此外，在一些方法中，采用这类溶剂来在聚合物水凝胶中进行溶剂交换(在冷冻和干燥之前)，其中将来自前体(例如间苯二酚和甲醒)的聚合的溶剂交换为一种纯的醇。在本申请的一个实施例中，通过不包括溶剂交换的方法制备冷冻凝胶。
[0069]“干燥凝胶”或“干燥聚合物凝胶”分别指的是已经实质上从其中除去溶剂的凝胶或聚合物凝胶，该溶剂通常为水、或水与一种或多种水混溶性的溶剂的混合物。
[0070]“热解的干燥聚合物凝胶”指的是已热解但还未活化的干燥聚合物凝胶，而“活化的干燥聚合物凝胶”指的是已经活化的干燥聚合物凝胶。
[0071]“冷冻凝胶”指的是已经通过冷冻干燥进行干燥的干燥凝胶。
[0072]“RF冷冻凝胶”指的是已通过冷冻干燥进行干燥的干燥凝胶，其中该凝胶是由间苯二酚和甲醛的催化反应形成的。
[0073]“热解的冷冻凝胶”是已热解但还未活化的冷冻凝胶。
[0074]“活化的冷冻凝胶”是已被活化以获得活化的碳材料的冷冻凝胶。
[0075]“干凝胶”指的是例如在大气压力下或低于大气压力下，已通过空气干燥进行干燥的干燥凝胶。
[0076]“热解的干凝胶”是已热解但还未活化的干凝胶。
[0077]“活化的干凝胶”是已被活化以获得活化的碳材料的干凝胶。
[0078]“气凝胶”指的是已通过超临界干燥(例如使用超临界二氧化碳)进行干燥的干燥凝胶。
[0079]“热解的气凝胶”是已热解但还未活化的气凝胶。
[0080]“活化的气凝胶”是已被活化以获得活化的碳材料的气凝胶。
[0081]“活化(activate)”和“活化作用(activation)”各自指的是当暴露于氧化气氛(例如，二氧化碳、氧气、蒸汽或其组合)时，在活化停留温度下对原材料或碳化/热解的物质进行加热以生成“活化的”物质(例如，活化的冷冻凝胶或活化的碳材料)的过程。该活化过程通常导致颗粒表面的剥离，导致表面积增加。作为替代方案，活化作用可以通过化学手段实现，例如通过以化学品(例如诸如磷酸的酸类，或诸如氢氧化钾、氢氧化钠的碱类，或诸如氯化锌的盐类)浸溃含碳的前体材料，然后进行碳化。“活化的”指的是已经经过活化过程的材料或物质，例如碳材料。
[0082]“碳化(carbonizing)”、“热解(pyroIyzing)”、“碳化作用(carbonization)” 和“热解作用(pyrolysis)”各自指的是以下过程:在惰性气氛(例如，氩气、氮气或其组合)中或真空中在热解停留温度下对含碳的物质进行加热以使在过程结束时所收集的目标材料主要为碳。“热解的”指的是已经经过热解过程的材料或物质，例如碳材料。
[0083]“停留温度”指的是在一部分过程期间被保留以维持相对恒定温度(即，既不升高也不降低温度)的炉温。例如，热解停留温度指的是在热解过程中相对恒定的炉温，并且活化停留温度指的是在活化过程中相对恒定的炉温。
[0084]“孔”指的是表面中的开口或凹陷，或者碳材料中的通道，该材料是例如像活化的碳、热解的干燥聚合物凝胶、热解的聚合物冷冻凝胶、热解的聚合物干凝胶、热解的聚合物气凝胶、活化的干燥聚合物凝胶、活化的聚合物冷冻凝胶、活化的聚合物干凝胶、活化的聚合物气凝胶等。孔在贯穿结构的连续网络中可以为单独的通道或与其他通道连通。
[0085]“孔结构”指的是在碳材料(诸如活化的碳材料)内的内部孔的表面的布局(layout)。孔结构的组分包括孔径、孔体积、表面积、密度、孔径分布和孔长度。通常，活化的碳材料的孔结构包含微孔和介孔。
[0086]“介孔”通常指的是具有约2纳米与约50纳米之间的直径的孔，而术语“微孔”指的是具有小于约2纳米的直径的孔。介孔碳材料包含大于它们的总孔体积的50%的介孔，而微孔碳材料包含大于它们的总孔体积的50%的微孔。
[0087]“表面积”指的是通过BET技术测量的物质的总比表面积。表面积典型地以m2/g的单位表示。BET (Brunauer/Emmett/Teller)技术采用惰性气体(例如氮气)来测量在材料上吸附的气体量，并且通常在本领域中用来确定材料的可及表面积。
[0088]当关于介孔和微孔使用时，“连通的”指的是这类孔的空间定位。
[0089]“有效长度”指的是具有足够直径以使其可用于从电解质接收盐离子的孔的长度部分。
[0090]“电极”指的是电进入或离开目标、物质或区域所通过的导体。
[0091]“粘合剂”指的是能够将物质(例如，碳材料)的单独颗粒保持在一起的材料，以便在将粘合剂和这些颗粒混合在一起之后所生成的混合物能成形为片、球粒、盘或其他形状。粘合剂的非排他性实例包括氟聚合物类，例如像PTFE (聚四氟乙烯，又称为特氟纶)、PFA(全氟烷氧基聚合物树脂，又称为特氟纶)、FEP (氟化乙烯丙烯，又称为特氟纶)、ETFE (聚乙烯四氟乙烯，以Tefzel和Fluon出售)、PVF (聚氟乙烯，以Tedlar出售)、ECTFE (聚乙烯氯三氟乙烯，以Halar出售)、PVDF (聚偏二氟乙烯，以Kynar出售)、PCTFE (聚氯三氟乙烯，以Kel-F和CTFE出售)、三氟乙醇以及其组合。
[0092]“膨胀剂”指的是用于调节一种碳-铅共混物的电化学和物理特性的添加剂。膨胀剂可以包括在包含碳-铅共混物的电极中。适合的膨胀剂是本领域已知的，并且可从商业来源如美国哈蒙德膨胀剂公司(Hammond Expanders)购得的。
[0093]“惰性的”指的是在电能存储装置的电解质中不活跃的材料，也就是说，该材料不吸附显著量的离子或在化学上发生变化，例如降解。
[0094]“导电的”指的是材料通过传送松散保持的价电子而传导电子的能力。
[0095]“集电体”指的是电能存储和/或分配装置的一个部件，该部件提供电连接以方便电流流入或流出该装置。集电体通常包含金属和/或其他导电材料，并可以用作电极的衬底以方便电流流入或流出该电极。
[0096]“电解质”是指含有游离离子以使其导电的物质。在电能存储装置中通常采用电解质。电解质的实例包括但不限于硫酸。
[0097]“元素形式”指的是氧化态为零的化学元素(例如，金属铅)。
[0098]“氧化形式”指的是具有大于零的氧化态的化学元素。
[0099]“总孔体积”指的是单点氮吸附。
[0100]“DFT孔体积”指的是通过密度泛函理论从氮吸附数据计算出的一定孔径范围内的孔体积。
[0101 ] A.碳颗粒和铅颗粒的共混物
[0102]本披露针对包含多个碳颗粒(即包含碳的颗粒)以及多个铅颗粒(即包含铅的颗粒)的共混物。在某些实施例中，这些共混物是由将多个碳颗粒和多个铅颗粒进行物理混合所获得的，并且因而具有与在碳孔内或碳表面上等包含铅的碳材料不同的特性。因此，在一些实施例中，这些共混物包含相异的碳颗粒和相异的铅颗粒。这些共混物的特性特别适合于所披露的混合能量存储装置，并且这些特性可以通过改变如以下所讨论的几个参数中的任何一个进行优化。例如，碳颗粒(例如超纯的或非超纯的)的纯度、碳颗粒的孔径分布以及碳颗粒在共混物中的相对量只是可以改变并且优化以获得所希望的电化学特性的几个参数。
[0103]所披露的共混物包含多个碳颗粒以及多个铅颗粒。碳颗粒占碳颗粒与铅颗粒的总质量的百分比的质量百分数可以从0.01%至99.9%变化。在其他各种实施例中，碳颗粒占碳颗粒与铅颗粒的总质量的百分比的质量百分数的范围为从0.01%至20%，例如从0.1%至10%或从1.0%至2.0%。在其他实施例中，碳颗粒占碳颗粒与铅颗粒的总质量的百分比的质量百分数的范围为从0.01%至2%，例如从0.5%至2.5%或从0.75%至2.25%。在一些其他实施例中，碳颗粒占碳颗粒与铅颗粒的总质量的百分比的质量百分数的范围为从0.9%至
1.1%，从 1.1% 至 1.3%,从 1.3% 至 1.5%,从 1.5% 至 1.7%,从 1.7% 至 1.9%,或从 1.9% 至 2.1%。在一些实施例中，碳颗粒占碳颗粒与铅颗粒的总质量的百分比的质量百分数为约50%。
[0104]作为替代方案，在其他实施例中，碳颗粒占碳颗粒与铅颗粒的总质量的百分比的质量百分数的范围为从0.1%至50%，从0.1%至10%，从1%至10%，从1%至5%，或从1%至3%。在还有其他实施例中，碳颗粒占碳颗粒与铅颗粒的总质量的百分比的质量百分数的范围为从50%至99.9%,从90%至99.9%,或从90%至99%。[0105]碳颗粒占碳颗粒与铅颗粒的总体积的百分比的体积百分数可以从0.1%至99.9%变化。在各种实施例中，碳颗粒占碳颗粒与铅颗粒的总体积的百分比的体积百分数的范围为从1%至99%，从2%至99%，从3%至99%，从4%至99%，从5%至99%，从6%至99%，从7%至99%,从 8% 至 99%，从 9% 至 99%，从 10% 至 90%，从 20% 至 80%，从 20% 至 40%，从 1% 至 20%，从40%至80%，或从40%至60%。在某一实施例中，碳颗粒占碳颗粒与铅颗粒的总体积的百分比的体积百分数为约50%。
[0106]在其他替代性实施例中，碳颗粒占碳颗粒与铅颗粒的总体积的百分比的体积百分数的范围为从0.1%至50%，从0.1%至10%，或从1%至10%。在其他实施例中，碳颗粒占碳颗粒与铅颗粒的总体积的百分比的体积百分数的范围为从50%至99.9%，从90%至99.9%，或从 90% 至 99%。
[0107]碳颗粒占碳颗粒与铅颗粒的总表面积的百分比的表面积百分数也可以变化，例如从0.1%至99.9%。在一些实施例中，碳颗粒占碳颗粒与铅颗粒的总表面积的百分比的表面积百分数的范围为从1%至99%，从10%至90%，从20%至80%，或从40%至60%。在另一个实施例中，碳颗粒占碳颗粒与铅颗粒的总表面积的百分比的表面积百分数为约50%。
[0108]在相关实施例中，碳颗粒占碳颗粒与铅颗粒的总表面积的百分比的表面积百分数的范围为从0.1%至50%，从0.1%至10%，或从1%至10%。在其他实施例中，碳颗粒占碳颗粒与铅颗粒的总表面积的百分比的表面积百分数的范围为从80%至100%，例如从80%至99.9%、从80%至99%、从85%至99%、或从90%至99%，例如，在一些实施例中，碳颗粒占碳颗粒与铅颗粒的总表面积的百分比的表面积百分数的范围为从90%至92%，从92%，从92%至94%，从94%至96%，从96%至98%，或从93%至99%、或甚至到99.9%。作为替代方案，碳颗粒占碳颗粒与铅颗粒的总表面积的百分比的表面积百分数的范围为从50%至99.9%，从90%至99.9%,或从 90% 至 99%ο
[0109]位于小于20埃的孔内的碳颗粒表面积占位于小于20埃的孔内的碳颗粒与铅颗粒的总表面积的百分比可以从0.1%至99.9%变化。在一些实施例中，位于小于20埃的孔内的碳颗粒表面积占位于小于20埃的孔内的碳颗粒与铅颗粒的总表面积的百分比的范围为从1%至99%，从10%至90%，从20%至80%，从20%至60%，或从40%至60%。在另一个实施例中，位于小于20埃的孔内的碳颗粒表面积占位于小于20埃的孔内的碳颗粒与铅颗粒的总表面积的百分比为约50%。
[0110]在其他相关的实施例中，位于小于20埃的孔内的碳颗粒表面积占位于小于20埃的孔内的碳颗粒与铅颗粒的总表面积的百分比的范围为从0.1%至50%，0.1%至10%，或从1%至10%。作为替代方案，位于小于20埃的孔内的碳颗粒表面积占位于小于20埃的孔内的碳颗粒与铅颗粒的总表面积的百分比的范围为从50%至99.9%，从90%至99.9%，或从90%至 99%。
[0111]在另一个实施例中，位于大于20埃的孔内的碳颗粒表面积占位于大于20埃的孔内的碳颗粒与铅颗粒的总表面积的百分比的范围为从0.1%至99.9%。例如，在各种实施例中，位于大于20埃的孔内的碳颗粒表面积占位于大于20埃的孔内的碳颗粒与铅颗粒的总表面积的百分比的范围为从1%至99%，从10%至90%，从20%至80%，或从40%至6%。在某一实施例中，位于大于20埃的孔内的碳颗粒表面积占位于大于20埃的孔内的碳颗粒与铅颗粒的总表面积的百分比的范围为约50%。[0112]作为替代方案，在一个不同的实施例中，位于大于20埃的孔内的碳颗粒表面积占位于大于20埃的孔内的碳颗粒与铅颗粒的总表面积的百分比的范围为从0.1%至50%。例如，在一些实施例中，位于大于20埃的孔内的碳颗粒表面积占位于大于20埃的孔内的碳颗粒与铅颗粒的总表面积的百分比的范围为从0.1%至10%，或从1%至10%。在另一个实施例中，位于大于20埃的孔内的碳颗粒表面积占位于大于20埃的孔内的碳颗粒与铅颗粒的总表面积的百分比的范围为从50%至99.9%,从90%至99.9%,或从90%至99%。
[0113]在一些实施例中，碳颗粒的体积平均粒径与铅颗粒的体积平均粒径相比的范围为从0.000001:1至100000:1。例如，在一些实施例中，碳颗粒的体积平均粒径与铅颗粒的体积平均粒径相比的范围为从0.0001:1至10000:1，从0.001:1至1000:1，从0.01:1至100:1，从 0.01:1 至 10:1，从 0.1:1 至 2:1，从 0.1:1 至 10:1 或从 1:1 至 1000:1。在一个实施例中，碳颗粒的体积平均粒径与铅颗粒的体积平均粒径相比为约1:1。
[0114]在某些实施例中，颗粒的组合物包含多于一种的碳颗粒种群和/或多于一种的铅颗粒种群。不同种群相对于多种物理-化学属性(例如粒径、介孔或微孔孔隙度、表面官能度等)可以有所不同。例如，在一些实施例中，该共混物包含多峰碳粒径分布和铅颗粒。例如，这些碳颗粒可以包含两种尺寸模式。例如，在一些实施例中，两种尺寸模式之间的比例范围为从0.000001:1至100000:1，例如在一个实施例中，两种尺寸模式之间的比例为约
0.001:1。
[0115]这些铅颗粒可以是包含铅的任何类型的颗粒。例如，这些铅颗粒可以包含元素铅、氧化的铅和/或铅盐。在某些实施例中，这些铅颗粒包含氧化铅(II)、氧化铅(IV)、乙酸铅、碳酸铅、硫酸铅、正砷酸铅、焦砷酸铅、溴化铅、癸酸铅、己酸铅、辛酸铅、氯酸铅、氯化铅、氟化铅、硝酸铅、氯氧化铅、硫酸正磷酸铅、铬酸铅、碱性铬酸铅、亚铁酸铅(lead ferrite)、硫化铅、钨酸铅或其组合。
[0116]碳-铅共混物的电容取决于碳和铅颗粒的物理化学特性而变化。在某些实施例中，这些碳-铅共混物的电容为大于每g共混物中碳颗粒500F，大于每g共混物中碳颗粒450F,大于每g共混物中碳颗粒400F，大于每g共混物中碳颗粒350F，大于每g共混物中碳颗粒300F，大于每g共混物中碳颗粒250F，大于每g共混物中碳颗粒200F，或甚至大于每g共混物中碳颗粒150F。在前述某些实施例中，电容是在硫酸电解质中测量的。例如，在一些实施例中，电容是基于在范围从0.lA/g碳至ΙΟΑ/g碳(例如lA/g)的对称的电流密度下到
0.9V和OV的恒电流充/放电曲线(profile)的放电数据来测量的(参见例如实例28)。
[0117]在还有其他实施例中，这些碳-铅共混物的电容是基于共混物的表面积测量的。因此，在某些实施例中，这些碳-铅共混物包含大于2.0F/m2、大于1.75F/m2、大于1.50F/m2、大于 1.25F/m2、大于 1.0F/m2、大于 0.75F/m2、大于 0.5F/m2、大于 0.25F/m2、大于 0.lF/m2、或甚至大于0.01F/m2的电容。在前述某些实施例中，电容是在硫酸电解质中测量的。例如，在一些实施例中，电容是基于在范围从0.lA/g碳至10A/g碳的对称的电流密度下到0.9V和OV的恒电流充/放电曲线的放电数据来测量的(参见例如实例28)。本领域普通技术人员将理解如何确定碳-铅共混物的F/m2，例如F/m2值可以通过实验确定F/g并且使用碳_铅组合物(例如膏)的密度来将此值转换为F/m2而计算出。
[0118]在此所描述的共混物还能够以组合物的形式提供，该组合物包含该共混物以及一种溶剂(例如电解质)、粘合剂、和膨胀剂或其组合。在某些实施例中，这些组合物是以膏的形式。这些组合物可以通过将碳颗粒、铅颗粒与溶剂(例如电解质)、粘合剂、膨胀剂或其组合进行混合来制备。该组合物的密度从约2.0g/cc至约8g/cc、从约3.0g/cc至约7.0g/cc、或从约4.0g/cc至约6.0g/cc变化。在还有其他实施例中，组合物的密度为从约3.5g/cc 至约 4.0g/cc,从约 4.0g/cc 至约 4.5g/cc,从约 4.5g/cc 至约 5.0g/cc,从约 5.0g/cc 至约 5.5g/cc,从约 5.5g/cc 至约 6.0g/cc,从约 6.0g/cc 至约 6.5g/cc,或从约 6.5g/cc 至约
7.0g/cc。
[0119]这些碳-铅共混物的纯度对其电化学性能起作用。在这方面，纯度是通过PIXE分析确定的并且相对于该共混物的PIXE杂质不包括任何铅含量。在一些实施例中，该共混物包含小于500ppm的元素(不包括任何铅)的总PIXE杂质含量和小于0.08%的灰分含量(不包括任何铅)。在另外的实施例中，该共混物包含小于300ppm的所有其他元素的总PIXE杂质含量和小于0.05%的灰分含量。在其他另外的实施例中，该共混物包含小于200ppm的所有其他元素的总PIXE杂质含量和小于0.05%的灰分含量。在其他另外的实施例中，该共混物包含小于200ppm的所有其他元素的总PIXE杂质含量和小于0.025%的灰分含量。在其他另外的实施例中，该共混物包含小于IOOppm的所有其他元素的总PIXE杂质含量和小于
0.02%的灰分含量。在其他另外的实施例中，该共混物包含小于50ppm的所有其他元素的总PIXE杂质含量和小于0.01%的灰分含量。
[0120]存在于所披露的共混物中的单独的PIXE杂质的量可通过质子诱发X射线发射来测定。单独的PIXE杂质能够以不同的方式对所披露的碳材料的整体电化学性能起作用。因此，在一些实施例中，钠存在于该共混物中的水平为小于lOOOppm，小于500ppm，小于lOOppm，小于50ppm，小于lOppm，或小于lppm。在一些实施例中，镁存在于该共混物中的水平为小于IOOOppm,小于IOOppm,小于50ppm,小于IOppm,或小于lppm。在一些实施例中，铝存在于该共混物中的水平为小于lOOOppm，小于lOOppm，小于50ppm，小于lOppm，或小于lppm。在一些实施例中，硅存在于该共混物中的水平为小于500ppm，小于300ppm，小于IOOppm,小于50ppm,小于20ppm,小于IOppm,或小于lppm。在一些实施例中，磷存在于该共混物中的水平为小于lOOOppm，小于lOOppm，小于50ppm，小于lOppm，或小于lppm。在一些实施例中，硫存在于该共混物中的水平为小于lOOOppm，小于lOOppm，小于50ppm，小于30ppm，小于lOppm，小于5ppm，或小于lppm。在一些实施例中，氯存在于该共混物中的水平为小于lOOOppm,小于IOOppm,小于50ppm,小于IOppm,或小于lppm。在一些实施例中，钾存在于该共混物中的水平为小于lOOOppm,小于IOOppm,小于50ppm,小于IOppm,或小于lppm。在其他实施例中，钙存在于该共混物中的水平为小于lOOppm，小于50ppm，小于20ppm，小于lOppm，小于5ppm，或小于lppm。在一些实施例中，铬存在于该共混物中的水平为小于lOOOppm，小于IOOppm,小于50ppm,小于IOppm,小于5ppm,小于4ppm,小于3ppm,小于2ppm或小于Ippm0在其他实施例中，铁存在于该共混物中的水平为小于50ppm，小于20ppm，小于lOppm，小于5ppm,小于4ppm,小于3ppm,小于2ppm,或小于lppm。在其他实施例中，镍存在于该共混物中的水平为小于20ppm,小于IOppm,小于5ppm,小于4ppm,小于3ppm,小于2ppm,或小于lppm。在一些其他实施例中，铜存在于该共混物中的水平为小于140ppm，小于lOOppm，小于40ppm,小于20ppm,小于IOppm,小于5ppm,小于4ppm,小于3ppm,小于2ppm,或小于lppm。在又其他实施例中，锌存在于该共混物中的水平为小于20ppm，小于lOppm，小于5ppm，小于2ppm或小于lppm。在又其他实施例中，存在于该共混物中的所有其他PIXE杂质(不包括铅)的总和为小于lOOOppm,小于500ppm,小于300ppm,小于200ppm,小于IOOppm,小于50ppm,小于25ppm,小于IOppm,或小于lppm。如上所指出，在一些实施例中，其他杂质(如氢、氧和/或氮)可以以范围从小于10%至小于0.01%的水平存在。
[0121]在一些实施例中，该共混物包含邻近或低于质子诱发X射线发射分析的检测限的所不希望的PIXE杂质。例如,在一些实施例中，该共混物包含小于50ppm的钠、小于15ppm的镁、小于IOppm的招、小于8ppm的娃、小于4ppm的磷、小于3ppm的硫、小于3ppm的氯、小于2ppm的钾、小于3ppm的I丐、小于2ppm的钪、小于Ippm的钛、小于Ippm的钥;、小于0.5ppm的铬、小于0.5ppm的猛、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的银、小于2ppm的乾、小于3ppm的错、小于2ppm的银、小于4ppm的钥、小于4ppm的锝、小于7ppm的铷、小于6ppm的错、小于6ppm的钮1、小于9ppm的银、小于6ppm的镉、小于6ppm的铟、小于5ppm的锡、小于6ppm的铺、小于6ppm的締、小于5ppm的碘、小于4ppm的铯、小于4ppm的钡、小于3ppm的镧、小于3ppm的铺、小于2ppm镨、小于2ppm的钕、小于1.5ppm的钷、小于Ippm的衫、小于Ippm的错、小于Ippm的礼、小于Ippm的铺、小于Ippm的镝、小于Ippm的钦、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的鹤、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的韦它、小于1.5ppm的秘、小于2ppm的娃、或小于4ppm的铀。
[0122]在一些具体实施例中，如质子诱发X射线发射所测量的，该共混物包含小于IOOppm的钠、小于300ppm的娃、小于50ppm的硫、小于IOOppm的I丐、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。在其他具体实施例中，该共混物包含小于50ppm的钠、小于30ppm的硫、小于IOOppm的娃、小于50ppm的I丐、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。
[0123]在其他具体实施例中，该共混物包含小于50ppm的钠、小于50ppm的娃、小于30ppm的硫、小于IOppm的I丐、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。
[0124]在一些其他具体实施例中，该共混物包含小于IOOppm的钠、小于50ppm的镁、小于50ppm的招、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。
[0125]在其他实施例中，如由质子诱发X射线发射所测量的，该共混物包含小于5ppm的铬、小于IOppm的铁、小于5ppm的镍、小于20ppm的娃、小于5ppm的锌,并且未检测到秘、银、铜、汞、锰、钼、锑以及锡。
[0126]在其他实施例中，如由质子诱发X射线发射所测量的，该共混物包含小于75ppm的秘、小于5ppm的银、小于IOppm的铬、小于30ppm的铜、小于30ppm的铁、小于5ppm的萊、小于5ppm的猛、小于20ppm的镍、小于5ppm的钼、小于IOppm的铺、小于IOOppm的娃、小于IOppm的锡、以及小于IOppm的锌。
[0127]在其他实施例中，如由质子诱发X射线发射所测量的，该共混物包含小于5ppm的铬、IOppm的铁、小于5ppm的镍、小于20ppm的娃、小于5ppm的锌,并且未检测到秘、银、铜、萊、猛、怕、铺以及锡。[0128]本发明的其他实施例包括所披露的碳-铅共混物在电能存储装置中的用途。在一些实施例中，该电能存储装置是一种电池。在其他实施例中，该电能存储装置是在一种微混合、起动-熄火混合、轻度混合的车辆；具有电动涡轮增压的车辆；具有再生制动的车辆；混合动力车辆；一种电动车辆；工业动力(诸如升降叉车)；电动自行车；高尔夫球车；航空航天应用；一种电力存储和分配网；一种太阳能或风力发电系统；一种备用电力系统，如用于便携式军用备用、医院或军事基础设施的紧急备用，和制造备用；或一种蜂窝塔电力系统中。以下更详细地描述了这些电能存储装置。
[0129]B碳颗粒
[0130]这些共混物内的碳颗粒的各种特性可以改变以获得所希望的电化学结果。如上所讨论，已知的是包含含金属和/或金属化合物并具有残留水平的各种杂质(例如钠、氯、镍、铁等)的碳材料的电极具有降低的循环寿命、耐用性以及性能。因此，一个实施例提供了包含多个比其他已知的碳材料显著地更纯的碳颗粒的共混物，并且从而有望改进多种电能存储和/或分配装置的运行。
[0131]在某些实施例中所披露的碳颗粒的高纯度归因于所披露的溶胶-凝胶工艺。诸位 申请人:已经发现，当一种或多种聚合物前体(例如酚类化合物和醛)在挥发性碱性催化剂的存在下在酸性条件下共聚合时，产生了超纯的聚合物凝胶。与此相比之下，其他已报道的用于制备聚合物凝胶的方法产生了包含残留水平的所不希望的杂质的聚合物凝胶。这些超纯的聚合物凝胶可以通过在惰性气氛(例如氮气)中进行加热被热解，以得到含有高表面积和高孔体积的碳颗粒。这些碳材料可以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超纯活化的碳材料。这些碳颗粒是由活化的碳材料，或在某些情况下，由热解但未活化的碳材料制备的。
[0132]在某些实施例中，这些碳颗粒在碳颗粒的孔内或表面上包含铅。因此，这些共混物可以包含多个碳颗粒(包含铅)以及多个铅颗粒。铅可以在溶胶-凝胶工艺的多个阶段并入到碳材料中。例如，铅和/或铅化合物可以在聚合阶段过程中并入聚合物凝胶或并入热解的或活化的碳颗粒中。碳颗粒的独特孔隙率和高表面积提供了电极活性材料与电解质在例如铅/酸电池中的最佳接触。相对于由已知的碳材料制备的电极，由所披露的共混物制备的电极包含改善的有效寿命和功率性能。
[0133]在一些实施例中，这些碳颗粒是一种热解的干燥聚合物凝胶，例如热解的聚合物冷冻凝胶、热解的聚合物干凝胶或热解的聚合物气凝胶。在其他实施例中，这些碳颗粒是活化的(即，合成的活化的碳材料)。例如，在另外的实施例中，这些碳颗粒是一种活化的干燥聚合物凝胶、活化的聚合物冷冻凝胶、活化的聚合物干凝胶或活化的聚合物气凝胶。
[0134]这些碳颗粒可以是任何来源或纯度的。例如，在一些实施例中，这些碳颗粒可以是超纯活化的碳，其中这些碳颗粒包含小于lOOOppm、例如小于500ppm、例如小于200ppm、例如小于lOOppm、例如小于50ppm、或甚至小于IOppm的PIXE杂质。在其他实施例中，该碳具有范围从0.1至IOOOppm的PXIE杂质水平。在其他实施例中，这些碳颗粒具有范围从900至IOOOppm的PIXE杂质水平。在其他实施例中，这些碳颗粒具有范围从800至900ppm的PIXE杂质水平。在其他实施例中，这些碳颗粒具有范围从700至800ppm的PIXE杂质水平。在其他实施例中，这些碳颗粒具有范围从600至700ppm的PIXE杂质水平。在其他实施例中，这些碳颗粒具有范围从500至600ppm的PIXE杂质水平。在其他实施例中，这些碳颗粒具有范围从400至500ppm的PIXE杂质水平。在其他实施例中，这些碳颗粒具有范围从300至400ppm的PIXE杂质水平。在其他实施例中，这些碳颗粒具有范围从200至300ppm的PIXE杂质水平。在其他实施例中，这些碳颗粒具有范围从100至200ppm的PIXE杂质水平。在其他实施例中，这些碳颗粒具有范围从0.1至IOOppm的PIXE杂质水平。在其他实施例中，这些碳颗粒具有范围从0.1至50ppm的PIXE杂质水平。在其他实施例中，这些碳颗粒具有范围从0.1至IOppm的PIXE杂质水平。
[0135]这些碳颗粒也可以是“非超纯的”(即大于IOOppm的PIXE杂质)。例如，在一些实施例中，在非超纯活化的碳中的总杂质水平(如由质子诱发X射线发射所测量的)是在约IOOOppm或更大的范围内，例如2000ppm。非超纯碳的灰分含量是在约0.1%或更大的范围内，例如0.41%。此外，非超纯碳材料可以并入适合于能量存储和分配的装置中，例如并入超电容器中。
[0136]除了与铅颗粒物理共混外，这些碳颗粒也可以包含铅。这产生了含铅的碳颗粒与铅颗粒的共混物。发现这类共混物在此处所描述的混合装置中特别有用。在这方面，这些碳颗粒可以是任何纯度水平的，并且铅可以并入到碳颗粒的孔内和/或碳颗粒的表面上。因此，在一些实施例中，该碳组合物包含多个碳颗粒和多个铅颗粒，其中这些碳颗粒包含铅，例如至少IOOOppm的铅。在前述某些其他实施例中，这些碳颗粒包含铅以及小于500ppm的所有其他PIXE杂质。在一些其他实施例中，这些碳颗粒包含至少0.10%、至少0.25%、至少
0.50%、至少1.0%、至少5.0%、至少10%、至少25%、至少50%、至少75%、至少90%、至少95%、至少99%、或至少99.5%的铅。例如，在一些实施例中，这些碳颗粒包含在0.5%与99.5%之间的活化的碳以及在0.5%与99.5%之间的铅。铅的百分数是在重量百分数基础(wt%)上计算的。
[0137]在此所披露的任何实施例中的铅可以是以多种形式。例如，在一些实施例中，铅是以元素铅、氧化铅(II)、氧化铅(IV)或其组合的形式。在其他实施例中，铅是以乙酸铅、碳酸铅、硫酸铅、正砷酸铅、焦砷酸铅、溴化铅、癸酸铅、己酸铅、辛酸铅、氯酸铅、氯化铅、氟化铅、硝酸铅、氯氧化铅、硫酸正磷酸铅、铬酸铅、碱性铬酸铅、亚铁酸铅、硫化铅、钨酸铅或其组合的形式。也可以考虑其他铅盐。
[0138]在一些实施例中，这些碳颗粒包含至少1，OOOppm的铅。在其他实施例中，该碳材料包含总量小于500ppm,例如小于200ppm、小于lOOppm、小于50ppm、小于25ppm、小于lOppm、小于5ppm、或小于Ippm的原子序数范围从11至92的元素(不包括任何有意添加的铅)。在某些实施例中，铅含量和/或PIXE杂质含量是通过质子诱发X射线发射分析来测量的。
[0139]某些金属元素(如铁、钴、镍、铬、铜、钛、钒以及铼)可能降低包含这些共混物的电极的电性能。因此，在一些实施例中，这些碳颗粒包含低水平的一种或多种这些元素。例如，在某些实施例中，这些碳颗粒包含小于IOOppm的铁,小于50ppm的铁,小于25ppm的铁，小于IOppm的铁,小于5ppm的铁,或小于Ippm的铁。在其他实施例中，这些碳颗粒包含小于IOOppm的钴，小于50ppm的钴，小于25ppm的钴，小于IOppm的钴，小于5ppm的钴,或小于Ippm的钴。在其他实施例中，这些碳颗粒包含小于IOOppm的镍,小于50ppm的镍,小于25ppm的镍,小于IOppm的镍,小于5ppm的镍,或小于Ippm的镍。在其他实施例中，这些碳颗粒包含小于IOOppm的铬,小于50ppm的铬,小于25ppm的铬,小于IOppm的铬,小于5ppm的铬，或小于lppm的铬。在其他实施例中，这些碳颗粒包含小于IOOppm的铜，小于50ppm的铜，小于25ppm的铜，小于IOppm的铜，小于5ppm的铜，或小于Ippm铜。在其他实施例中，这些碳颗粒包含小于IOOppm的钛,小于50ppm的钛,小于25ppm的钛,小于IOppm的钛，小于5ppm钛,或小于Ippm的钛。在其他实施例中，这些碳颗粒包含小于IOOppm的f凡,小于50ppm的f凡，小于25ppm的f凡，小于IOppm的f凡，小于5ppm的f凡,或小于Ippm的f凡。在其他实施例中，这些碳颗粒包含小于IOOppm的铼,小于50ppm的铼,小于25ppm的铼,小于IOppm的铼，小于5ppm的铼，或小于Ippm的铼。
[0140]在其他实施例中，如由质子诱发X射线发射所测量的，这些碳颗粒包含小于5ppm的铬、小于IOppm的铁、小于5ppm的镍、小于20ppm的娃、小于5ppm的锌,并且未检测到秘、银、铜、萊、猛、钼、铺以及锡。
[0141]在其他实施例中，如由质子诱发X射线发射所测量的，这些碳颗粒包含小于75ppm的秘、小于5ppm的银、小于IOppm的铬、小于30ppm的铜、小于30ppm的铁、小于5ppm的萊、小于5ppm的猛、小于20ppm的镍、小于5ppm的钼、小于IOppm的铺、小于IOOppm的娃、小于IOppm的锡、以及小于IOppm的锌。
[0142]在其他实施例中，如由质子诱发X射线发射所测量的，这些碳颗粒包含小于5ppm的铬、IOppm的铁、小于5ppm的镍、小于20ppm的娃、小于5ppm的锌,并且未检测到秘、银、铜、汞、锰、钼、锑以及锡。
[0143]碳颗粒的孔隙率是共混物的电化学性能的重要参数。因此,在一个实施例中，这些碳颗粒包含对小于20埃的孔而言至少0.35cc/g、至少0.30cc/g、至少0.25cc/g、至少
0.20cc/g、至少 0.15cc/g、至少 0.10cc/g、至少 0.05cc/g、或至少 0.0lcc/g 的 DFT 孔体积。在其他实施例中，这些碳颗粒不含任何可测量的孔体积。在其他实施例中，这些碳颗粒包含对大于20埃的孔而言至少4.00cc/g、至少3.75cc/g、至少3.50cc/g、至少3.25cc/g、至少
3.00cc/g、至少 2.75cc/g、至少 2.50cc/g、至少 2.25cc/g、至少 2.00cc/g、至少 1.90cc/g、
1.80cc/g、1.70cc/g、1.60cc/g、1.50cc/g、1.40cc/g、至少 1.30cc/g、至少 1.20cc/g、至少
1.10cc/g、至少 1.00cc/g、至少 0.85cc/g、至少 0.80cc/g、至少 0.75cc/g、至少 0.70cc/g、或至少0.65cc/g的DFT孔体积。
[0144]在其他实施例中，这些碳颗粒包含对范围从20埃至500埃的孔而言至少4.0Occ/g、至少 3.75cc/g、至少 3.50cc/g、至少 3.25cc/g、至少 3.00cc/g、至少 2.75cc/g、至少
2.50cc/g、至少 2.25cc/g、至少 2.00cc/g、至少 1.90cc/g、l.80cc/g、l.70cc/g、l.60cc/g、
1.50cc/g、l.40cc/g、至少 1.30cc/g、至少 1.20cc/g、至少 1.10cc/g、至少 1.00cc/g、至少
0.85cc/g、至少 0.80cc/g、至少 0.75cc/g、至少 0.70cc/g、至少 0.65cc/g、至少 0.60cc/g、至少 0.55cc/g、至少 0.50cc/g、至少 0.45cc/g、至少 0.40cc/g、至少 0.35cc/g、至少 0.30cc/g、至少 0.25cc/g、至少 0.20cc/g、至少 0.15cc/g、或至少 0.lOcc/g 的 DFT 孔体积。
[0145]在其他实施例中，这些碳颗粒包含对范围从20埃至1000埃的孔而言至少4.0Occ/g、至少 3.75cc/g、至少 3.50cc/g、至少 3.25cc/g、至少 3.00cc/g、至少 2.75cc/g、至少
2.50cc/g、至少 2.25cc/g、至少 2.00cc/g、至少 1.90cc/g、l.80cc/g、l.70cc/g、l.60cc/g、
1.50cc/g、l.40cc/g、至少 1.30cc/g、至少 1.20cc/g、至少 1.10cc/g、至少 1.00cc/g、至少
0.85cc/g、至少 0.80cc/g、至少 0.75cc/g、至少 0.70cc/g、至少 0.65cc/g、至少 0.60cc/g、至少 0.55cc/g、至少 0.50cc/g、至少 0.45cc/g、至少 0.40cc/g、至少 0.35cc/g、至少 0.30cc/g、至少 0.25cc/g、至少 0.20cc/g、至少 0.15cc/g、或至少 0.lOcc/g 的 DFT 孔体积。
[0146]在其他实施例中，这些碳颗粒包含对范围从20埃至2000埃的孔而言至少4.0Occ/g、至少 3.75cc/g、至少 3.50cc/g、至少 3.25cc/g、至少 3.00cc/g、至少 2.75cc/g、至少
2.50cc/g、至少 2.25cc/g、至少 2.0Occ/g、至少 1.90cc/g、1.80cc/g、1.70cc/g、1.60cc/g、
1.50cc/g、1.40cc/g、至少 1.30cc/g、至少 1.20cc/g、至少 1.1Occ/g、至少 1.0Occ/g、至少
0.85cc/g、至少 0.80cc/g、至少 0.75cc/g、至少 0.70cc/g、至少 0.65cc/g、至少 0.60cc/g、至少 0.55cc/g、至少 0.50cc/g、至少 0.45cc/g、至少 0.40cc/g、至少 0.35cc/g、至少 0.30cc/g、至少 0.25cc/g、至少 0.20cc/g、至少 0.15cc/g、或至少 0.lOcc/g 的 DFT 孔体积。
[0147]在其他实施例中，这些碳颗粒包含对范围从20埃至5000埃的孔而言至少4.0Occ/g、至少 3.75cc/g、至少 3.50cc/g、至少 3.25cc/g、至少 3.00cc/g、至少 2.75cc/g、至少
2.50cc/g、至少 2.25cc/g、至少 2.0Occ/g、至少 1.90cc/g、1.80cc/g、1.70cc/g、1.60cc/g、
1.50cc/g、1.40cc/g、至少 1.30cc/g、至少 1.20cc/g、至少 1.1Occ/g、至少 1.0Occ/g、至少
0.85cc/g、至少 0.80cc/g、至少 0.75cc/g、至少 0.70cc/g、至少 0.65cc/g、至少 0.60cc/g、至少 0.55cc/g、至少 0.50cc/g、至少 0.45cc/g、至少 0.40cc/g、至少 0.35cc/g、至少 0.30cc/g、至少 0.25cc/g、至少 0.20cc/g、至少 0.15cc/g、或至少 0.lOcc/g 的 DFT 孔体积。
[0148]在又其他实施例中，这些碳颗粒包含至少4.00cc/g、至少3.75cc/g、至少3.50cc/g、至少 3.25cc/g、至少 3.00cc/g、至少 2.75cc/g、至少 2.50cc/g、至少 2.25cc/g、至少 2.00cc/g、至少 1.90cc/g、l.80cc/g、l.70cc/g、l.60cc/g、l.50cc/g、l.40cc/g、至少
1.30cc/g、至少 1.20cc/g、至少 1.1Occ/g、至少 1.0Occ/g、至少 0.85cc/g、至少 0.80cc/g、至少 0.75cc/g、至少 0.70cc/g、至少 0.65cc/g、至少 0.60cc/g、至少 0.55cc/g、至少 0.50cc/g、至少 0.45cc/g、至少 0.40cc/g、至少 0.35cc/g、至少 0.30cc/g、至少 0.25cc/g、至少0.20cc/g、至少0.15cc/g、或至少0.lOcc/g的总DFT孔体积。
[0149]在某些实施例中，提供了具有非常小的微孔隙率(例如，小于30%、小于20%、小于10%、或小于5%的微孔隙率)的介孔碳颗粒。这种碳颗粒的孔体积和表面积在某些实施例中对铅和电解质离子的内含物是有利的。例如，该介孔碳可以是一种已经热解的但未活化的聚合物凝胶。在一些实施例中，该介孔碳包含至少100m2/g、至少200m2/g、至少300m2/g、至少400m2/g、至少500m2/g、至少600m2/g、至少675m2/g、或至少750m2/g的比表面积。在其他实施例中，这些介孔碳颗粒包含至少0.50cc/g、至少0.60cc/g、至少0.70cc/g、至少0.80cc/g、至少0.90cc/g、至少1.0cc/g、或至少1.lcc/g的总孔体积。在又其他实施例中，这些介孔碳颗粒包含至少0.30g/cc、至少0.35g/cc、至少0.40g/cc、至少0.45g/cc、至少0.50g/cc、或至少0.55g/cc的振实密度。
[0150]除了低含量的所不希望的PIXE杂质以外，所披露的碳颗粒可以包含高的总碳含量。除碳以外，这些碳颗粒还可以包含氧、氢、氮以及电化学改性剂。在一些实施例中，这些颗粒包含基于重量/重量至少75%的碳，80%的碳，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。在一些其他实施例中，这些碳颗粒包含基于重量/重量小于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。在其他实施例中，这些碳颗粒包含基于重量/重量小于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。在其他实施例中，这些碳颗粒包含基于重量/重量小于5%的氮，小于2.5%的氮，小于1%的氮，小于0.5%的氮，小于0.25%的氮，或小于0.01%的氮。所披露的碳颗粒的氧、氢以及氮含量可通过燃烧分析来测定。通过燃烧分析来测定元素组成的技术在本领域中是众所周知的。
[0151]在某些情况下，碳颗粒的总灰分含量对共混物的电化学性能产生影响。因此，在一些实施例中，碳颗粒的灰分含量(不包括任何有意添加的铅)的范围为从0.1%至0.001%的重量百分数的灰分，例如，在一些具体实施例中，碳颗粒的灰分含量为小于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%。
[0152]在其他实施例中，这些碳颗粒包含小于500ppm的元素(不包括任何有意添加的铅)的总PIXE杂质含量和小于0.08%的灰分含量(不包括任何有意添加的铅)。在另外的实施例中，这些碳颗粒包含小于300ppm的所有其他元素的总PIXE杂质含量和小于0.05%的灰分含量。在其他另外的实施例中，这些碳颗粒包含小于200ppm的所有其他元素的总PIXE杂质含量和小于0.05%的灰分含量。在其他另外的实施例中，这些碳颗粒包含小于200ppm的所有其他元素的总PIXE杂质含量和小于0.025%的灰分含量。在其他另外的实施例中，这些碳颗粒包含小于IOOppm的所有其他元素的总PIXE杂质含量和小于0.02%的灰分含量。在其他另外的实施例中，这些碳颗粒包含小于50ppm的所有其他元素的总PIXE杂质含量和小于0.01%的灰分含量。
[0153]存在于所披露的碳颗粒中的单独的PIXE杂质的量可通过质子诱发X射线发射来确定。单独的PIXE杂质能够以不同的方式对所披露的碳材料的整体电化学性能起作用。因此，在一些实施例中，钠存在于碳颗粒中的水平为小于lOOOppm,小于500ppm,小于IOOppm,小于50ppm,小于IOppm,或小于lppm。在一些实施例中，镁存在于碳颗粒中的水平为小于lOOOppm，小于lOOppm，小于50ppm，小于lOppm，或小于lppm。在一些实施例中，铝存在于碳颗粒中的水平为小于lOOOppm,小于IOOppm,小于50ppm,小于IOppm,或小于lppm。在一些实施例中，娃存在于碳颗粒中的水平为小于500ppm,小于300ppm,小于IOOppm,小于50ppm,小于20ppm,小于IOppm,或小于lppm。在一些实施例中，磷存在于碳颗粒中的水平为小于lOOOppm,小于IOOppm,小于50ppm,小于IOppm,或小于lppm。在一些实施例中，硫存在于碳颗粒中的水平为小于lOOOppm,小于IOOppm,小于50ppm,小于30ppm,小于IOppm,小于5ppm,或小于lppm。在一些实施例中，氯存在于碳颗粒中的水平为小于lOOOppm,小于IOOppm,小于50ppm,小于IOppm,或小于lppm。在一些实施例中，钾存在于碳颗粒中的水平为小于lOOOppm,小于IOOppm,小于50ppm,小于IOppm,或小于lppm。在其他实施例中，隹丐存在于碳颗粒中的水平为小于IOOppm,小于50ppm,小于20ppm,小于IOppm,小于5ppm,或小于lppm。在一些实施例中，铬存在于碳颗粒中的水平为小于lOOOppm,小于IOOppm,小于50ppm,小于IOppm,小于5ppm,小于4ppm,小于3ppm,小于2ppm,或小于lppm。在其他实施例中，铁存在于碳颗粒中的水平为小于50ppm,小于20ppm,小于IOppm,小于5ppm,小于4ppm,小于3ppm,小于2ppm,或小于lppm。在其他实施例中，镍存在于碳颗粒中的水平为小于20ppm,小于IOppm,小于5ppm,小于4ppm,小于3ppm,小于2ppm,或小于lppm。在一些其他实施例中，铜存在于碳颗粒中的水平为小于140ppm,小于IOOppm,小于40ppm,小于20ppm,小于IOppm,小于5ppm,小于4ppm,小于3ppm,小于2ppm,或小于lppm。在又其他实施例中，锌存在于碳颗粒中的水平为小于20ppm,小于IOppm,小于5ppm,小于2ppm,或小于lppm。在又其他实施例中，存在于碳颗粒中的所有其他PIXE杂质(不包括电化学改性剂)的总和为小于 lOOOppm,小于 500ppm,小于 300ppm,小于 200ppm,小于 lOOppm,小于 50ppm,小于 25ppm,小于lOppm，或小于lppm。如上所指出，在一些实施例中，其他杂质(如氢、氧和/或氮)能够以范围从小于10%至小于0.01%的水平存在。
[0154]在一些实施例中，这些碳颗粒包含邻近或低于质子诱发X射线发射分析检测限的所不希望的PIXE杂质。例如，在一些实施例中，这些碳颗粒包含小于50ppm的钠、小于15ppm的镁、小于IOppm的招、小于8ppm的娃、小于4ppm的磷、小于3ppm的硫、小于3ppm的氯、小于2ppm的钾、小于3ppm的隹丐、小于2ppm的钪、小于Ippm的钛、小于Ippm的钥;、小于0.5ppm的铬、小于0.5ppm的猛、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的银、小于2ppm的宇乙、小于3ppm的错、小于2ppm的银、小于4ppm的钥、小于4ppm的锝、小于7ppm的铷、小于6ppm的错、小于6ppm的钮1、小于9ppm的银、小于6ppm的镉、小于6ppm的铟、小于5ppm的锡、小于6ppm的铺、小于6ppm的締、小于5ppm的碘、小于4ppm的铯、小于4ppm的钡、小于3ppm的镧、小于3ppm的铺、小于2ppm的镨、小于2ppm的钕、小于1.5ppm的钷、小于Ippm的衫、小于Ippm的错、小于Ippm的礼、小于Ippm的铺、小于Ippm的镝、小于Ippm的钦、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的鹤、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的韦它、小于Ippm的铅、小于1.5ppm的秘、小于2ppm的娃、或小于4ppm的铀。
[0155]在一些具体实施例中，如由质子诱发X射线发射所测量的，这些碳颗粒包含小于IOOppm的钠、小于300ppm的娃、小于50ppm的硫、小于IOOppm的I丐、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。在其他具体实施例中，这些碳颗粒包含小于50ppm的钠、小于30ppm的硫、小于IOOppm的娃、小于50ppm的I丐、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。
[0156]在其他具体实施例中，这些碳颗粒包含小于50ppm的钠、小于50ppm的娃、小于30ppm的硫、小于IOppm的I丐、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。
[0157]在一些其他具体实施例中，这些碳颗粒包含小于IOOppm的钠、小于50ppm的镁、小于50ppm的招、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。
[0158]所披露的碳颗粒还包含高的表面积。尽管不希望被理论所束缚，但还应认为这种高表面积可以对这些共混物的出色的电化学性能起作用，至少部分地起作用。因此，在一些实施例中，这些碳颗粒包含至少100m2/g、至少200m2/g、至少300m2/g、至少400m2/g、至少 500m2/g、至少 600m2/g、至少 700m2/g、至少 800m2/g、至少 900m2/g、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 的BET比表面积。例如，在前述一些实施例中，这些碳颗粒是活化的。
[0159]在另一个实施例中，这些碳颗粒包含在0.1与1.0g/cc之间、在0.2与0.8g/cc之间、在0.3与0.5g/cc之间、或在0.4与0.5g/cc之间的振实密度。在另一个实施例中，这些碳颗粒具有至少0.lcm3/g、至少0.2cm3/g、至少0.3cm3/g、至少0.4cm3/g、至少0.5cmVg>至少 0.7cm3/g、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的总孔体积。
[0160]所披露的碳颗粒的孔径分布是一个可能对这些共混物的电化学性能产生影响的参数。因此，在一个实施例中，这些碳颗粒包含为IOOnm或低于IOOnm的孔的孔体积分数，该孔体积分数包含至少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。在其他实施例中，该碳颗粒包含为20nm或低于20nm的孔的孔体积分数，该孔体积分数包含至少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。
[0161]在另一个实施例中，这些碳颗粒包含为IOOnm或低于IOOnm的孔的孔表面积分数，该孔表面积分数包含至少50%的总孔表面积，至少75%的总孔表面积，至少90%的总孔表面积，或至少99%的总孔表面积。在另一个实施例中，这些碳颗粒包含为20nm或低于20nm的孔的孔表面积分数，该孔表面积分数包含至少50%的总孔表面积，至少75%的总孔表面积，至少90%的总孔表面积，或至少99%的总孔表面积。
[0162]在另一个实施例中，这些碳颗粒包含主要在1000埃或更低范围内的孔，例如100埃或更低，例如50埃或更低。作为替代方案，这些碳颗粒包含O至20埃范围内的微孔和20至1000埃范围内的介孔。微孔范围内的孔体积或孔表面与介孔范围内的那些相比的比例是在95:5至5:95的范围内。
[0163]在其他实施例中，这些碳颗粒是介孔的并且包含单分散的介孔。如在此所用，当提及孔径而使用时，术语“单分散的”通常指的是约3或更低、典型地约2或更低、时常约1.5或更低的跨度(进一步定义为(Dv90-Dvl0)/Dv，50，其中DvlO，Dv50和Dv90指的是体积分布为10%、50%和90%下的孔径)。
[0164]又在其他实施例中，这些碳颗粒包含至少0.2cc/g、至少0.5cc/g、至少0.75cc/g、至少lcc/g、至少2cc/g、至少3cc/g、至少4cc/g、或至少7cc/g的总孔体积。在一个特定的实施例中，这些碳颗粒包含从0.5cc/g至1.0cc/g的孔体积。
[0165]在其他实施例中，这些碳颗粒包含至少50%的总孔体积位于具有范围从50 A至5000 A的直径的孔中。在一些实例中，这些碳颗粒包含至少50%的总孔体积位于具有范围从50 A至500 A的直径的孔中。还有在其他实例中，这些碳颗粒包含至少50%的总孔体积位于具有范围从500 A至1000 A的直径的孔中。又在其他实例中，这些碳颗粒包含
至少50%的总孔体积位于具有范围从1000 A至5000 A的直径的孔中。
[0166]在一些实施例中，碳颗粒的平均颗粒直径的范围为从I至1000微米。在其他实施例中，碳颗粒的平均颗粒直径的范围为从I至100微米。还有在其他实施例中，碳颗粒的平均颗粒直径的范围为从5至50微米。又在其他实施例中，碳颗粒的平均颗粒直径的范围为从5至15微米，或从3至5微米。还有在其他实施例中，碳颗粒的平均颗粒直径为约10微米。
[0167]在一些实施例中,这些碳颗粒包含具有范围从2nm至IOnm的峰值孔体积的孔。在其他实施例中，该峰值孔体积范围为从IOnm至20nm。又在其他实施例中，该峰值孔体积范围为从20nm至30nm。还有在其他实施例中，该峰值孔体积范围为从30nm至40nm。又还有在其他实施例中，该峰值孔体积范围为从40nm至50nm。在其他实施例中，该峰值孔体积范围为从50nm至lOOnm。
[0168]尽管不希望被理论所束缚，但包含小孔径(B卩，孔长度)的碳颗粒可能具有降低的扩散距离的优势，从而有助于浸溃铅或铅盐。例如，应相信的是，与包含远远更大孔径(例如微米或毫米尺寸孔)的碳颗粒相比较，采用大部分孔在介孔范围内(如上所讨论)的碳颗粒会提供显著的优势。
[0169]在一些实施例中，该共混物包含碳颗粒和铅颗粒，其中这些碳颗粒展现出低的表面官能度。例如，在一些实施例中，这些碳颗粒展现出如由勃姆(Boehm)滴定法所确定的小于每100克碳20mEq、小于每100克碳lOmEq、小于每100克碳5mEq、或如由勃姆滴定法所确定的小于每100克碳ImEq的表面官能度。在其他实施例中，这些碳颗粒展现出如由勃姆滴定法所确定的大于每100克碳20mEq的表面官能度。
[0170]碳颗粒的酸性也可以变化。在一些实施例中，碳颗粒的酸性、碱性或中性可以通过将这些碳颗粒添加到硫酸中并且测量PH的变化来确定。如果pH下降，则碳颗粒是酸性的。如果PH升高，则碳颗粒是碱性的。如果pH没有发生变化，则碳颗粒是中性的。本发明包括单独的实施例，其中这些碳颗粒是酸性的、碱性的或中性的。下表示出了具有不同的PH值以及摩尔浓度值变化的不同的碳实施例(参见例如实例32)
[0171]
【权利要求】
1.一种包含碳以及铅的共混物，其中如由质子诱发X射线发射所测量的，该共混物包含小于500ppm的具有范围从11至92原子序数的不包括铅的所有元素的总杂质含量。
2.一种包含多个碳颗粒以及多个铅颗粒的共混物，其中这些碳颗粒在碳颗粒的孔结构内或表面上包括铅。
3.一种包含多个碳颗粒以及多个铅颗粒的共混物。
4.如前述权利要求中任一项所述的共混物，其中如由质子诱发χ射线发射所测量的，该共混物包含总计小于200ppm的具有范围从11至92原子序数的不包括铅的多种元素。
5.如权利要求4所述的共混物，其中如由质子诱发χ射线发射所测量的，该共混物包含总计小于150ppm的具有范围从11至92原子序数的不包括铅的多种元素。
6.如权利要求4所述的共混物，其中如由质子诱发χ射线发射所测量的，该共混物包含总计小于IOOppm的具有范围从11至92原子序数的不包括铅的多种元素。
7.如权利要求4所述的共混物，其中如由质子诱发χ射线发射所测量的，该共混物包含总计小于50ppm的具有范围从11至92的原子序数的不包括铅的多种元素。
8.如权利要求4所述的共混物，其中如由质子诱发χ射线发射所测量的，该共混物包含总计小于20ppm的具有范围从11至92原子序数的不包括铅的多种元素。
9.如权利要求4所述的共混物，其中如由质子诱发χ射线发射所测量的，该共混物包含总计小于IOppm的具有范 围从11至92原子序数的不包括铅的多种元素。
10.如前述权利要求中任一项所述的共混物，其中该铅处于元素形式。
11.如权利要求1-9中任一项所述的共混物，其中该铅处于氧化形式。
12.如权利要求1-9中任一项所述的共混物，其中该铅是以氧化铅(II)、氧化铅(IV)、乙酸铅、碳酸铅、硫酸铅、正砷酸铅、焦砷酸铅、溴化铅、癸酸铅、己酸铅、辛酸铅、氯酸铅、氯化铅、氟化铅、硝酸铅、氯氧化铅、硫酸正磷酸铅、铬酸铅、碱式铬酸铅、亚铁酸铅、硫化铅、钨酸铅或其组合的形式。
13.如前述权利要求中任一项所述的共混物，其中碳颗粒占碳颗粒与铅颗粒的总质量的百分比的质量百分数的范围为从0.5%至4.0%。
14.如前述权利要求中任一项所述的共混物，其中碳颗粒占碳颗粒与铅颗粒的总质量的百分比的质量百分数的范围为从1.0%至2.0%。
15.如前述权利要求中任一项所述的共混物，其中碳颗粒占碳颗粒与铅的总体积的百分比的体积百分数的范围为从1%至20%。
16.如前述权利要求中任一项所述的共混物，其中碳颗粒占碳颗粒与铅的总体积的百分比的体积百分数的范围为从20%至40%。
17.如前述权利要求中任一项所述的共混物，其中碳颗粒占碳颗粒与铅的总体积的百分比的体积百分数的范围为从40%至80%。
18.如前述权利要求中任一项所述的共混物，其中碳颗粒占碳颗粒与铅颗粒的总表面积的百分比的表面积百分数的范围为从80%至99%。
19.如前述权利要求中任一项所述的共混物，其中位于小于20埃的孔内的碳颗粒表面积占位于小于20埃的孔内的碳颗粒与铅颗粒的总表面积的百分比的范围为从20%至60%。
20.如前述权利要求中任一项所述的共混物，其中位于小于20埃的孔内的碳颗粒表面积占位于小于20埃的孔内的碳颗粒与铅颗粒的总表面积的百分比的范围为从40%至60%。
21.如前述权利要求中任一项所述的共混物，其中碳颗粒的体积平均粒径与铅颗粒的体积平均粒径相比的范围为从0.01:1至100:1。
22.如前述权利要求中任一项所述的共混物，其中碳颗粒的体积平均粒径与铅颗粒的体积平均粒径相比的范围为从0.01:1至10:1。
23.如前述权利要求中任一项所述的共混物，其中碳颗粒的体积平均粒径与铅颗粒的体积平均粒径相比的范围为从0.1:1至2:1。
24.如前述权利要求中任一项所述的共混物，其中如由勃姆滴定法所测定的，这些碳颗粒展现出小于每100克碳20mEq的表面官能度。
25.如前述权利要求中任一项所述的共混物，其中在ImA的速率下测量的这些碳颗粒的电容为大于250F/g。
26.如前述权利要求中任一项所述的共混物，其中如由质子诱发χ射线发射数据所计算的，该共混物的不包括与铅相关的灰分的灰分含量为小于0.03%。
27.如前述权利要求中任一项所述的共混物，其中如由质子诱发χ射线发射数据所计算的，该共混物的不包括与铅相关的灰分的灰分含量为小于0.01%。
28.如前述权利要求中任一项所述的共混物，其中如由质子诱发χ射线发射所测量的，这些碳颗粒包含小于IOppm的铁。
29.如前述权利要求中任一项所述的共混物，其中如由质子诱发χ射线发射所测量的，这些碳颗粒包含小于5ppm的镍。
30.如前述权利要求中任一项所述的共混物，其中如由质子诱发χ射线发射所测量的，这些碳颗粒包含小于5ppm的钴。
31.如前述权利要求中任一项所述的共混物，其中如由质子诱发χ射线发射所测量的，这些碳颗粒包含小于5ppm的钛。
32.如前述权利要求中任一项所述的共混物，其中如由质子诱发χ射线发射所测量的，这些碳颗粒包含小于5ppm的铬。
33.如前述权利要求中任一项所述的共混物，其中如由质子诱发χ射线发射所测量的，这些碳颗粒包含检测不到的量的铜。
34.如前述权利要求中任一项所述的共混物，其中如由质子诱发χ射线发射所测量的，这些碳颗粒包含小于5ppm的铬、小于IOppm的铁、小于5ppm的镍、小于20ppm的娃、小于5ppm的锌，并且未检测到铋、银、铜、汞、锰、钼、锑以及锡。
35.如前述权利要求中任一项所述的共混物，其中如由质子诱发χ射线发射所测量的，这些碳颗粒包含小于75ppm的秘、小于5ppm的银、小于IOppm的铬、小于30ppm的铜、小于30ppm的铁、小于5ppm的萊、小于5ppm的猛、小于20ppm的镍、小于5ppm的钼、小于IOppm的锑、小于IOOppm的硅、小于IOppm的锡、以及小于IOppm的锌。
36.如前述权利要求中任一项所述的共混物，其中如由质子诱发χ射线发射所测量的，这些碳颗粒包含小于5ppm的铬、IOppm的铁、小于5ppm的镍、小于20ppm的娃、小于5ppm的锌，并且未检测到铋、银、铜、汞、锰、钼、锑以及锡。
37.如前述权利要求中任一项所述的共混物，其中这些碳颗粒包含一种热解的聚合物冷冻凝胶。
38.如前述权利要求中任一项所述的共混物，其中这些碳颗粒包含一种活化的聚合物冷冻凝胶。
39.如权利要求1-36中任一项所述的共混物，其中这些碳颗粒包含活化的碳颗粒。
40.如权利要求1-36中任一项所述的共混物，其中这些碳颗粒包含未活化的碳颗粒。
41.如前述权利要求中任一项所述的共混物，其中这些碳颗粒包含至少300m2/g的BET比表面积。
42.如前述权利要求中任一项所述的共混物，其中这些碳颗粒包含至少7000m2/g的BET比表面积。
43.如前述权利要求中任一项所述的共混物，其中这些碳颗粒包含至少1000m2/g的BET比表面积。
44.如前述权利要求中任一项所述的共混物，其中这些碳颗粒包含至少1500m2/g的BET比表面积。
45.如前述权利要求中任一项所述的共混物，其中这些碳颗粒包含至少2.0cc/g的总孔体积。
46.如前述权利要求中任一项所述的共混物，其中这些碳颗粒包含至少1.0cc/g的总孔体积。
47.如前述权利要求中任一项所述的共混物，其中这些碳颗粒包含至少0.7cc/g的总孔体积。
48.如前述权利要求中任一项所述的共混物，其中这些碳颗粒包含至少0.5cc/g的总孔体积。
49.如前述权利要求中任一项所述的共混物，其中这些碳颗粒包含对于小于20埃的孔而言至少0.25cc/g的DFT孔体积。
50.如前述权利要求中任一项所述的共混物，其中这些碳颗粒包含对于大于20埃的孔而言至少0.75cc/g的DFT孔体积。
51.如前述权利要求中任一项所述的共混物，其中这些碳颗粒包含对于大于20埃的孔而言至少1.50cc/g的DFT孔体积。
52.如前述权利要求中任一项所述的共混物，其中这些碳颗粒包含相对这些碳颗粒中的孔体积大于0.6g H20/cc的吸水率。
53.如前述权利要求中任一项所述的共混物,其中这些碳颗粒包含相对这些碳颗粒中的孔体积大于1.0g H20/cc的吸水率。
54.如前述权利要求中任一项所述的共混物,其中这些碳颗粒包含相对这些碳颗粒中的孔体积大于1.5g H20/cc的吸水率。
55.如前述权利要求中任一项所述的共混物,其中这些碳颗粒包含相对这些碳颗粒中的孔体积大于2.0g H20/cc的吸水率。
56.如前述权利要求中任一项所述的共混物，其中这些碳颗粒包含范围从0.4cc/g至.1.4cc/g的孔体积，以及在范围从约10%至100%的相对湿度下0.2或更小的R因子。
57.如权利要求56所述的共混物，其中这些碳颗粒包含0.6或更小的R因子。
58.如权利要求56所述的共混物,其中这些碳颗粒包含范围从0.6cc/g至1.2cc/g的孔体积。
59.如前述权利要求中任一项所述的共混物，其中该共混物具有大于每g碳颗粒250F的电容。
60.如前述权利要求中任一项所述的共混物，其中该共混物具有大于每m2共混物0.5F的电容。
61.如权利要求25、59或60所述的共混物，其中该电容是使用一种硫酸电解质确定的。
62.如前述权利要求中任一项所述的共混物，其中这些碳颗粒具有大于1.6的R因子。
63.如权利要求1-61中任一项所述的共混物，其中这些碳颗粒具有范围从1.2至1.6的R因子。
64.如权利要求1-61中任一项所述的共混物，其中这些碳颗粒具有低于1.2的R因子。
65.如前述权利要求中任一项所述的共混物，其中这些碳颗粒具有3.5至4.5的pH范围。
66.如权利要求1-64中任一项所述的共混物，其中这些碳颗粒具有5.0至6.5的pH范围。
67.如权利要求1-64 中任一项所述的共混物，其中这些碳颗粒具有7.5至9.0的pH范围。
68.一种包含根据前述权利要求中任一项所述的共混物的电能存储装置。
69.如权利要求68所述的装置，其中该装置是一种电池，该电池包括: a)至少一个正电极,该正电极包含与一个第一集电体电接触的一种第一活性材料； b)至少一个负电极，该负电极包含与一个第二集电体电接触的一种第二活性材料；以及 c)一种电解质； 其中该正电极和该负电极由一个惰性多孔隔板分离，并且其中该第一或第二活性材料的至少一个包含根据权利要求1-55中任一项所述的共混物。
70.如权利要求69所述的装置，其中该第一以及第二活性材料两者均包含根据权利要求1-67中任一项所述的共混物。
71.如权利要求69所述的装置，其中该第一或第二集电体包含铅。
72.如权利要求69所述的装置，其中该电解质包含硫酸以及水。
73.如权利要求69所述的装置，其中该电解质包含硅胶。
74.—种电极，该电极包含一种粘合剂以及根据权利要求1-67中任一项所述的共混物。
75.如权利要求74所述的电极，其中该电极包含按重量计从0.1%至20%的该粘合剂。
76.如权利要求75所述的电极，其中该粘合剂为聚四氟乙烯。
77.如权利要求74所述的电极，其中该电极进一步包含一个集电体。
78.如权利要求77所述的电极，其中该集电体包含铅。
79.如权利要求77或78所述的电极，其中该集电体是以一种栅格或板的形式。
80.如权利要求77-79中任一项所述的电极，其中该电极进一步包含一种电解质。
81.如权利要求80所述的电极，其中该电解质是硫酸。
82.如权利要求74-81中任一项所述的电极，其中该电极进一步包含一种膨胀剂。
83.—种组合物，该组合物包含如权利要求1-67中任一项所述的共混物以及一种电解质。
84.如权利要求83所述的组合物，其中该组合物是以一种膏的形式。
85.如权利要求83或84所述的组合物，其中该电解质包含硫酸。
86.如权利要求83-85中任一项所述的组合物，该组合物进一步包含一种膨胀剂、粘合剂或其组合。
87.一种用于制备如权利要求83所述的组合物的方法，该方法包括将该共混物与该电解质进行混合。
88.如权利要求1-67中任一项所述的共混物在一种电能存储装置中的用途。
89.如权利要求88所述的用途，其中该电能存储装置是一种电池。
90.如权利要求88所述的用途，其中该电能存储装置是在一种微混合、起动-熄火混合、轻度混合的车辆；具有电动涡轮增压的车辆；具有再生制动的车辆；混合动力车辆；一种电动车辆；工业动力，诸如升降叉车；电动自行车；高尔夫球车；航空航天应用；一种电力存储和分配网；一种 太阳能或风力发电系统；一种备用电力系统，如用于便携式军用备用、医院或军事基础设施的紧急备用，和制造备用；或一种蜂窝塔电力系统中。
91.一种包含如权利要求1-67中任一项所述的共混物的装置用于对电能进行存储和分配的用途。
92.如权利要求91所述的用途，其中该装置是一种电池。
93.如权利要求91所述的用途，其中该装置是在一种微混合、起动-熄火混合、轻度混合的车辆；具有电动涡轮增压的车辆；具有再生制动的车辆；混合动力车辆；一种电动车辆；工业动力，诸如升降叉车；电动自行车；高尔夫球车；航空航天应用；一种电力存储和分配网；一种太阳能或风力发电系统；一种备用电力系统，如用于便携式军用备用、医院或军事基础设施的紧急备用，和制造备用；或一种蜂窝塔电力系统中。
【文档编号】H01M4/14GK103947017SQ201280037057
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2012年6月1日 优先权日:2011年6月3日
【发明者】利亚·A·汤普金斯, 亚伦·M·费沃尔, 亨利·R·克斯坦蒂诺, 张子扬, 凯瑟琳·格拉米塔, 艾沃瑞·萨克斯海于格, 马修·J·马路恩 申请人:艾纳G2技术公司