(57)【要約】  本出願は、炭素材料を調製する組成物及び方法に関する。本明細書に記載の組成物及び方法に従って調製された炭素材料は、強化された電気化学特性を有し、多数の電気デバイス、例えばウルトラキャパシタの電極材料に有用である。【選択図】図１【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）溶媒と、触媒と、第１モノマーと、第２モノマーとを組合せて反応混合物を得るステップ、
ｂ）前記反応混合物の温度を、ある保持昇温速度で上昇し、前記反応混合物を、前記第１モノマーと前記第２モノマーとを共重合してポリマー組成物を得るのに十分な保持温度に保持するステップ、及び
ｃ）任意で、前記ポリマー組成物を硬化温度で加熱し、それによって、前記溶媒と、前記第１モノマーと前記第２モノマーとの共重合から形成されたポリマーと、を含む硬化ポリマー組成物を形成するステップ、を含む方法であって、前記硬化ポリマー組成物中の前記溶媒濃度は、前記硬化ポリマー組成物の全質量を基準にして少なくとも５質量％である、方法。
【請求項２】
前記硬化ポリマー組成物を熱分解温度で熱分解し、それによって前記溶媒を実質的に除去すると共に前記ポリマーを熱分解して、炭素材料を得るステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ポリマー組成物を硬化温度で加熱し、それによって、前記溶媒と、前記第１モノマーと前記第２モノマーとの共重合から形成されたポリマーと、を含む硬化ポリマー組成物を形成するステップを更に含み、前記硬化ポリマー組成物中の前記溶媒濃度は、前記硬化ポリマー組成物の全質量を基準にして少なくとも５質量％である、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記硬化ポリマー組成物中の前記溶媒の濃度は、前記硬化ポリマー組成物の１０質量％超である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記硬化ポリマー組成物中の前記溶媒の濃度は、前記硬化ポリマー組成物の２０質量％超である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記硬化ポリマー組成物中の前記溶媒の濃度は、前記硬化ポリマー組成物の約４５質量％〜約９０質量％の範囲である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記硬化ポリマー組成物中の前記溶媒の濃度は、約５０質量％〜約７５質量％の範囲である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記硬化ポリマー組成物は、約０．０１質量％〜約０．９５質量％の触媒を更に含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記硬化ポリマー組成物は、約０．１０質量％〜約０．９０質量％の触媒を更に含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記硬化ポリマー組成物は、約０．２５質量％〜約０．８５質量％の触媒を更に含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
ａ）溶媒と、触媒と、第１モノマーと、第２モノマーとを組合せて反応混合物を得るとともに、前記反応混合物をある反応時間の間、反応温度に維持するステップ、
ｂ）前記反応混合物の温度を、ある保持昇温速度で上昇し、前記反応混合物を、前記第１モノマーと前記第２モノマーとを共重合してポリマー組成物を得るのに十分な保持温度に保持するステップ、及び
ｃ）任意で、前記ポリマー組成物を最高で硬化温度まで加熱し、それによって、前記溶媒と、前記第１モノマーと前記第２モノマーとの共重合から形成されたポリマーと、を含む硬化ポリマー組成物を形成するステップ
を含む、方法。
【請求項１２】
前記硬化ポリマー組成物を熱分解温度で熱分解し、それによって前記溶媒を実質的に除去すると共に前記ポリマーを熱分解して、炭素材料を得るステップを更に含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記反応温度は約２０℃〜約１３０℃の範囲である、請求項１１又は１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記反応温度は約２０℃〜約４０℃の範囲である、請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記反応温度は約３０℃〜約５０℃の範囲である、請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
前記反応時間は約０時間超〜約１２０時間の範囲である、請求項１１〜１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
前記反応時間は約３時間超〜約６時間の範囲である、請求項１１〜１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
前記ポリマー組成物を硬化温度で加熱し、それによって、前記溶媒と、前記第１モノマーと前記第２モノマーとの共重合から形成されたポリマーと、を含む硬化ポリマー組成物を形成するステップを更に含む、請求項１１〜１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１９】
ａ）溶媒と、触媒と、第１モノマーと、第２モノマーとを組合せて反応混合物を得るステップ、
ｂ）前記反応混合物の温度を、ある保持昇温速度で上昇し、前記反応混合物を、前記第１モノマーと前記第２モノマーとを共重合してポリマー組成物を得るのに十分な保持温度で、ある保持時間の間保持するステップ、及び
ｃ）任意で、前記ポリマー組成物を硬化温度で加熱し、それによって、前記溶媒と、前記第１モノマーと前記第２モノマーとの共重合から形成されたポリマーと、を含む硬化ポリマー組成物を形成するステップ
を含む、方法。
【請求項２０】
前記硬化ポリマー組成物を熱分解温度で熱分解し、それによって前記溶媒を実質的に除去すると共に前記ポリマーを熱分解して、炭素材料を得るステップを更に含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記反応混合物は、約１．４２〜約１．４６の範囲の屈折率を有する、請求項１９又は２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記保持時間は約０時間超〜約１カ月の範囲である、請求項１９〜２１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２３】
前記保持時間は約０時間超〜約４０時間の範囲である、請求項１９〜２２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２４】
前記保持時間は約１２０時間超である、請求項１９〜２２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２５】
前記保持温度は約１５℃〜約１２０℃の範囲である、請求項１〜２４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２６】
前記保持温度は約１５℃〜約８０℃の範囲である、請求項１〜２５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２７】
前記ポリマー組成物を硬化温度で加熱し、それによって、前記溶媒と、前記第１モノマーと前記第２モノマーとの共重合から形成されたポリマーと、を含む硬化ポリマー組成物を形成するステップを更に含む、請求項１９〜２６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２８】
ａ）溶媒と、触媒と、第１モノマーと、第２モノマーとを組合せて反応混合物を得るステップ、
ｂ）任意で、前記反応混合物を、前記第１モノマーと前記第２モノマーとを共重合してポリマー組成物を得るのに十分な保持温度に保持するステップ、及び
ｃ）前記ポリマー組成物を、初期温度から最高で硬化温度まで、少なくとも０．５℃／時の硬化昇温速度で上昇することによって加熱し、それによって、溶媒と、前記第１モノマーと前記第２モノマーとの共重合から形成されたポリマーと、を含む硬化ポリマー組成物を形成するステップ
を含む、方法。
【請求項２９】
前記反応混合物の温度を、ある保持昇温速度で上昇し、前記反応混合物を、前記第１モノマーと前記第２モノマーとを共重合してポリマー組成物を得るのに十分な保持温度に保持するステップを更に含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記硬化ポリマー組成物を熱分解温度で熱分解し、それによって前記溶媒を実質的に除去すると共に前記ポリマーを熱分解して、炭素材料を得るステップを更に含む、請求項２８又は２９に記載の方法。
【請求項３１】
ａ）溶媒と、触媒と、第１モノマーと、第２モノマーとを組合せて反応混合物を得るステップ、
ｂ）容積が１０Ｌを超え、表面積対容積のアスペクト比が約３ｍ2／ｍ3を超える反応容器に、前記反応混合物を移すステップ、
ｃ）前記反応混合物の温度を、ある保持昇温速度で上昇し、前記反応混合物を、前記第１モノマーと前記第２モノマーとを共重合してポリマー組成物を得るのに十分な保持温度で、ある保持時間の間保持するステップ、及び
ｄ）任意で、前記ポリマー組成物を硬化温度で加熱し、それによって、前記溶媒と、前記第１モノマーと前記第２モノマーとの共重合から形成されたポリマーと、を含む硬化ポリマー組成物を形成するステップ
を含む、方法。
【請求項３２】
前記反応容器は約５０Ｌを超える容積を有する、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記反応容器は約７５Ｌを超える容積を有する、請求項３１又は３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記反応容器は約１５０Ｌを超える容積を有する、請求項３１〜３３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３５】
前記反応容器は約１９０Ｌを超える容積を有する、請求項３１〜３４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３６】
前記反応容器は約１９００Ｌを超える容積を有する、請求項３１〜３５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３７】
前記アスペクト比は約５ｍ2／ｍ3を超える、請求項３１〜３６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３８】
前記アスペクト比は約７．５ｍ2／ｍ3を超える、請求項３１〜３７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３９】
前記アスペクト比は約５０ｍ2／ｍ3を超える、請求項３１〜３８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４０】
前記アスペクト比は約１００ｍ2／ｍ3を超える、請求項３１〜３９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４１】
前記アスペクト比は約２００ｍ2／ｍ3を超える、請求項３１〜４０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４２】
前記保持昇温速度は、前記反応混合物内の内部温度読取から決定される、請求項１〜４１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４３】
前記保持温度は、前記反応混合物内の内部温度読取から決定される、請求項１〜４２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４４】
前記硬化温度は、前記ポリマー組成物内の内部温度読取から決定される、請求項１〜４３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４５】
前記保持昇温速度は約３℃／時を超える、請求項１〜２７及び２９〜４４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４６】
前記保持昇温速度は約１０℃／時を超える、請求項１〜２７及び２９〜４５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４７】
前記保持昇温速度は約１００℃／時を超える、請求項１〜２７及び２９〜４６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４８】
前記硬化昇温速度は約０．５℃／時を超える、請求項２８〜４７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４９】
前記硬化昇温速度は約１１０℃／時を超える、請求項２８〜４８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５０】
初期温度は約１５℃〜約３０℃の範囲である、請求項２８〜４９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５１】
前記第１モノマーはフェノール化合物である、請求項１〜５０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５２】
前記フェノール化合物は、フェノール、レゾルシノール、カテコール、ヒドロキノン、フロログルシノール、又はこれらの組合せである、請求項５１に記載の方法。
【請求項５３】
前記フェノール化合物は以下の構造を有し、
【化１】
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式中、
Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3及びＲ4は各々独立して、Ｈ、ヒドロキシル、ハロ、ニトロ、アシル、カルボキシ、アルキルカルボニル、アリールカルボニル、Ｃ1-6アルキル、Ｃ1-6アルケニル、メタクリレート、アクリレート、シリルエーテル、シロキサン、アラルキル又はアルカリールであり、Ｒ1、Ｒ2及びＲ4のうちの少なくとも２つはＨである、請求項５１に記載の方法。
【請求項５４】
前記第１モノマーはレゾルシノールである、請求項１〜５２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５５】
前記第１モノマーはフェノールとレゾルシノールの組合せである、請求項１〜５２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５６】
前記第２モノマーは、ホルムアルデヒド、パラホルムアルデヒド、ブチルアルデヒド又はこれらの組合せを含む、請求項１〜５５に記載のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５７】
前記第２モノマーはホルムアルデヒドである、請求項１〜５６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５８】
前記触媒は塩基性揮発性触媒を含む、請求項１〜５７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５９】
前記触媒は酢酸アンモニウムを含む、請求項１〜５８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６０】
前記溶媒は水及び混和性酸を含む、請求項１〜５９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６１】
前記混和性酸は酢酸である、請求項６０に記載の方法。
【請求項６２】
前記硬化温度は約７０℃〜約２００℃の範囲である、請求項１〜６１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６３】
前記硬化温度は、約０時間超〜約９６時間の範囲の時間にわたって維持される、請求項１〜６２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６４】
前記硬化温度は、約０時間超〜約４８時間の範囲の時間にわたって維持される、請求項１〜６３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６５】
前記硬化温度は、約０時間超〜約２４時間の範囲の時間にわたって維持される、請求項１〜６４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６６】
前記熱分解温度は約７５０℃〜約１５００℃の範囲である、請求項１〜６５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６７】
前記熱分解温度は約８５０℃〜約９５０℃の範囲である、請求項１〜６６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６８】
前記硬化ポリマー組成物は、熱分解の間、不活性雰囲気下にある、請求項１〜６７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６９】
前記硬化ポリマー組成物は、熱分解の間、周囲雰囲気下にある、請求項１〜６８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７０】
前記ポリマー組成物は、加熱の間、周囲雰囲気下にある、請求項１〜６９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７１】
熱分解の前に乾燥ステップを含まない、請求項１〜７０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７２】
前記乾燥ステップは、凍結乾燥、超臨界乾燥、又はこれらの組合せを含む、請求項７１に記載の方法。
【請求項７３】
前記乾燥ステップは蒸発を含む、請求項７１又は７２に記載の方法。
【請求項７４】
前記反応混合物は更にメタノールを含む、請求項１〜７３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７５】
メタノールの濃度は、前記反応混合物の約０．０質量％超〜約５．０質量％の範囲である、請求項７４に記載の方法。
【請求項７６】
前記硬化ポリマー組成物中の前記溶媒の濃度は、前記硬化ポリマー組成物の５質量％超である、請求項１１〜７５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７７】
前記硬化ポリマー組成物中の前記溶媒の濃度は、前記硬化ポリマー組成物の１０質量％超である、請求項１１〜７６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７８】
前記硬化ポリマー組成物中の前記溶媒の濃度は、前記硬化ポリマー組成物の２０質量％超である、請求項１１〜７７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７９】
前記硬化ポリマー組成物中の前記溶媒の濃度は、前記硬化ポリマー組成物の約４５質量％〜約９０質量％の範囲である、請求項１１〜７８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８０】
前記硬化ポリマー組成物中の前記溶媒の濃度は、約５０質量％〜約７５質量％の範囲である、請求項１１〜７９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８１】
前記硬化ポリマー組成物は、約０．０１質量％〜約０．９５質量％の触媒を更に含む、請求項１１〜８０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８２】
前記硬化ポリマー組成物は、約０．１０質量％〜約０．９０質量％の触媒を更に含む、請求項１１〜８１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８３】
前記硬化ポリマー組成物は、約０．２５質量％〜約０．８５質量％の触媒を更に含む、請求項１１〜８２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８４】
前記炭素材料は、少なくとも０．０１ｃｃ／ｇの全細孔容積を有する、請求項２〜８３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８５】
前記炭素材料は、少なくとも０．０５ｃｃ／ｇの全細孔容積を有する、請求項２〜８４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８６】
前記炭素材料は、少なくとも０．１０ｃｃ／ｇの全細孔容積を有する、請求項２〜８５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８７】
前記炭素材料は、少なくとも０．４０ｃｃ／ｇの全細孔容積を有する、請求項２〜８６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８８】
前記炭素材料は、少なくとも１．００ｃｃ／ｇの全細孔容積を有する、請求項２〜８７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８９】
前記炭素材料は、少なくとも５ｍ2／ｇのＢＥＴ比表面積を有する、請求項２〜８８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９０】
前記炭素材料は、少なくとも１０ｍ2／ｇのＢＥＴ比表面積を有する、請求項２〜８９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９１】
前記炭素材料は、少なくとも５０ｍ2／ｇのＢＥＴ比表面積を有する、請求項２〜９０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９２】
前記炭素材料は、少なくとも１００ｍ2／ｇのＢＥＴ比表面積を有する、請求項２〜９１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９３】
前記炭素材料は、少なくとも１５０ｍ2／ｇのＢＥＴ比表面積を有する、請求項２〜９２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９４】
前記炭素材料は、少なくとも１５００ｍ2／ｇのＢＥＴ比表面積を有する、請求項２〜９３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９５】
前記炭素材料は、ミクロ細孔、メソ細孔及び全細孔容積を含む細孔構造を有し、前記全細孔容積の４０％〜９０％はミクロ細孔に属し、前記全細孔容積の１０％〜６０％はメソ細孔に属し、前記全細孔容積の１０％未満は２０ｎｍを超える細孔に属する、請求項２〜９４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９６】
前記炭素材料は、全反射蛍光Ｘ線によって測定したときに１１〜９２の範囲の原子番号を有する元素の全不純物含有量が５００ｐｐｍ未満である、請求項２〜９５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９７】
前記炭素材料は、全反射蛍光Ｘ線によって測定したときに１１〜９２の範囲の原子番号を有する元素の全不純物含有量が１００ｐｐｍ未満である、請求項２〜９６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９８】
前記炭素材料の灰分は、全反射蛍光Ｘ線データから計算したときに０．０３％未満である、請求項２〜９７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９９】
前記炭素材料の灰分は、全反射蛍光Ｘ線データから計算したときに０．０１％未満である、請求項２〜９８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１００】
前記ポリマーは、少なくとも０．０１ｃｃ／ｇの全細孔容積を有する、請求項１〜９９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０１】
前記ポリマーは、少なくとも０．０５ｃｃ／ｇの全細孔容積を有する、請求項１〜１００のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０２】
前記ポリマーは、少なくとも０．１０ｃｃ／ｇの全細孔容積を有する、請求項１〜１０１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０３】
前記ポリマーは、少なくとも０．４０ｃｃ／ｇの全細孔容積を有する、請求項１〜１０２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０４】
前記ポリマーは、少なくとも１．００ｃｃ／ｇの全細孔容積を有する、請求項１〜１０３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０５】
前記ポリマーは、少なくとも５ｍ2／ｇのＢＥＴ比表面積を有する、請求項１〜１０４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０６】
前記ポリマーは、少なくとも１０ｍ2／ｇのＢＥＴ比表面積を有する、請求項１〜１０５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０７】
前記ポリマーは、少なくとも５０ｍ2／ｇのＢＥＴ比表面積を有する、請求項１〜１０６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０８】
前記ポリマーは、少なくとも１００ｍ2／ｇのＢＥＴ比表面積を有する、請求項１〜１０７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０９】
前記ポリマーは、少なくとも１５０ｍ2／ｇのＢＥＴ比表面積を有する、請求項１〜１０８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１０】
前記ポリマーは、少なくとも３００ｍ2／ｇのＢＥＴ比表面積を有する、請求項１〜１０９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１１】
前記ポリマーは、少なくとも５００ｍ2／ｇのＢＥＴ比表面積を有する、請求項１〜１１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１２】
前記ポリマーは、少なくとも１５００ｍ2／ｇのＢＥＴ比表面積を有する、請求項１〜１１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１３】
前記ポリマーは、ミクロ細孔、メソ細孔及び全細孔容積を含む細孔構造を有し、前記全細孔容積の４０％〜９０％はミクロ細孔に属し、前記全細孔容積の１０％〜６０％はメソ細孔に属し、前記全細孔容積の１０％未満は２０ｎｍを超える細孔に属する、請求項１〜１１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１４】
前記ポリマーは、全反射蛍光Ｘ線によって測定したときに１１〜９２の範囲の原子番号を有する元素の全不純物含有量が５００ｐｐｍ未満である、請求項１〜１１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１５】
前記ポリマーは、全反射蛍光Ｘ線によって測定したときに１１〜９２の範囲の原子番号を有する元素の全不純物含有量が１００ｐｐｍ未満である、請求項１〜１１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１６】
前記ポリマーは、少なくとも０．３０ｃｃ／ｇの全細孔容積を有する、請求項１〜１１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１７】
前記ポリマーは、少なくとも０．５ｃｃ／ｇの全細孔容積を有する、請求項１〜１１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１８】
前記ポリマーは、約０．３ｃｃ／ｇ〜約１．２ｃｃ／ｇの範囲の全細孔容積を有する、請求項１〜１１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１９】
前記熱分解温度は約２５０℃超である、請求項２〜１１８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２０】
前記熱分解温度は約４５０℃超である、請求項２〜１１９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２１】
前記熱分解温度は約６５０℃超である、請求項２〜１２０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２２】
前記熱分解温度は約８５０℃超である、請求項２〜１２１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２３】
硬化ポリマー組成物であって、前記ポリマーは、請求項１〜１２２のいずれか一項に記載の方法によって調製される、硬化ポリマー組成物。
【請求項１２４】
ポリマー組成物であって、
前記ポリマー組成物の約１０質量％を超える溶媒濃度と、
０．４を超える相対的細孔完全性を有するポリマーと、
を有する、ポリマー組成物。
【請求項１２５】
前記溶媒は水及び酢酸を含む、請求項１２４に記載のポリマー組成物。
【請求項１２６】
前記ポリマーはレゾルシノール−ホルムアルデヒドポリマーである、請求項１２４又は１２５に記載のポリマー組成物。
【請求項１２７】
前記相対的細孔完全性は０．５超である、請求項１２４〜１２６のいずれか一項に記載のポリマー組成物。
【請求項１２８】
前記相対的細孔完全性は０．６５超である、請求項１２４〜１２７のいずれか一項に記載のポリマー組成物。
【請求項１２９】
前記相対的細孔完全性は０．８０超である、請求項１２４〜１２８のいずれか一項に記載のポリマー組成物。
【請求項１３０】
前記相対的細孔完全性は０．９０超である、請求項１２４〜１２９のいずれか一項に記載のポリマー組成物。
【請求項１３１】
前記相対的細孔完全性は０．９５超である、請求項１２４〜１３０のいずれか一項に記載のポリマー組成物。
【請求項１３２】
前記溶媒濃度は、前記ポリマー組成物の約４０質量％を超える、請求項１２４〜１３１のいずれか一項に記載のポリマー組成物。
【請求項１３３】
前記溶媒濃度は、前記ポリマー組成物の約４５質量％〜約６５質量％の範囲である、請求項１２４〜１３２のいずれか一項に記載のポリマー組成物。
【請求項１３４】
前記ポリマーは、０．２０ｃｍ3／ｇ超のメソ細孔容積を有する、請求項１２４〜１３３のいずれか一項に記載のポリマー組成物。
【請求項１３５】
前記ポリマーは、０．３５ｃｍ3／ｇ超のメソ細孔容積を有する、請求項１２４〜１３４のいずれか一項に記載のポリマー組成物。
【請求項１３６】
前記ポリマーは、０．５０ｃｍ3／ｇ超のメソ細孔容積を有する、請求項１２４〜１３５のいずれか一項に記載のポリマー組成物。
【請求項１３７】
前記ポリマーは、０．７５ｃｍ3／ｇ超のメソ細孔容積を有する、請求項１２４〜１３６のいずれか一項に記載のポリマー組成物。
【請求項１３８】
前記ポリマーは、少なくとも０．０１ｃｃ／ｇの全細孔容積を有する、請求項１２４〜１３７のいずれか一項に記載のポリマー組成物。
【請求項１３９】
前記ポリマーは、少なくとも０．０５ｃｃ／ｇの全細孔容積を有する、請求項１２４〜１３８のいずれか一項に記載のポリマー組成物。
【請求項１４０】
前記ポリマーは、少なくとも０．１０ｃｃ／ｇの全細孔容積を有する、請求項１２４〜１３９のいずれか一項に記載のポリマー組成物。
【請求項１４１】
前記ポリマーは、少なくとも０．３０ｃｃ／ｇの全細孔容積を有する、請求項１２４〜１４０のいずれか一項に記載のポリマー組成物。
【請求項１４２】
前記ポリマーは、少なくとも０．５ｃｃ／ｇの全細孔容積を有する、請求項１２４〜１４１のいずれか一項に記載のポリマー組成物。
【請求項１４３】
前記全細孔容積は、約０．３ｃｃ／ｇ〜約１．２ｃｃ／ｇの範囲である、請求項１２４〜１４１のいずれか一項に記載のポリマー組成物。
【請求項１４４】
前記ポリマーは、少なくとも５ｍ2／ｇのＢＥＴ比表面積を有する、請求項１２４〜１４３のいずれか一項に記載のポリマー組成物。
【請求項１４５】
前記ポリマーは、少なくとも１０ｍ2／ｇのＢＥＴ比表面積を有する、請求項１２４〜１４４のいずれか一項に記載のポリマー組成物。
【請求項１４６】
前記ポリマーは、少なくとも５０ｍ2／ｇのＢＥＴ比表面積を有する、請求項１２４〜１４５のいずれか一項に記載のポリマー組成物。
【請求項１４７】
前記ポリマーは、少なくとも１００ｍ2／ｇのＢＥＴ比表面積を有する、請求項１２４〜１４６のいずれか一項に記載のポリマー組成物。
【請求項１４８】
前記ポリマーは、少なくとも１５０ｍ2／ｇのＢＥＴ比表面積を有する、請求項１２４〜１４７のいずれか一項に記載のポリマー組成物。
【請求項１４９】
前記ポリマーは、少なくとも５００ｍ2／ｇのＢＥＴ比表面積を有する、請求項１２４〜１４８のいずれか一項に記載のポリマー組成物。
【請求項１５０】
前記ポリマーは第１モノマーを含む、請求項１２４〜１４９のいずれか一項に記載のポリマー組成物。
【請求項１５１】
前記第１モノマーはフェノールモノマーである、請求項１５０に記載のポリマー組成物。
【請求項１５２】
前記フェノールモノマーは、フェノール、レゾルシノール、カテコール、ヒドロキノン、フロログルシノール、又はこれらの組合せである、請求項１５１に記載のポリマー組成物。
【請求項１５３】
前記フェノールモノマーは以下の構造を有し、
【化２】
2021512190.tif 000028
式中、
Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3及びＲ4は各々独立して、Ｈ、ヒドロキシル、ハロ、ニトロ、アシル、カルボキシ、アルキルカルボニル、アリールカルボニル、Ｃ1-6アルキル、Ｃ1-6アルケニル、メタクリレート、アクリレート、シリルエーテル、シロキサン、アラルキル又はアルカリールであり、Ｒ1、Ｒ2及びＲ4のうちの少なくとも２つはＨである、請求項１５１に記載のポリマー組成物。
【請求項１５４】
前記フェノールモノマーはレゾルシノールである、請求項１５１に記載のポリマー組成物。
【請求項１５５】
前記フェノールモノマーはレゾルシノールとフェノールとの混合物である、請求項１５１に記載のポリマー組成物。
【請求項１５６】
前記ポリマーは第２モノマーを含む、請求項１２４〜１５５のいずれか一項に記載のポリマー組成物。
【請求項１５７】
前記第２モノマーは、ホルムアルデヒド、パラホルムアルデヒド、ブチルアルデヒド又はこれらの組合せを含む、請求項１５６に記載のポリマー組成物。
【請求項１５８】
前記第２モノマーはホルムアルデヒドである、請求項１５６に記載のポリマー組成物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、炭素材料を調製するための組成物及び方法、並びに当該炭素材料を含有するデバイスの作製方法に関する。本明細書に記載の組成物及び方法に従って調製された炭素材料は、強化された電気化学特性を有し、多数の電気デバイスに有用である。
【背景技術】
【０００２】
炭素材料は、畜給電デバイスに一般的に使用される。活性炭の大きな表面積、高導電性及び多孔性は、他の材料を用いたデバイスよりも高いエネルギー密度を有する電気デバイスの設計を可能にする。電気二重層コンデンサ（ＥＤＬＣ又は「ウルトラキャパシタ」）は、かかるデバイスの一例である。ＥＤＬＣは、多くの場合、活性炭材料から調製された電極と好適な電解質とを有し、より一般的なコンデンサと比較して極めて高いエネルギー密度を有する。ＥＤＬＣの典型的な用途は、データ伝送のために電力のショートバーストを必要とするデバイスにおけるエネルギーの貯蔵及び分配、又は無線モデム、携帯電話、デジタルカメラ及び他の携帯型電子デバイス等のピーク電力機能を含む。ＥＤＬＣは、例えば電気自動車、電車、バス等の電動輸送車両にも一般に使用される。
電池は、多くの場合に活性炭材料を（例えば、アノード材料、集電体、又は導電性向上剤として）含有する、もう１つの一般的なエネルギー貯蔵及び分配デバイスである。例えば、リチウムがインターカレーションされた炭素質アノードを有するリチウム／炭素電池は、有望なエネルギー蓄蔵デバイスの代表である。炭素含有電池の他の種類には、リチウム空気電池（これは、空気電極の集電体として多孔質炭素を用いる）及び鉛酸電池（これは、多くの場合、アノード又はカソードのいずれかに炭素添加物を含む）が含まれる。電池は、低い電流密度電力（ＥＤＬＣの高い電流密度と比較して）を必要とするいくつものの電子デバイスに用いられている。
ＥＤＬＣ及び炭素を用いた電池の１つの公知の制約は、高温、高電圧操作、繰り返しの充放電サイクル、及び／又はエージング時に性能が低下することである。この低下した性能は、少なくとも部分的には、電解質の不純物又は炭素電極自体の不純物が電解質／電極界面において電極の破損を引き起こすことに起因していた。従って、より高純度の炭素材料から調製される電極を備えるＥＤＬＣ及び／又は電池は、既存のデバイスよりも高い電圧で、且つより高温で、より長時間動作し得ることが示唆されている。
高パルス電力の電気化学用途に最適化された細孔構造を備える、改良された高純度炭素材料の必要性は認識されてきたが、かかる炭素材料は市販されておらず、かかる炭素材料が得られる調製方法は報告されていない。表面積が大きい活性炭材料を製造する一般的な方法の１つは、既存の炭素含有材料（例えば、ココナッツ繊維又はタイヤゴム）を熱分解することである。これは比較的小さい表面積を有するチャーをもたらし、これを次に過活性化して、所望の用途に必要な表面積及び多孔性を有する材料を製造できる。かかるアプローチは、前駆体材料の既存の構造によって本質的に制限され、典型的には、最適化されていない細孔構造及び１％以上の灰分（例えば金属不純物）を有する炭素材料をもたらす。
【０００３】
活性炭材料は、化学的活性化でも調製できる。例えば、炭素含有材料を酸、塩基、又は塩（例えば、リン酸、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、塩化亜鉛等）で処置してから加熱すると、活性炭材料が得られる。しかしながら、そのような化学的活性化で得られる活性炭材料も、高性能の電気デバイスでの使用に適したものではない。
表面積が大きい活性炭材料を製造する別のアプローチは、炭素含有有機ビルディングブロック（例えば、ポリマーゲル）から合成ポリマーを調製することである。既存の有機材料の場合と同様に、合成によって調製したポリマーを乾燥（例えば、蒸発又は凍結乾燥によって）熱分解し、活性化することによって、活性炭材料（例えば、エアロゲル又はキセロゲル）が製造される。上記の従来のアプローチとは対照的に、合成によって調製したポリマーに本来備わる多孔性は、活性化工程での材料損失がより少ないことから、より高いプロセス収率をもたらす。しかしながら、合成ポリマーから炭素材料を調製する公知の方法で製造される炭素材料は、細孔構造が最適化されておらず、不適切なレベルの不純物を有する。従って、これらの材料から調製される電極は、不適切な電気化学特性を示す。
一般に、炭素含有合成ポリマーを製造するためのポリマー組成物及び方法には、ポリマーを生成する初期反応、残留液体反応成分を除去するための乾燥工程、続いて熱分解の前の硬化又は炭化工程が含まれる。当該技術分野において公知の方法には、凍結乾燥、超臨界乾燥及び蒸発が含まれる。各乾燥方法は、製造プロセス全体に付与される追加のコスト、時間及び／又は労力に関して欠点がある。
【０００４】
当該技術分野は大きく進歩してきたが、電気エネルギー貯蔵デバイスに使用するための高純度炭素材料を製造する方法の改善は、当該技術分野で必要とされ続けている。本発明はこれらの必要性を満たし、かつ更に関連する利点を提供する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
大まかに言えば、本発明は、最適化された細孔構造を備えた炭素材料を調製する新規化合物及び方法に関する。最適化された細孔構造が有するメソ細孔体積、細孔容積分布及び表面積は、本開示の方法を使用して調製された炭素材料を有する電極において、電力密度を増やし、高いイオン移動度をもたらす。更に、本方法に従って調製された炭素材料を含む電極は、イオン抵抗が低く、周波数応答が高い。従って、これらの電極は、既知の方法を用いて調製された他の炭素材料を有する特定の電極に比べて、電力密度が高く、体積比容量が大きい。本方法に従って調製された炭素材料の高い純度は、多数の蓄電及び／又は配電デバイスの動作、寿命、及び性能の向上にも寄与すると同時に、材料、時間及び／又は労力の点で製造コストを最小限に抑える。
従って、本方法に従って調製された炭素材料は、多数の電気エネルギー貯蔵デバイス（例えば、ウルトラキャパシタの電極材料として）に有用である。本方法に従って調製された炭素材料を含有するかかるデバイスは、高パルス電力を必要とする用途等、多数の用途において有用である。本方法に従って調製された炭素材料独自の特性により、デバイスは、耐久性の向上、ひいては寿命の延長も期待される。上記の利点の全てが、製造の全体コストを削減しながら実現される。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
従って、本開示の一実施形態は、
ａ）溶媒と、触媒と、第１モノマーと、第２モノマーとを組合せて反応混合物を得るステップ、
ｂ）上記反応混合物を、第１モノマーと第２モノマーを共重合して樹脂混合物を得るのに十分な保持温度に保持するステップ、
ｃ）上記樹脂混合物を硬化温度で加熱し、それによって、溶媒と、第１モノマーと第２モノマーとの共重合から形成されたポリマーと、を含むポリマー組成物を形成するステップであって、ポリマー組成物中の溶媒濃度が、ポリマー組成物の全質量を基準にして少なくとも５質量％である、ステップ、及び
ｄ）上記ポリマー組成物を熱分解温度で熱分解し、それによって溶媒を実質的に除去すると共にポリマーを熱分解して、炭素材料を得るステップ
を含む、方法に関する。
別の実施形態は、
ａ）溶媒と、触媒と、第１モノマーと、第２モノマーとを組合せて反応混合物を得るステップ、
ｂ）上記反応混合物の温度を、ある保持昇温速度で上昇し、反応混合物を、第１モノマーと第２モノマーとを共重合してポリマー組成物を得るのに十分な保持温度に保持するステップ、及び
ｃ）任意で、ポリマー組成物を硬化温度で加熱し、それによって、溶媒と、第１モノマーと第２モノマーとの共重合から形成されたポリマーと、を含む硬化ポリマー組成物を形成するステップであって、硬化ポリマー組成物中の溶媒濃度が、硬化ポリマー組成物の全質量を基準にして少なくとも５質量％である、ステップ
を含む、方法を提供する。
別の実施形態は、
ａ）溶媒と、触媒と、第１モノマーと、第２モノマーとを組合せて反応混合物を得るとともに、反応混合物を反応時間の間、反応温度に維持するステップ、
ｂ）上記反応混合物を、第１モノマーと第２モノマーを共重合して樹脂混合物を得るのに十分な保持温度に保持するステップ、
ｃ）上記樹脂混合物を最高で硬化温度まで加熱し、それによって、溶媒と、第１モノマーと第２モノマーとの共重合から形成されたポリマーと、を含むポリマー組成物を形成するステップ、及び
ｄ）上記ポリマー組成物を熱分解温度で熱分解し、それによって溶媒を実質的に除去すると共にポリマーを熱分解して、炭素材料を得るステップ
を含む、方法を提供する。
一実施形態は、
ａ）溶媒と、触媒と、第１モノマーと、第２モノマーとを組合せて反応混合物を得るとともに、反応混合物を反応時間の間、反応温度に維持するステップ、
ｂ）上記反応混合物の温度を、ある保持昇温速度で上昇し、反応混合物を、第１モノマーと第２モノマーとを共重合してポリマー組成物を得るのに十分な保持温度に保持するステップ、及び
ｃ）任意で、ポリマー組成物を最高で硬化温度まで加熱し、それによって、溶媒と、第１モノマーと第２モノマーとの共重合から形成されたポリマーと、を含む硬化ポリマー組成物を形成するステップ
を含む、方法を提供する。
更に別の実施形態は、
ａ）溶媒と、触媒と、第１モノマーと、第２モノマーとを組合せて反応混合物を得るステップ、
ｂ）上記反応混合物を、第１モノマーと第２モノマーを共重合して樹脂混合物を得るのに十分な保持温度で、ある保持時間の間、保持するステップ、
ｃ）上記樹脂混合物を硬化温度で加熱し、それによって、溶媒と、第１モノマーと第２モノマーとの共重合から形成されたポリマーと、を含むポリマー組成物を形成するステップ、及び
ｄ）上記ポリマー組成物を熱分解温度で熱分解し、それによって溶媒を実質的に除去すると共にポリマーを熱分解して、炭素材料を得るステップ
を含む、方法を提供する。
別の実施形態は、
ａ）溶媒と、触媒と、第１モノマーと、第２モノマーとを組合せて反応混合物を得るステップ、
ｂ）上記反応混合物の温度を、ある保持昇温速度で上昇し、反応混合物を、第１モノマーと第２モノマーとを共重合してポリマー組成物を得るのに十分な保持温度で、ある保持時間の間保持するステップ、及び
ｃ）任意で、ポリマー組成物を硬化温度で加熱し、それによって、溶媒と、第１モノマーと第２モノマーとの共重合から形成されたポリマーと、を含む硬化ポリマー組成物を形成するステップ
を含む、方法を提供する。
１つの他の実施形態は、
ａ）溶媒と、触媒と、第１モノマーと、第２モノマーとを組合せて反応混合物を得るステップ、
ｂ）上記反応混合物を、第１モノマーと第２モノマーを共重合して樹脂混合物を得るのに十分な保持温度に保持するステップ、
ｃ）上記樹脂混合物を、初期温度から最高で硬化温度まで、少なくとも０．５℃／時の硬化昇温速度で上昇することによって加熱し、それによって、溶媒と、第１モノマーと第２モノマーとの共重合から形成されたポリマーと、を含むポリマー組成物を形成するステップ、及び
ｄ）上記ポリマー組成物を熱分解温度で熱分解し、それによって溶媒を実質的に除去すると共にポリマーを熱分解して、炭素材料を得るステップ
を含む、方法を提供する。
別の実施形態は、
ａ）溶媒と、触媒と、第１モノマーと、第２モノマーとを組合せて反応混合物を得るステップ、
ｂ）任意で、上記反応混合物を、第１モノマーと第２モノマーとを共重合してポリマー組成物を得るのに十分な保持温度に保持するステップ、
ｃ）上記ポリマー組成物を、初期温度から最高で硬化温度まで、少なくとも０．５℃／時の硬化昇温速度で上昇することによって加熱し、それによって、溶媒と、第１モノマーと第２モノマーとの共重合から形成されたポリマーと、を含む硬化ポリマー組成物を形成するステップ、を含む、方法を提供する。一実施形態は、
ａ）溶媒と、触媒と、第１モノマーと、第２モノマーとを組合せて反応混合物を得るステップ、
ｂ）容積が１０Ｌを超え、表面積対容積のアスペクト比が約３ｍ2／ｍ3を超える反応容器に、反応混合物を移すステップ、
ｃ）上記反応混合物の温度を、ある保持昇温速度で上昇し、反応混合物を、第１モノマーと第２モノマーとを共重合してポリマー組成物を得るのに十分な保持温度で、ある保持時間の間保持するステップ、及び
ｄ）任意で、ポリマー組成物を硬化温度で加熱し、それによって、溶媒と、第１モノマーと第２モノマーとの共重合から形成されたポリマーと、を含む硬化ポリマー組成物を形成するステップ
を含む、方法を提供する。
【０００７】
別の実施形態は、ポリマー組成物の約１０質量％を超える溶媒濃度と、０．５を超える相対的細孔完全性（ｒｅｌａｔｉｖｅ  ｐｏｒｅ  ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ）を有するポリマーと、を有する、ポリマー組成物又は硬化ポリマー組成物を提供する。
【０００８】
本発明のこれらの態様及び他の態様は、以下の詳細な説明に対する参照時に明白となる。
図中で、同一の参照番号は、同一の要素を特定する。図中の要素の大きさ及び相対位置は、必ずしも正確な縮尺である必要はなく、これらの要素のいくつかは、図の視認性を改善するように、拡大及び配置されている。更に、描かれた要素の特定の形状は、特定の要素の実際の形状に関する何らかの情報を伝えること意図するものではなく、単に図の認識を容易にするために選択されたものである。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】０〜１２時間の範囲の保持時間について、例示的な炭素材料の細孔容積を示す。
【図２】０〜１２時間の範囲の保持時間について、例示的な炭素材料の細孔容積分布を示す。
【図３】例示的な炭素材料について、０、１．７、３及び５日の保持時間に対して細孔容積をグラフ表示したグラフである。
【図４】０〜５日の範囲の保持時間で調製された例示的な炭素材料の細孔容積分布を示す。
【図５】１、３、１０及び１１０℃／時の硬化昇温速度を用いて調製された炭素材料試料の細孔容積を示す。
【図６】１〜１１０℃／時の硬化昇温速度を用いて調製された炭素材料試料の細孔容積分布を示す。
【図７】熱分解の前に凍結乾燥あり（試料５Ａ）及び凍結乾燥なし４（試料５Ｂ）で処理した例示的な炭素材料の細孔容積分布を示す。
【図８】熱分解の前に凍結乾燥あり（試料８Ａ）及び凍結乾燥なし４（試料８Ｂ）で処理した例示的な炭素材料の細孔容積分布を示す。
【図９】炭素材料の相対的細孔完全性の値を最大保持温度に対してプロットした分布図を示す。
【図１０】実施例１１に従って調製された材料のメソ細孔性炭素の孔径分布を示す。
【図１１】実施例１２に従って調製された材料（活性化されていない）のメソ細孔性炭素の孔径分布を示す。
【図１２】実施例１２に従って調製された材料（活性化されている）のメソ細孔性炭素の孔径分布を示す。
【図１３】熱分解炭素材料（試料１３ａ）及び非熱分解炭素材料（試料ｌ３ｂ）の細孔容積分布を示す。
【図１４】細孔容積が相対的に高いポリマー組成物（試料１４ａ）及び細孔容積が相対的に低いポリマー組成物（試料１４ｂ）の窒素吸着データを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下の説明において、様々な実施形態の十分な理解をもたらすために、特定の明確な詳細が記載される。しかしながら、当業者には当然のことながら、本発明はそれらの詳細無しでも実施され得る。他の場合では、周知の構造は、実施形態の不必要に不明瞭な記載を回避するために、示されないか又は詳述されない。文脈上他に要求されない限り、続く本明細書及び特許請求の範囲の全体を通して、語「含む、有する（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」及びその変形である「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」及び「含んでいる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」等は、オープンな、包括的意味、即ち、「包含するが、これらに限定されない」を包含すると解釈されるべきである。更に、本明細書に提示される見出しは、単に便宜上のものであり、特許請求された本発明の範囲又は意味を解釈するものではない。
本明細書の全体を通して、「一実施形態」又は「（ある）実施形態」への言及は、その実施形態と関連して記載される特有の特色、構造又は特徴が、少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。従って、本明細書の全体を通して様々な場所における語句「一実施形態では」又は「（ある）実施形態では」の出現は、必ずしも全てが同一の実施形態を指していない。更に、特有の特色、構造、又は特徴は、任意の好適な手法で、１つ又はそれより多くの実施形態と組合せられ得る。また、本明細書及び添付の特許請求の範囲で使用するとき、単数形「１つの」、「ある」、「その」（「ａ」「ａｎ」及び「ｔｈｅ」）は、内容による別段の明確な指示がない限り、複数の指示内容を含む。用語「又は」は、内容による別段の明確な指示がない限り、「及び／又は」を含むその意味で、一般に利用されることに留意されたい。
【００１１】
定義
本明細書で使用するとき、文脈が別段に示していない限り、以下の用語は下に規定される意味を有する。
【００１２】
「炭素材料」は、実質的に炭素からなる材料又は物質を指す。炭素材料は、超高純度並びに非晶質及び結晶性の炭素材料を含む。炭素材料の例としては、活性炭、熱分解乾燥炭素、熱分解ポリマー組成物等が挙げられるがこれらに限定されない。
「非晶質」は、その構成原子、分子、又はイオンが、規則的な繰り返しパターンを伴うことなく不規則に配置している、例えば非晶質炭素材料のような材料を指す。非晶質材料は、いくらかの局在する結晶化度（即ち、規則性）を有し得るが、原子位置の長範囲の秩序は欠如している。熱分解炭素材料及び／又は活性炭材料は、一般に非晶質である。
「結晶性」は、その構成原子、分子、又はイオンが、秩序ある繰り返しパターンに配置している材料を指す。結晶性炭素材料の例として、ダイヤモンド及びグラフェンが挙げられるが、これらに限定されない。
「合成（の）」は、天然供給源からではなく、化学的手段により調製された物質を指す。例えば、合成炭素材料は、モノマーから合成されたものであり、天然供給源から単離されたものではない。
「不純物」又は「不純物元素」は、主材料の化学的組成物とは異なる、材料内の望ましくない外来物質（例えば、化学元素）を指す。例えば、炭素材料中の不純物とは、炭素材料中に存在する炭素以外の任意の元素又は元素の組合せを指す。不純物レベルは、典型的には百万分率（ｐｐｍ）で表される。
「ＰＩＸＥ不純物」又は「ＰＩＸＥ元素」は、１１〜９２（即ち、ナトリウムからウランまで）の範囲の原子番号を有する任意の不純物元素である。語句「全ＰＩＸＥ不純物含有量」及び「全ＰＩＸＥ不純物レベル」は両方とも、試料（例えば、ポリマー組成物、硬化ポリマー組成物、又は炭素材料）中に存在する全てのＰＩＸＥ不純物の総計を指す。ＰＩＸＥ不純物濃度及び同定は、プロトン励起Ｘ線放射（ＰＩＸＥ）により決定され得る。
「ＴＸＲＦ不純物」又は「ＴＸＲＦ元素」は、１１〜９２（即ち、ベリリウムからウランまで）の範囲の原子番号を有する任意の不純物元素である。語句「全ＴＸＲＦ不純物含有量」及び「全ＴＸＲＦ不純物レベル」は両方とも、試料（例えば、ポリマー組成物、硬化ポリマー組成物、又は炭素材料）中に存在する全てのＴＸＲＦ不純物の総計を指す。ＴＸＲＦ不純物濃度及び同定は、全反射蛍光Ｘ線分析（ＴＸＲＦ）により決定され得る。
「超高純度」は、全ＰＩＸＥ又は全ＴＸＲＦ不純物含有量が０．０５０％未満の物質を指す。例えば、「超高純度炭素材料」は、全ＰＩＸＥ又は全ＴＸＲＦ不純物含有量が０．０５０％（即ち、５００ｐｐｍ）未満の炭素材料である。
「灰分」は、物質を高い分解温度で処理した後に残存する不揮発性無機物を指す。本明細書では、炭素材料の灰分は、不揮発性元素が予期される燃焼生成物（即ち、酸化物）に完全に変換すると仮定して、プロトン励起Ｘ線放射又は全反射蛍光Ｘ線により測定された全ＰＩＸＥ又は全ＴＸＲＦ不純物含有量から算出される。
「ポリマー」は、２つ以上の構造的繰り返し単位から構成される巨大分子を指す。
「ポリマー組成物」及び「樹脂混合物」への言及は、本開示全体を通して、互換可能に使用される。「ポリマー組成物」及び「樹脂混合物」は、固体、ゲル、エマルション、懸濁液、液体、又はこれらの任意の組合せであり得る。いくつかの実施形態では、ポリマー組成物又は樹脂混合物は固体である。いくつかの実施形態では、ポリマー組成物又は樹脂混合物はゲルである。いくつかの実施形態では、ポリマー組成物又は樹脂混合物は液体（例えば、溶媒及び／又は触媒）を含む固体である。
「モノマー」又は「ポリマー前駆体」は、合成ポリマーの調製に使用される化合物を指す。本明細書に開示される調製の特定の実施形態で使用され得るモノマーの例として、アルデヒド（即ち、ＨＣ（＝Ｏ）Ｒ、式中、Ｒは有機基である）、例えば、メタナール（ホルムアルデヒド）；エタナール（アセトアルデヒド）；プロパナール（プロピオンアルデヒド）；ブタナール（ブチルアルデヒド）；グルコース；ベンズアルデヒド及びシンナムアルデヒドが挙げられるが、これらに限定されない。他の例示的なモノマーとして、フェノール等のフェノール化合物並びにジヒドロキシベンゼン又はトリヒドロキシベンゼン等のポリヒドロキシベンゼン、例えば、レゾルシノール（即ち、１，３−ジヒドロキシベンゼン）、カテコール、ヒドロキノン、及びフロログルシノールが挙げられるが、これらに限定されない。２つ以上のポリヒドロキシベンゼンの混合物も、モノマーの意味に含まれると想到される。
【００１３】
「相対的細孔完全性」は、温度約０℃超の温度及び大気圧若しくは大気圧に近い圧力で（例えば、キルン又は熱分解オーブン内で）熱分解中に溶媒が除去されたときに、ポリマー組成物又は硬化ポリマー組成物が細孔構造を維持する度合いを、同じポリマー組成物又は硬化ポリマー組成物から、凍結乾燥、超臨界ＣＯ2乾燥、溶媒交換プロセス等の乾燥法を用いて、熱分解の前に溶媒を除去したときに維持される全細孔容積又はメソ細孔構造を基準にして示した値を指す。「相対的細孔完全性」は、熱分解のみを用いて得られた生成物（即ち、炭素材料）が維持する全細孔容積又はメソ細孔容積を、凍結乾燥、超臨界ＣＯ2乾燥、溶媒交換プロセス等の乾燥法を用いて得られた生成物と比較した比として表される（即ち、相対的細孔完全性の値が１．００であることは、いずれのプロセスから得られた炭素材料も、同じ全細孔容積又はメソ細孔容積を有することを意味する）。例えば、いくつかの実施形態では、相対的細孔完全性は、０．００超〜１．００の範囲、例えば０．０２２である。いくつかの実施形態では、相対的細孔完全性は０．４超、例えば０．９６である。いくつかの実施形態では、相対的細孔完全性は、０．０５超〜１．００、０．１０超〜１．００、０．１５超〜１．００、０．２０超〜１．００、０．２５超〜１．００、０．３０超〜１．００、０．３５超〜１．００、０．４０超〜１．００、０．４５超〜１．００、０．５０超〜１．００、０．５０超〜１．００、０．６０超〜１．００、０．７０超〜１．００、０．７５超〜１．００、０．８０超〜１．００、０．８５超〜１．００、０．９０超〜１．００、又は０．９５超〜１．００の範囲である。
【００１４】
「モノリシック」は、本来は粒子状ではない固体の三次元構造を指す。
「ゾル」は、前駆体粒子（例えば、モノマー）のコロイド懸濁液を指し、用語「ゲル」は、モノマーの濃縮又は反応により得られる湿潤した三次元多孔質ネットワークを指す。
「ポリマーゲル」は、その中でネットワーク成分がポリマーであるゲルを指し；一般に、ポリマーゲルは、モノマーから形成されるポリマーを含む湿潤（水性又は非水性の）三次元構造である。
「ゾルゲル」は、ポリマーゲルの下位分類で、ポリマーが、モノマーの反応により得られる湿潤三次元多孔質ネットワークを形成するコロイド懸濁液のものを指す。
「ポリマーヒドロゲル」又は「ヒドロゲル」は、ポリマーゲル又はゲルの下位分類で、合成前駆体又はモノマー用の溶媒が、水又は水と１つ以上の水混和性溶媒との混合物のものを指す。
「ＲＦポリマーヒドロゲル」は、ポリマーゲルの下位分類で、ポリマーが、水又は水と１つ以上の水混和性溶媒との混合物中でのレゾルシノールとホルムアルデヒドとの触媒反応から形成されたものを指す。
「ＲＦポリマー」は、ポリマーの下位分類で、ポリマーが、水又は水と１つ以上の水混和性溶媒との混合物中でのレゾルシノールとホルムアルデヒドとの触媒反応から形成されたものを指す。
「酸」は、溶液のｐＨを低下させることができる任意の物質を指す。酸は、アレニウス酸、ブレンステッド酸及びルイス酸を含む。「固体酸」は、溶媒に溶解すると酸性溶液を生じる、乾燥した又は顆粒状の化合物を指す。用語「酸性」は、酸の特性を有することを意味する。
「塩基」は、溶液のｐＨを上昇させることができる任意の物質を指す。塩基は、アレニウス塩基、ブレンステッド塩基及びルイス塩基を含む。「固体塩基」は、溶媒に溶解すると塩基性溶液を生じる、乾燥した又は顆粒状の化合物を指す。用語「塩基性」は、塩基の特性を有することを意味する。
「混合溶媒系」は、２つ以上の溶媒、例えば２つ以上の混和性溶媒からなる溶媒系を指す。二元溶媒系（即ち、２つの溶媒を含有する）の例として、水と酢酸、水とギ酸、水とプロピオン酸、水と酪酸が挙げられるが、これらに限定されない。三元溶媒系（即ち、３つの溶媒を含有する）の例として、水と酢酸とエタノール、水と酢酸とアセトン、水と酢酸とギ酸、水と酢酸とプロピオン酸等が挙げられるが、これらに限定されない。本発明の実施形態は、２つ以上の溶媒を含む全ての混合溶媒系を想定している。
「混和性」は、混合物が特定範囲の温度、圧力、及び組成にわたって単相を形成する場合の混合物の特性を指す。
「触媒」は、化学反応の速度を変える物質である。触媒は、循環して反応に関与し、その結果触媒は循環的に再生される。本開示は、ナトリウムを含まない触媒を想定している。本明細書に記載のポリマー組成物（例えば、超高純度ポリマー組成物）の調製に使用される触媒は、モノマーの共重合を促進する任意の化合物であることができる。「揮発性触媒」は、大気圧以下で蒸発する傾向を有する触媒である。例示的な揮発性触媒として、重炭酸アンモニウム、酢酸アンモニウム、炭酸アンモニウム、水酸化アンモニウム、及びこれらの組合せ等のアンモニウム塩が挙げられるが、これらに限定されない。
「溶媒」は、反応物（例えば、第１及び第２モノマー）を溶解又は懸濁し、その中で反応が起こり得る媒体を提供する物質を指す。本明細書に開示されるゲル、樹脂混合物、ポリマー組成物、硬化ポリマー組成物、超高純度ポリマー組成物、炭素材料、超高純度炭素材料及び超高純度合成非晶質炭素材料の調製において有用な溶媒の例として、水、アルコール及びこれらの混合物が挙げられるが、これらに限定されない。例示的なアルコールとして、エタノール、ｔ−ブタノール、メタノール及びこれらの混合物が挙げられる。かかる溶媒は、モノマーの溶解、例えばフェノール化合物又はアルデヒド化合物の溶解に有用である。加えて、いくつかのプロセスでは、かかる溶媒はポリマー組成物における溶媒交換に用いられ、この場合、モノマーの共重合からの溶媒（例えばレゾルシノール及びホルムアルデヒド）は、純アルコールと交換される。本出願の一実施形態では、炭素材料は溶媒交換を含まないプロセスによって調製される。
【００１５】
「乾燥ゲル」又は「乾燥ポリマーゲル」は、それぞれ、溶媒（一般的には、水、又は水と１つ以上の水混和性溶媒との混合物）が実質的に除去されたゲル又はポリマーゲルを指す。
「熱分解乾燥ポリマーゲル」は、熱分解されたがまだ活性化されていない乾燥ポリマーゲルを指し、「活性化乾燥ポリマーゲル」は、活性化された乾燥ポリマーゲルを指す。
「熱分解クリオゲル」は、熱分解されたがまだ活性化されていないクリオゲルである。
「活性化クリオゲル」は、活性炭材料を得るために活性化されたクリオゲルである。
「キセロゲル」は、例えば大気圧以下で、空気乾燥により乾燥された乾燥ゲルを指す。
「熱分解キセロゲル」は、熱分解されたがまだ活性化されていないキセロゲルである。
「活性化キセロゲル」は、活性炭材料を得るために活性化されたキセロゲルである。
「エアロゲル」は、例えば超臨界二酸化炭素を使用して、超臨界乾燥により乾燥された乾燥ゲルを指す。
「熱分解エアロゲル」は、熱分解されたがまだ活性化されていないエアロゲルである。
「活性化エアロゲル」は、活性炭材料を得るために活性化されたエアロゲルである。
「有機抽出溶媒」は、モノマーの重合（例えば、共重合）開始後、一般的にはポリマー組成物の重合完了後に、ポリマー組成物に添加される有機溶媒を意味する。
「高速多方向凍結」は、モノリシックポリマーゲルからポリマーゲル粒子を作製し、このポリマーゲル粒子を好適な冷媒で処理することによって、ポリマーゲルを凍結するプロセスを指す。冷媒は、例えば液体窒素、窒素ガス、又は固体二酸化炭素であり得る。高速多方向凍結の間は、氷の核生成が氷の結晶成長よりも優位である。好適な冷媒は、例えば約−１０℃未満の温度の気体、液体、又は固体であり得る。あるいは、好適な冷媒は、約−２０℃未満の温度の気体、液体、又は固体であり得る。あるいは、好適な冷媒は、約−３０℃未満の温度の気体、液体、又は固体であり得る。
【００１６】
「活性化する」及び「活性化」は各々、原材料又は炭化／熱分解された物質を、酸化雰囲気（例えば、二酸化炭素、酸素、蒸気又はこれらの組合せ）に曝露しながら活性化滞留温度に加熱して、「活性化」物質（例えば、活性炭材料）を製造するプロセスを指す。活性化プロセスは、一般に、粒子表面を剥がし、表面積の増加をもたらす。あるいは、活性化は、化学的手段により達成でき、例えば、炭素含有前駆体材料に、リン酸のような酸又は水酸化カリウム、水酸化ナトリウムのような塩基又は塩化亜鉛のような塩等の化学物質を含浸させ、その後炭化することで達成できる。「活性化（された）」とは、活性化プロセスを経た材料又は物質、例えば炭素材料を指す。
「炭化する」、「熱分解する」、「炭化」及び「熱分解」は各々、プロセスの最後に収集される標的材料が主に炭素となるように、所望により活性雰囲気下（例えば、アルゴン、窒素又はこれらの組合せ）又は真空下で、炭素含有物質をある温度で加熱するプロセスを指す。「熱分解（された）」は、熱分解プロセスを経た材料又は物質、例えば炭素材料を指す。
【００１７】
「滞留温度」は、プロセスのうち、相対的に一定の温度を維持する（即ち、昇温も降温もしない）ために用意された部分の間の炉、オーブン又は他の加熱チャンバの温度を指す。例えば、熱分解滞留温度は、熱分解中の炉、オーブン又は加熱チャンバの相対的に一定の温度を指し、炭化滞留温度は、硬化中の炉、オーブン又は加熱チャンバの相対的に一定の温度を指す。
「昇温速度」は、プロセスの様々なステップの間の温度変化の速度を指し、保持昇温速度及び／又は硬化昇温速度等がある。本明細書で使用するとき、ある範囲及び／又は閾値（例えば、それぞれ、約３℃／時〜約１００℃／時の範囲、及び約３℃／時を超える）は、昇温速度が、０秒を超える期間にわたって特定の範囲内にあるか又は値を超えることを意味する。例えば、昇温速度は、本明細書で使用するとき、例えば線形速度、指数関数的速度を含み、横這い又は増加し得るという点で動的である。
「細孔」は、炭素材料（例えば、熱分解炭素材料、熱分解ポリマー組成物、活性炭材料、活性化ポリマー組成物等）にある、表面の開口又はくぼみ、又は貫通孔を指す。細孔は、単一の貫通孔でもよく、又は構造の全体を通して連続的なネットワークにおいて他の貫通孔と連結していてもよい。
「細孔構造」は、活性炭材料等の炭素材料内の内部細孔の表面の配置を指す。細孔構造の成分として、孔径、メソ細孔容積、表面積、密度、孔径分布及び細孔長さが挙げられる。一般に、活性炭材料の細孔構造は、ミクロ細孔及びメソ細孔を含む。例えば、特定の実施形態では、メソ細孔に対するミクロ細孔の比が、電気化学的性能の向上のために最適化されている。
「メソ細孔」は、通常は、２ナノメートル〜５０ナノメートルの範囲の直径を有する細孔を指し、一方、用語「ミクロ細孔」は、２ナノメートル未満の直径を有する細孔を指す。
「表面積」は、ＢＥＴ技術により測定可能な、物質の全比表面積を指す。表面積は、典型的にはｍ2／ｇの単位で表される。ＢＥＴ（ブルナウアー／エメット／テラー）技術は、不活性ガス（例えば、窒素）を利用して、材料上に吸着されたガスの量を測定するもので、当技術分野において材料の接触可能な表面積を決定するために一般的に使用される。
「連結した」は、メソ細孔及びミクロ細孔に関連して使用されるとき、このような細孔の空間的方向性を指す。
「有効長さ」は、細孔の長さのうち、電解質から塩イオンを受け取るために利用できる十分な直径の部分の長さを指す。
「電極」は、活性材料を含む、セルの正又は負の構成要素（例えば、コンデンサ、電池等）を指す。電極は、一般に、電気が電極を出入りする際に通る１つ以上の金属リードを備える。
「バインダー」は、バインダーと粒子を共に混合した後、得られた混合物が、シート、ペレット、ディスク又は他の形状に形成できるように、物質（例えば、炭素材料）の個々の粒子を共に保持することが可能な材料を指す。特定の実施形態では、電極は、本明細書に記載の方法の実施形態に従って調製された炭素材料と、バインダーとを含み得る。バインダーの非限定的な例として、フルオロポリマー、例えば、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン、Ｔｅｆｌｏｎ）、ＰＦＡ（ペルフルオロアルコキシポリマー樹脂、Ｔｅｆｌｏｎとしても公知）、ＦＥＰ（フッ化エチレンプロピレン、Ｔｅｆｌｏｎとしても公知）、ＥＴＦＥ（ポリエチレンテトラフルオロエチレン、Ｔｅｆｚｅｌ及びＦｌｕｏｎとして販売）、ＰＶＦ（フッ化ポリビニル、Ｔｅｄｌａｒとして販売）、ＥＣＴＦＥ（ポリエチレンクロロトリフルオロエチレン、Ｈａｌａｒとして販売）、ＰＶＤＦ（フッ化ポリビニリデン、Ｋｙｎａｒとして販売）、ＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン、Ｋｅｌ−Ｆ及びＣＴＦＥとして販売）、トリフルオロエタノール並びにこれらの組合せ等が挙げられる。
「不活性」は、電気エネルギー貯蔵装置の電解質中で活性ではない、即ち、大量のイオンを吸収しないか、又は化学的に変化しない（例えば、分解しない）材料を指す。
「導電性」は、緩く保持された価電子の伝達によって材料が電子を伝導する能力を指す。
「集電体」は、電気エネルギー貯蔵及び／又は分配デバイスのうち、デバイスに出入りする電気の流れを促進する電気的接続を提供する部分を指す。集電体は、金属及び／又は他の導電性材料を含むことが多く、電極に出入りする電気の流れを促進するための、電極のバッキングとして使用可能である。
「電解質」は、物質が導電性となるような自由イオンを含有する物質を意味する。電解質は、電気的エネルギー貯蔵デバイスに一般的に利用される。電解質の例としては、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジエチルカーボネート、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、又はこれらの混合物等の溶媒を、テトラアルキルアンモニウム塩（例えば、ＴＥＡＴＦＢ（テトラエチルアンモニウムテトラフルオロボラート）、ＭＴＥＡＴＦＢ（メチルトリエチルアンモニウムテトラフルオロボラート）、ＥＭＩＴＦＢ（１−エチル−３−メチルイミドアゾリウムテトラフルオロボラート）、テトラエチルアンモニウム、トリエチルアンモニウム等をベースとする塩、又はこれらの混合物）等の溶質と組合せたものが挙げられるがこれらに限定されない。いくつかの実施形態では、電解質は、水性酸又は水性塩基の電解質、例えば、希硫酸水溶液又は水酸化カリウム水溶液であり得る。
【００１８】
Ａ．炭素材料の調製
電気化学的変性剤を含み、かつ表面積が大きく、多孔度が高く、不要な不純物のレベルが低い炭素材料を、ある種の乾燥プロセス（例えば凍結乾燥、超臨界乾燥又は空気乾燥）を使用することなく調製する方法の実施形態は、当該技術分野において公知ではない。表面積が大きく、多孔度が高い炭素材料を調製する現在の方法では、不要な不純物のレベルが高い、及び／又はコストのかかる乾燥処理を含む、炭素材料が得られる。これらの炭素材料に電気化学的変性剤を組み込むことによって調製される電極は、製造コストが実質的に多くかかる、及び／又は残留不純物により電気的性能が低い。
【００１９】
従って、一実施形態では、本開示は
ａ）溶媒と、触媒と、第１モノマーと、第２モノマーとを組合せて反応混合物を得るステップ、
ｂ）上記反応混合物を、第１モノマーと第２モノマーを共重合して樹脂混合物を得るのに十分な保持温度に保持するステップ、
ｃ）上記樹脂混合物を硬化温度で加熱し、それによって、溶媒と、第１モノマーと第２モノマーとの共重合から形成されたポリマーと、を含むポリマー組成物を形成するステップであって、ポリマー組成物中の溶媒濃度が、ポリマー組成物の全質量を基準にして少なくとも５質量％である、ステップ、及び
ｄ）上記ポリマー組成物を熱分解温度で熱分解し、それによって溶媒を実質的に除去すると共にポリマーを熱分解して、炭素材料を得るステップ
を含む、方法を提供する。
いくつかのより具体的な実施形態では、
ａ）溶媒と、触媒と、第１モノマーと、第２モノマーとを組合せて反応混合物を得るステップ、
ｂ）上記反応混合物の温度を、ある保持昇温速度で上昇し、反応混合物を、第１モノマーと第２モノマーとを共重合してポリマー組成物を得るのに十分な保持温度に保持するステップ、及び
ｃ）任意で、ポリマー組成物を硬化温度で加熱し、それによって、溶媒と、第１モノマーと第２モノマーとの共重合から形成されたポリマーと、を含む硬化ポリマー組成物を形成するステップであって、硬化ポリマー組成物中の溶媒濃度が、硬化ポリマー組成物の全質量を基準にして少なくとも５質量％である、ステップ
を含む、方法を提供する。
いくつかの実施形態では、方法は、硬化ポリマー組成物を熱分解温度で熱分解し、それによって溶媒を実質的に除去すると共にポリマーを熱分解して、炭素材料を得るステップを更に含む。別の実施形態では、方法は、ポリマー組成物を硬化温度で加熱し、それによって、溶媒と、第１モノマーと第２モノマーとの共重合から形成されたポリマーと、を含む硬化ポリマー組成物を形成するステップであって、硬化ポリマー組成物中の溶媒濃度が、硬化ポリマー組成物の全質量を基準にして少なくとも５質量％であるステップを更に含む。
【００２０】
いくつかの具体的な実施形態では、硬化ポリマー組成物中の溶媒の濃度は、硬化ポリマー組成物の１０質量％超である。いくつかの実施形態では、硬化ポリマー組成物中の溶媒の濃度は、ポリマー組成物の２０質量％超である。いくつかの実施形態では、硬化ポリマー組成物中の溶媒の濃度は、硬化ポリマー組成物の約４５質量％〜約９０質量％の範囲である。より具体的な実施形態では、硬化ポリマー組成物中の溶媒の濃度は、約５０質量％〜約７５質量％である。より具体的な実施形態では、硬化ポリマー組成物中の溶媒の濃度は、約３５質量％〜約８０質量％、約３５質量％〜約７５質量％、約３０質量％〜約９０質量％、約３０質量％〜約８５質量％、約３０質量％〜約７０質量％、約６０質量％〜約９０質量％、又は約６５質量％〜約８０質量％の範囲である。
従って、いくつかの実施形態では、熱分解の前に、硬化ポリマー組成物中の水分は、硬化ポリマー組成物の５０質量％〜約９９質量％の範囲である。いくつかの実施形態では、硬化ポリマー組成物中の溶媒の濃度は、約０質量％超〜９９質量％、約５質量％超〜９９質量％、約１０質量％超〜９９質量％、約１５質量％超〜９９質量％、約２０質量％超〜９９質量％、約２５質量％超〜９９質量％、約３０質量％超〜９９質量％、約３５質量％超〜９９質量％、約４０質量％超〜９９質量％、約４５質量％超〜９９質量％、約５０質量％超〜９９質量％、約５５質量％超〜９９質量％、約６０質量％超〜９９質量％、約６５質量％超〜９９質量％、約７０質量％超〜９９質量％、約７５質量％超〜９９質量％、約８０質量％超〜９９質量％、約８５質量％超〜９９質量％、約９０質量％超〜９９質量％、約０質量％超〜９５質量％、約０質量％超〜９０質量％、約０質量％超〜８５質量％、約０質量％超〜８０質量％、約０質量％超〜７５質量％、約０質量％超〜７０質量％、約０質量％超〜６５質量％、約０質量％超〜６０質量％、約０質量％超〜５５質量％、約０質量％超〜５０質量％、約０質量％超〜４５質量％、約０質量％超〜４０質量％、約０質量％超〜３５質量％、約０質量％超〜３０質量％、約０質量％超〜２５質量％、約０質量％超〜２０質量％、約０質量％超〜１５質量％、約０質量％超〜１０質量％、約０質量％超〜５質量％、約０質量％超〜２．５質量％、又は約０質量％超〜１質量％の範囲である。
【００２１】
特定の具体的な実施形態では、硬化ポリマー組成物中の溶媒の濃度は、質量／質量、体積／体積又は質量／体積で測定したときに、硬化ポリマー組成物の約０．０超％〜約９０％の範囲である。他の実施形態では、硬化ポリマー組成物中の溶媒の濃度は、質量／質量、体積／体積又は質量／体積で測定したときに、硬化ポリマー組成物の約０．０超％〜約８８％、約０．０超％〜約８５％、約０．０超％〜約８２．５％、約０．０超％〜約８０％、約０．０超％〜約７７．５％、約０．０超％〜約７５％、約０．０超％〜約７２．５％、約０．０超％〜約７０％、約０．０超％〜約６７．５％、約０．０超％〜約６５％、約０．０超％〜約６２．５％、約０．０超％〜約６０％、約０．０超％〜約５７．５％、約０．０超％〜約５５％、約０．０超％〜約５２．５％、約０．０超％〜約５０％、約０．０超％〜約４７．５％、約０．０超％〜約４５％、約０．０超％〜約４２．５％、約０．０超％〜約４０％、約０．０超％〜約３７．５％、約０．０超％〜約３５％、約０．０超％〜約３２．５％、約０．０超％〜約３０％、約０．０超％〜約２７．５％、約０．０超％〜約２５％、約０．０超％〜約２２．５％、約０．０超％〜約２０％、約０．０超％〜約１７．５％、約０．０超％〜約１５％、約０．０超％〜約１２．５％、約０．０超％〜約１０％、約０．０超％〜約７．５％、約０．０超％〜約５％、約０．０超％〜約２．５％、約０．０超％〜約１％、約１％超〜約９０％、約２．５％超〜約９０％、約５％超〜約９０％、約７．５％超〜約９０％、約１０％超〜約９０％、約１２．５％超〜約９０％、約１５％超〜約９０％、約１７．５％超〜約９０％、約２０％超〜約９０％、約２２．５％超〜約９０％、約２５％超〜約９０％、約２７．５％超〜約９０％、約３０％超〜約９０％、約３２．５％超〜約９０％、約３５％超〜約９０％、約３７．５％超〜約９０％、約４０％超〜約９０％、約４２．５％超〜約９０％、約４５％超〜約９０％、約４７．５％超〜約９０％、約５０％超〜約９０％、約５２．５％超〜約９０％、約５５％超〜約９０％、約５７．５％超〜約９０％、約６０％超〜約９０％、約６２．５％超〜約９０％、約６５％超〜約９０％、約６７．５％超〜約９０％、約７０％超〜約９０％、約７２．５％超〜約９０％、約７５％超〜約９０％、約７７．５％超〜約９０％、又は約８０％超〜約９０％の範囲である。
特定の実施形態では、硬化ポリマー組成物中の溶媒の濃度は、硬化ポリマー組成物の０．５質量％超、１質量％超、２質量％超、３質量％超、４質量％超、５質量％超、６質量％超、７質量％超、８質量％超、９質量％超、１０質量％超、１５質量％超、２０質量％超、２２．５質量％超、２５質量％超、２７．５質量％超、３０質量％超、３５質量％超、３７．５質量％超、４０質量％超、４５質量％超、５０質量％超、５５質量％超、６０質量％超、６５質量％超、７０質量％超、７５質量％超、８０質量％超、８５質量％超、９０質量％超、９５質量％超又は９９質量％超である。
【００２２】
いくつかの実施形態では、硬化ポリマー組成物は、約０．２５質量％〜約０．９５質量％の触媒を更に含む。いくつかの実施形態では、硬化ポリマー組成物は、約０．３０質量％〜約０．９０質量％の触媒を更に含む。いくつかの実施形態では、硬化ポリマー組成物は、約０．０１質量％〜約０．９５質量％の触媒を更に含む。いくつかの実施形態では、硬化ポリマー組成物は、約０．１０質量％〜約０．９０質量％の触媒を更に含む。他の実施形態では、硬化ポリマー組成物は、約０．３５質量％〜約０．８５質量％の触媒を更に含む。他の実施形態では、硬化ポリマー組成物は、約０．２５質量％〜約０．８５質量％の触媒を更に含む。
本明細書に記載の方法のいくつかの実施形態では、第１モノマー対触媒のモル比は約５：１〜約２０００：１であり、又は第１モノマー対触媒のモル比は約２０：１〜約２００：１である。更なる実施形態では、第１モノマー対触媒のモル比は、約２５：１〜約１００：１である。更なる実施形態では、第１モノマー対触媒のモル比は約２５：１〜約５０：１である。更なる実施形態では、第１モノマー対触媒のモル比は約１００：１〜約５：１である。
第１モノマーがレゾルシノールであり、第２モノマーがホルムアルデヒドである特定の実施形態では、レゾルシノール対触媒の比は、得られる硬化ポリマー組成物及び炭素材料に所望の特性を得るために変動し得る。本明細書に記載の方法のいくつかの実施形態では、レゾルシノール対触媒のモル比は約１０：１〜約２０００：１であり、又はレゾルシノール対触媒のモル比は約２０：１〜約２００：１である。更なる実施形態では、レゾルシノール対触媒のモル比は約２５：１〜約１００：１である。更なる実施形態では、レゾルシノール対触媒のモル比は約２５：１〜約５０：１である。更なる実施形態では、レゾルシノール対触媒のモル比は約１００：１〜約５：１である。
【００２３】
いくつかの具体的な実施形態では、反応混合物は、質量／質量、体積／体積又は質量／体積として測定して、反応混合物の約０．０１％超の触媒濃度を有する。他の実施形態では、反応混合物は、質量／質量、体積／体積又は質量／体積として測定して、約０．０２％超、約０．０３％超、約０．０４％超、約０．０５％超、約０．１０％超、約０．１５％超、約０．２０％超、約０．２５％超、約０．３０％超、約０．３５％超、約０．３７％超、約０．４０％超、約０．４２％超、約０．４５％超、約０．４７％超、約０．５０％超、約０．５２％超、約０．５５％超、約０．５７％超、約０．６０％超、約０．６２％超、約０．６５％超、約０．６７％超、約０．７０％超、約０．７２％超、約０．７５％超、約０．７７％超、約０．８０％超、約０．８２％超、約０．８５％超、約０．９０％超、約０．９５％超、約１．０％超、約２．５％超、約５％超又は約１０％超の触媒濃度を有する。
いくつかのより具体的な実施形態では、反応混合物は、質量／質量、体積／体積又は質量／体積として測定して、約０．０１％超〜約１０％、約０．０５％超〜約８％、約０．１０％超〜約６％、約０．２０％超〜約５％、約０．２０％超〜約１％、約０．２０％超〜約０．９５％、約０．２０％超〜約０．９０％、約０．２０％超〜約０．８５％、約０．２５％超〜約１％、約０．２５％超〜約０．９５％、約０．２５％超〜約０．９０％、約０．２５％超〜約０．９０％、約０．３０％超〜約１％、約０．３０％超〜約０．９５％、約０．３０％超〜約０．９０％、約０．３０％超〜約０．８５％、約０．３５％超〜約１％、約０．３５％超〜約０．９５％、約０．３５％超〜約０．９０％、約０．３５％超〜約０．８５％又は約０．２０％超〜約０．３５％の触媒濃度を有する。
【００２４】
特定の実施形態では、硬化ポリマー組成物は更に、２０質量％超の溶媒濃度を有し、触媒濃度は硬化ポリマー組成物の０．２０質量％〜約１質量％の範囲である。他の実施形態では、硬化ポリマー組成物は更に、２０質量％超の溶媒濃度を有し、触媒濃度は硬化ポリマー組成物の０．２０質量％〜約０．８５質量％の範囲である。特定の実施形態では、硬化ポリマー組成物は更に、１５質量％超の溶媒濃度を有し、触媒濃度は硬化ポリマー組成物の０．２０質量％〜約１質量％の範囲である。特定の実施形態では、硬化ポリマー組成物は更に、１０質量％超の溶媒濃度を有し、触媒濃度は硬化ポリマー組成物の０．２０質量％〜約１質量％の範囲である。特定の実施形態では、硬化ポリマー組成物は更に、１５質量％超の溶媒濃度を有し、触媒濃度は硬化ポリマー組成物の０．２０質量％〜約０．８５質量％の範囲である。特定の実施形態では、硬化ポリマー組成物は更に、１０質量％超の溶媒濃度を有し、触媒濃度は硬化ポリマー組成物の０．２０質量％〜約０．８５質量％の範囲である。
【００２５】
別の実施形態は、
ａ）溶媒と、触媒と、第１モノマーと、第２モノマーとを組合せて反応混合物を得るとともに、反応混合物を反応時間の間、反応温度に維持するステップ、
ｂ）上記反応混合物を、第１モノマーと第２モノマーを共重合して樹脂混合物を得るのに十分な保持温度に保持するステップ、
ｃ）上記樹脂混合物を最高で硬化温度まで加熱し、それによって、溶媒と、第１モノマーと第２モノマーとの共重合から形成されたポリマーと、を含むポリマー組成物を形成するステップ、及び
ｄ）上記ポリマー組成物を熱分解温度で熱分解し、それによって溶媒を実質的に除去すると共にポリマーを熱分解して、炭素材料を得るステップ
を含む、方法を提供する。
追加の実施形態は、
ａ）溶媒と、触媒と、第１モノマーと、第２モノマーとを組合せて反応混合物を得るとともに、反応混合物を反応時間の間、反応温度に維持するステップ、
ｂ）上記反応混合物の温度を、ある保持昇温速度で上昇し、反応混合物を、第１モノマーと第２モノマーとを共重合してポリマー組成物を得るのに十分な保持温度に保持するステップ、及び
ｃ）任意で、ポリマー組成物を最高で硬化温度まで加熱し、それによって、溶媒と、第１モノマーと第２モノマーとの共重合から形成されたポリマーと、を含む硬化ポリマー組成物を形成するステップ
を含む、方法を提供する。
【００２６】
いくつかの実施形態では、方法は、硬化ポリマー組成物を熱分解温度で熱分解し、それによって溶媒を実質的に除去すると共にポリマーを熱分解して、炭素材料を得るステップを更に含む。他の実施形態では、方法は、ポリマー組成物を最高で硬化温度まで加熱し、それによって、溶媒と、第１モノマーと第２モノマーとの共重合から形成されたポリマーと、を含む硬化ポリマー組成物を形成するステップを更に含む。
【００２７】
理論に束縛されるものではないが、出願人は、パラメータ（例えば、保持昇温速度、保持時間、保持温度、硬化昇温速度等）が、所望の特性を有する炭素材料を得るために必要な反応時間に影響することを発見した。従って、反応時間を、具体的な実施形態における他のパラメータを考慮して選択してもよい。例えば、具体的な一実施形態では、相対的に長い保持時間（例えば、７日）及び高い保持温度（例えば、１３０℃）が、比較的短い反応時間（例えば、約０時間超〜約１時間）の根拠となり得る。
【００２８】
いくつかの実施形態では、反応温度は約１５℃超、約２０℃超、約２５℃超、約３０℃超、約３１℃超、約３２℃超、約３３℃超、約３３℃超、約３４℃超、約３５℃超、約３６℃超、約３７℃超、約３８℃超、約３９℃超、約４０℃超、約４１℃超、約４２℃超、約４３℃超、約４４℃超、約４５℃超、約４６℃超、約４７℃超、約４８℃超、約４９℃超、約５０℃超、約５２．５℃超、約５５℃超、約５７．５℃超、約６０℃超、約６２．５℃超、約６５℃超、約６７．５℃超、約７０℃超、約７２．５℃超、約７５℃超、約７７．５℃超、約８０℃超、約８２．５℃超、約８５℃超、約８７．５℃超、約９０℃超、約９５℃超、約１００℃超、約１０５℃超、約１１０℃超、約１１５℃超、約１２０℃又は約１２５℃超である。
いくつかの実施形態では、反応温度は特定の範囲内である。例えば、いくつかの実施形態では、反応温度は約５℃〜約８０℃、約２０℃〜約６０℃、約３０℃〜約５０℃、約３０℃〜約４５℃、約３０℃〜約４０℃、約３５℃〜約５０℃、約３５℃〜約４５℃、約３５℃〜約４０℃、約４０℃〜約６０℃、約４０℃〜約５５℃、約４０℃〜約５０℃、約４０℃〜約４５℃又は約４５℃〜約６５℃の範囲である。
【００２９】
いくつかの実施形態では、反応時間は、１日超、２日超、３日超、４日超、５日超、６日超、７日超、８日超、９日超、１０日超、１１日超、１２日超、１３日超又は１４日超である。
いくつかの実施形態では、反応時間は、約０時間超〜約１２０時間、約０時間超〜約１１０時間、約０時間超〜約１００時間、約０時間超〜約９０時間、約０時間超〜約７２時間、約０時間超〜約６０時間、約０時間超〜約４８時間、約０時間超〜約３６時間、約０時間超〜約２４時間、約０時間超〜約１２時間、約０時間超〜約１０時間、約０時間超〜約８時間、約０時間超〜約６時間、約０時間超〜約５時間、約０時間超〜約４時間、約０時間超〜約３時間、約０時間超〜約２時間、約０時間超〜約１時間、約１時間超〜約１２０時間、約２時間超〜約１２０時間、約３時間超〜約１２０時間、約４時間超〜約１２０時間、約４時間超〜約１２０時間、約５時間超〜約１２０時間、約６時間超〜約１２０時間、約８時間超〜約１２０時間、約１０時間超〜約１２０時間、約１２時間超〜約１２０時間、約２４時間超〜約１２０時間、約３６時間超〜約１２０時間、約４８時間超〜約１２０時間、約６０時間超〜約１２０時間、約７２時間超〜約１２０時間又は約９０時間超〜約１２０時間の範囲である。
いくつかのより具体的な実施形態では、反応時間は、約０分超〜約４８０分、約０分超〜約２４０分、約０分超〜約１８０分、約０分超〜約１２０分、約０分超〜約９０分、約０分超〜約６０分、約０分超〜約３０分、約０分超〜約２０分、約０分超〜約１０分、約５分超〜約４８０分、約１０分超〜約４８０分、約２０分超〜約４８０分、約３０分超〜約４８０分、約４０分超〜約４８０分、約６０分超〜約４８０分、約９０分超〜約４８０分、約１２０分超〜約４８０分、約１８０分超〜約４８０分又は約２４０分超〜約４８０分の範囲である。
他の関連実施形態では、反応時間は約０時間超〜約１２０時間の範囲である。より具体的な実施形態では、反応時間は約０時間超〜約６時間の範囲である。より具体的な実施形態では、反応時間は約３時間超〜約６時間の範囲である。
【００３０】
特定の実施形態では、反応温度は約２０℃〜約１３０℃の範囲である。いくつかの実施形態では、反応温度は約３８℃〜約４２℃の範囲である。いくつかの他の実施形態では、反応温度は約４８℃〜約５２℃の範囲である。
他の具体的な実施形態では、反応温度は約２０℃超〜約１５０℃の範囲であり、保持温度は約２０℃超〜約１５０℃の範囲である。より具体的な実施形態では、反応温度は約２５℃超〜約８０℃の範囲であり、保持温度は約４０℃超〜約１２０℃の範囲である。いくつかの実施形態では、反応温度は約２５℃超〜約５０℃の範囲であり、保持温度は約６０℃超〜約１２０℃の範囲である。
いくつかの実施形態では、反応温度は約２０℃〜約３０℃、約２５℃〜約３５℃、約３０℃〜約４０℃、約３５℃〜約４０℃、約３０℃〜約３５℃、約３５℃〜約４５℃、約３０℃〜約５０℃又は約４５℃〜約５０℃の範囲である。
【００３１】
更に別の実施形態は、
ａ）溶媒と、触媒と、第１モノマーと、第２モノマーとを組合せて反応混合物を得るステップ、
ｂ）上記反応混合物を、第１モノマーと第２モノマーを共重合して樹脂混合物を得るのに十分な保持温度で、ある保持時間の間、保持するステップ、
ｃ）上記樹脂混合物を硬化温度で加熱し、それによって、溶媒と、第１モノマーと第２モノマーとの共重合から形成されたポリマーと、を含むポリマー組成物を形成するステップ、及び
ｄ）上記ポリマー組成物を熱分解温度で熱分解し、それによって溶媒を実質的に除去すると共にポリマーを熱分解して、炭素材料を得るステップ
を含む、方法を提供する。
いくつかの実施形態では、方法は、
ａ）溶媒と、触媒と、第１モノマーと、第２モノマーとを組合せて反応混合物を得るステップ、
ｂ）上記反応混合物の温度を、ある保持昇温速度で上昇し、反応混合物を、第１モノマーと第２モノマーとを共重合してポリマー組成物を得るのに十分な保持温度で、ある保持時間の間保持するステップ、及び
ｃ）任意で、ポリマー組成物を硬化温度で加熱し、それによって、溶媒と、第１モノマーと第２モノマーとの共重合から形成されたポリマーと、を含む硬化ポリマー組成物を形成するステップ
を含む。
いくつかのより具体的な実施形態では、方法は、硬化ポリマー組成物を熱分解温度で熱分解し、それによって溶媒を実質的に除去すると共にポリマーを熱分解して、炭素材料を得るステップを更に含む。他の実施形態では、方法は、ポリマー組成物を硬化温度で加熱し、それによって、溶媒と、第１モノマーと第２モノマーとの共重合から形成されたポリマーと、を含む硬化ポリマー組成物を形成するステップを更に含む。
【００３２】
特定の実施形態では、反応混合物の屈折率が測定される。例えば、いくつかの実施形態では、反応混合物は約１．４２〜約１．４６の範囲の屈折率を有する。いくつかの実施形態では、反応混合物は、約１．００超、約１．０５超、約１．１０超、約１．１５超、約１．２０超、約１．２５超、約１．３０超、約１．３５超、約１．４０超、約１．４１５超、約１．４２０超、約１．４２５超、約１．４３０超、約１．４３５超、約１．４４０超、約１．４２１超、約１．４２２超、約１．４２３超、約１．４２４超、約１．４２５超、約１．４２６超、約１．４２７超、約１．４２８超、約１．４２９超、約１．４３１超、約１．４３２超、約１．４３３超、約１．４３４超、約１．４３６超、約１．４３７超、約１．４３８超、約１．４３９超、約１．４４１超、約１．４４２超、約１．４４３超、約１．４４４超、又は約１．４４５超の屈折率を有する。
特定の実施形態では、屈折率は、約１．３００〜約１．５００、約１．４１０〜約１．４５０、約１．４２０〜約１．４４０、約１．４２０〜約１．４３９、約１．４２０〜約１．４３８、約１．４２０〜約１．４３７、約１．４２０〜約１．４３６、約１．４２０〜約１．４３５、約１．４２０〜約１．４３４、約１．４２０〜約１．４３３又は約１．４２５〜約１．４３７の範囲である。
【００３３】
ポリマー組成物及び／又は硬化ポリマー組成物を形成するための重合（例えば、共重合）は、当該技術分野において記載されている様々な手段によって達成でき、電気化学的変性剤の添加を含み得る。例えば、共重合は、好適なモノマー（例えば、第１及び第２モノマー）又はポリマー組成物と、任意で電気化学的変性剤とを、好適な触媒の存在下で、十分な時間にわたってインキュベートすることによって達成できる。反応時間及び／又は保持時間は、温度に応じて、数分又は数時間〜数日の範囲の期間であり得る（温度が高いほど反応速度が速く、それに応じて必要な時間が短い）。反応温度及び／又は保持温度は、室温（例えば、１ａｔｍで２５℃）から、出発溶液の沸点に近い（ただし、沸点より低い）温度までの範囲をとることができる。例えば、反応温度及び／又は保持温度は、約２０℃〜約９０℃の範囲をとり得る。
【００３４】
いくつかの実施形態では、保持温度は約１５℃超、約２０℃超、約２５℃超、約３０℃超、約３１℃超、約３２℃超、約３３℃超、約３３℃超、約３４℃超、約３５℃超、約３６℃超、約３７℃超、約３８℃超、約３９℃超、約４０℃超、約４１℃超、約４２℃超、約４３℃超、約４４℃超、約４５℃超、約４６℃超、約４７℃超、約４８℃超、約４９℃超、約５０℃超、約５２．５℃超、約５５℃超、約５７．５℃超、約６０℃超、約６２．５℃超、約６５℃超、約６７．５℃超、約７０℃超、約７２．５℃超、約７５℃超、約７７．５℃超、約８０℃超、約８２．５℃超、約８５℃超、約８７．５℃超、約９０℃超、約９５℃超、約１００℃超、約１０５℃超、約１１０℃超、約１１５℃超、約１２０℃又は約１２５℃超である。
いくつかの実施形態では、保持温度は特定の範囲内である。例えば、いくつかの実施形態では、保持温度は約５℃〜約１５０℃、約１０℃〜約１４０℃、約１０℃〜約１３０℃、約１５℃〜約１２０℃、約２０℃〜約１２０℃、約２５℃〜約１２０℃、約３０℃〜約１１０℃、約４０℃〜約１００℃、約５０℃〜約９０℃、約５５℃〜約８５℃、約６０℃〜約８０℃、約２０℃〜約７０℃、又は約６５℃〜約８５℃の範囲である。いくつかの具体的な実施形態では、保持温度は約２０℃〜約８０℃の範囲である。特定の実施形態では、保持温度は約１５℃〜約１２０℃、約１５℃〜約８０℃、約１５℃〜約４０℃、約２０℃〜約３０℃又は約２０℃〜約２５℃の範囲である。
【００３５】
いくつかの実施形態では、保持時間は約０時間超、約１時間超、約２時間超、約３時間超、約４時間超、約５時間超、約６時間超、約７時間超、約８時間超、約９時間超、約１０時間超、約１１時間超、約１２時間超、約２４時間超、約４０時間超、約４８時間超、約６０時間超、約７２時間超、約１００時間超、約１２０時間超である。
いくつかの実施形態では、保持時間は１日超、２日超、３日超、４日超、５日超、６日超、７日超、８日超、９日超、１０日超、１１日超、１２日超、１３日超又は１４日超である。
いくつかの実施形態では、保持時間は１週間超、２週間超、３週間超、４週間超、１カ月超、２カ月超、３カ月超、４カ月超、５カ月超、６カ月超、７カ月超、８カ月超、９カ月超、１０カ月超、１１カ月超、１２カ月超、１８カ月超、２４カ月超又は５年超である。
理論に束縛されるものではないが、出願人は、パラメータ（例えば、反応時間、反応温度、保持昇温速度、保持温度、硬化昇温速度等）が、所望の特性を有する炭素材料を得るために必要な保持時間に影響することを発見した。従って、保持時間を、具体的な実施形態における他のパラメータを考慮して選択してもよい。例えば、具体的な一実施形態では、相対的に長い反応時間（例えば、６時間）及び高い反応温度（例えば、８５℃）が、比較的短い保持時間（例えば、約０時間超〜約１時間）の根拠となり得る。
従って、いくつかの実施形態では、保持時間は約０時間超〜約１２０時間、約０時間超〜約１１０時間、約０時間超〜約１００時間、約０時間超〜約９０時間、約０時間超〜約７２時間、約０時間超〜約６０時間、約０時間超〜約４８時間、約０時間超〜約３６時間、約０時間超〜約２４時間、約０時間超〜約１２時間、約０時間超〜約１０時間、約０時間超〜約８時間、約０時間超〜約６時間、約０時間超〜約５時間、約０時間超〜約４時間、約０時間超〜約３時間、約０時間超〜約２時間、約０時間超〜約１時間、約１時間超〜約１２０時間、約２時間超〜約１２０時間、約３時間超〜約１２０時間、約４時間超〜約１２０時間、約４時間超〜約１２０時間、約５時間超〜約１２０時間、約６時間超〜約１２０時間、約８時間超〜約１２０時間、約１０時間超〜約１２０時間、約１２時間超〜約１２０時間、約２４時間超〜約１２０時間、約３６時間超〜約１２０時間、約４８時間超〜約１２０時間、約６０時間超〜約１２０時間、約７２時間超〜約１２０時間又は約９０時間超〜約１２０時間の範囲である。
【００３６】
いくつかのより具体的な実施形態では、反応時間は約０分超〜約２４０分の範囲であり、保持時間は約０時間超〜約２４０時間の範囲である。他の実施形態では、反応時間は約０分超〜約１２０分の範囲であり、保持時間は約０時間超〜約９０時間の範囲である。いくつかの実施形態では、反応時間は約１０分超〜約１８０分の範囲であり、保持温度は約２時間超〜約１２時間の範囲である。他の実施形態では、反応時間は約３０分超〜約１８０分の範囲であり、保持時間は約２時間超〜約８時間の範囲である。
いくつかの実施形態では、保持時間は約０時間超〜約１２０時間の範囲である。より具体的な実施形態では、保持時間は約０時間超〜約４０時間の範囲である。いくつかの実施形態では、保持時間は約０時間超〜約３時間の範囲である。いくつかの実施形態では、保持時間は約０時間超〜約１カ月の範囲である。
特定の実施形態では、保持温度は約１５℃〜約１２０℃の範囲である。他の実施形態では、保持温度は約２０℃〜約８０℃の範囲である。
【００３７】
更に別の実施形態は、
ａ）溶媒と、触媒と、第１モノマーと、第２モノマーとを組合せて反応混合物を得るステップ、
ｂ）上記反応混合物を、第１モノマーと第２モノマーを共重合して樹脂混合物を得るのに十分な保持温度に保持するステップ、
ｃ）上記樹脂混合物を、初期温度から最高で硬化温度まで、少なくとも０．５℃／時の硬化昇温速度で上昇することによって加熱し、それによって、溶媒と、第１モノマーと第２モノマーとの共重合から形成されたポリマーと、を含むポリマー組成物を形成するステップ、及び
ｄ）上記ポリマー組成物を熱分解温度で熱分解し、それによって溶媒を実質的に除去すると共にポリマーを熱分解して、炭素材料を得るステップ
を含む、方法を提供する。
一実施形態は、
ａ）溶媒と、触媒と、第１モノマーと、第２モノマーとを組合せて反応混合物を得るステップ、
ｂ）任意で、上記反応混合物を、第１モノマーと第２モノマーとを共重合してポリマー組成物を得るのに十分な保持温度に保持するステップ、
ｃ）組成物を、初期温度から最高で硬化温度まで、少なくとも０．５℃／時の硬化昇温速度で上昇することによって加熱し、それによって、溶媒と、第１モノマーと第２モノマーとの共重合から形成されたポリマーと、を含む硬化ポリマー組成物を形成するステップ
を含む方法を提供する。
いくつかの実施形態では、方法は、第１モノマーと第２モノマーとを共重合してポリマー組成物を得るのに十分な保持温度に保持するステップを更に含む。いくつかの実施形態では、方法は、反応混合物の温度を保持昇温速度で上昇させるステップを更に含む。いくつかのより具体的な実施形態では、方法は、硬化ポリマー組成物を熱分解温度で熱分解し、それによって溶媒を実質的に除去すると共にポリマーを熱分解して、炭素材料を得るステップを更に含む。更に他の実施形態では、方法は、ポリマー組成物を硬化温度で加熱し、それによって、溶媒と、第１モノマーと第２モノマーとの共重合から形成されたポリマーと、を含む硬化ポリマー組成物を形成するステップを更に含む。
【００３８】
いくつかの実施形態では、硬化昇温速度は約０．５℃／時を超える。他の実施形態では、硬化昇温速度は約１１０℃／時を超える。他の実施形態では、硬化昇温速度は約０．７５℃／時を超え、約０．９℃／時を超え、約１℃／時を超え、約２℃／時を超え、約３℃／時を超え、約４℃／時を超え、約５℃／時を超え、約１０℃／時を超え、約１５℃／時を超え、約２０℃／時を超え、約２５℃／時を超え、約３０℃／時を超え、約３５℃／時を超え、約４０℃／時を超え、約４５℃／時を超え、約５０℃／時を超え、約５５℃／時を超え、約６０℃／時を超え、約６５℃／時を超え、約７０℃／時を超え、約７５℃／時を超え、約８０℃／時を超え、又は約１００℃／時を超える。
いくつかの実施形態では、初期温度は約１５℃〜約３０℃の範囲である。例えば、いくつかの実施形態では、初期温度は１０℃、１１℃、１２℃、１３℃、１４℃、１５℃、１６℃、１７℃、１８℃、１９℃、２０℃、２１℃、２２℃、２３℃、２４℃、２５℃、２６℃、２７℃、２８℃、２９℃、３０℃、３１℃、３２℃、３３℃、３４℃、３５℃、３７℃、３８℃、３９℃、又は４０℃である。
【００３９】
更に、硬化昇温速度は、炭素材料の最終組成に影響するパラメータである。従って、硬化昇温速度は、本開示の方法に使用される他のパラメータを考慮して選択される。いくつかの実施形態では、硬化昇温速度は約０．１℃／時を超え〜約２００℃／時、約０．５℃／時を超え〜約１５０℃／時、約１℃／時を超え〜約１２０℃／時、約３℃／時を超え〜約１２０℃／時、約５℃／時を超え〜約１２０℃／時、約１０℃／時を超え〜約１２０℃／時、約２５℃／時を超え〜約２００℃／時、約４０℃／時を超え〜約２００℃／時、約５０℃／時を超え〜約２００℃／時、約６０℃／時を超え〜約２００℃／時、約７０℃／時を超え〜約２００℃／時、約８０℃／時を超え〜約２００℃／時、約９０℃／時を超え〜約２００℃／時、約１００℃／時を超え〜約２００℃／時、約１００℃／時を超え〜約１９０℃／時、約１００℃／時を超え〜約１８０℃／時、約１００℃／時を超え〜約１７０℃／時、約１００℃／時を超え〜約１６０℃／時、約１００℃／時を超え〜約１５０℃／時、約１００℃／時を超え〜約１４０℃／時、約１００℃／時を超え〜約１３０℃／時、約１００℃／時を超え〜約１２０℃／時又は約１００℃／時を超え〜約１１０℃／時の範囲である。
【００４０】
いくつかの実施形態では、保持昇温速度はポリマー及び／又は炭素材料の最終組成に影響するパラメータである。保持昇温速度は、本開示の方法に使用される他のパラメータを考慮して選択される。いくつかの実施形態では、保持昇温速度は、約０．１℃／時を超え〜約２００℃／時、約０．５℃／時を超え〜約１５０℃／時、約１℃／時を超え〜約１２０℃／時、約３℃／時を超え〜約１２０℃／時、約５℃／時を超え〜約１２０℃／時、約１０℃／時を超え〜約１２０℃／時、約２５℃／時を超え〜約２００℃／時、約４０℃／時を超え〜約２００℃／時、約５０℃／時を超え〜約２００℃／時、約６０℃／時を超え〜約２００℃／時、約７０℃／時を超え〜約２００℃／時、約８０℃／時を超え〜約２００℃／時、約９０℃／時を超え〜約２００℃／時、約１００℃／時を超え〜約２００℃／時、約１００℃／時を超え〜約１９０℃／時、約１００℃／時を超え〜約１８０℃／時、約１００℃／時を超え〜約１７０℃／時、約１００℃／時を超え〜約１６０℃／時、約１００℃／時を超え〜約１５０℃／時、約１００℃／時を超え〜約１４０℃／時、約１００℃／時を超え〜約１３０℃／時、約１００℃／時を超え〜約１２０℃／時又は約１００℃／時を超え〜約１１０℃／時の範囲である。
いくつかのより具体的な実施形態では、保持昇温速度は約３℃／時を超える。いくつかの実施形態では、保持昇温速度は約１０℃／時を超える。いくつかの具体的な実施形態では、保持昇温速度は約１００℃／時を超える。
【００４１】
いくつかの実施形態では、温度及び昇温速度は、内部測定デバイス（例えば、温度計又は熱電対）を用いて決定される。従って、いくつかの実施形態では、温度及び／又は昇温速度は、内部温度読取を用いて（即ち、反応混合物、樹脂混合物、ポリマー組成物、及び／又は硬化ポリマー組成物の内部温度を決定することによって）決定される。従って、いくつかの実施形態では、保持昇温速度は、反応混合物内の内部温度読取（例えば、熱電対による）から決定される。いくつかの他の実施形態では、保持温度は、反応混合物内の内部温度読取（例えば、熱電対による）から決定される。特定の実施形態では、硬化温度は、樹脂混合物内の内部温度読取（例えば、熱電対による）から決定される。特定の実施形態では、硬化温度は、ポリマー組成物内の内部温度読取（例えば、熱電対による）から決定される。いくつかの実施形態では、熱分解温度は、硬化ポリマー組成物内の内部温度読取（例えば、熱電対による）から決定される。
【００４２】
有利には、本明細書に開示される方法の実施形態は、表面積が大きく、多孔度が高く、及び／又は不要な不純物のレベルが低い炭素材料を得るように修正できる。いくつかの実施形態では、方法は、熱分解後の炭素材料の活性化を更に含む。本方法の実施形態は、電気化学的変性剤を任意の数のステップで組み込むことができる大きな柔軟性を提供する。他の実施形態では、第２の炭素材料又は他の供給源由来の材料（例えば、カーボンナノチューブ、炭素繊維等）に電気化学的変性剤を含浸し、本明細書に開示される方法によって調製された炭素材料と組合せることができる。一実施形態では、方法は、炭素材料を電気化学的変性剤と組合せるステップを更に含む。本開示の方法の様々な実施形態の可変プロセスパラメータの詳細を、以下に記載する。
【００４３】
最終的な炭素材料組成物及び特徴に影響する別のパラメータは、硬化温度である。特定の実施形態では、硬化温度は約８０℃〜約３００℃の範囲である。いくつかのより具体的な実施形態では、硬化温度は約５０℃超、約５５℃超、約６０℃超、約６５℃超、約７０℃超、約７５℃超、約８０℃超、約８５℃超、約９０℃超、約９５℃超、約１００℃超、約１０５℃超、約１１０℃超、約１２０℃超、約１３０℃超、約１３５℃超、約１４０℃超、約１５０℃超、約１６０℃超、約１７０℃超、約１８０℃超、約１９０℃、約２００℃超、約２５０℃超又は約３００℃超である。
いくつかの実施形態では、硬化温度は約７０℃〜約２００℃、約８０℃〜約１５０℃、約８０℃〜約１２０℃又は約８０℃〜約１１０℃の範囲である。
特定の実施形態では、硬化温度は約５０℃超〜約５００℃、約６０℃超〜約５００℃、約７０℃超〜約５００℃、約８０℃超〜約５００℃、約９０℃超〜約５００℃、約９５℃超〜約５００℃超、約１００℃〜約５００℃超、約１２０℃〜約５００℃超、約１５０℃〜約５００℃超、約１８０℃〜約５００℃、約８０℃超〜約４００℃、約８０℃超〜約３００℃、約８０℃超〜約２００℃、約８０℃超〜約１５０℃、約８０℃超〜約１２０℃、約８５℃超〜約１１５℃、約８５℃超〜約１１０℃、約８５℃超〜約１０５℃又は約８５℃超〜約１００℃の範囲である。
【００４４】
いくつかの具体的な実施形態では、硬化昇温速度は約３℃／時を超え、硬化温度は約５０℃超〜約５００℃の範囲である。いくつかの実施形態では、硬化昇温速度は約１０℃／時を超え、硬化温度は約７５℃超〜約１５０℃の範囲である。別の実施形態では、硬化昇温速度は約８０℃／時を超え、硬化温度は約７５℃超〜約１５０℃の範囲である。別の実施形態では、硬化昇温速度は約１００℃／時を超え、硬化温度は約７５℃超〜約１５０℃の範囲である。
【００４５】
いくつかの実施形態では、硬化温度は約０時間超〜約９６時間の範囲の期間にわたって維持される。例えば、いくつかの実施形態では、硬化温度は約０時間超〜約４８時間、約０時間超〜約２４時間の範囲の期間にわたって維持される。いくつかの実施形態では、硬化温度は、約０時間超〜約４８０時間、約０時間超〜約２４０時間、約０時間超〜約１２０時間、約０時間超〜約９０時間、約０時間超〜約８４時間、約０時間超〜約７２時間、約０時間超〜約６０時間、約０時間超〜約３６時間、約０時間超〜約２２時間、約０時間超〜約２０時間、約０時間超〜約１８時間、約０時間超〜約１６時間、約０時間超〜約１４時間、約０時間超〜約１２時間、約０時間超〜約１０時間、約０時間超〜約８時間、約０時間超〜約７時間、約０時間超〜約６時間、約０時間超〜約５時間、約０時間超〜約４時間、約０時間超〜約３時間、約０時間超〜約２時間、約０時間超〜約１時間、約０時間超〜約０．５時間、約０．５時間超〜約４８０時間、約１時間超〜約４８０時間、約２時間超〜約４８０時間、約３時間超〜約４８０時間、約４時間超〜約４８０時間、約５時間超〜約４８０時間、約６時間超〜約４８０時間、約７時間超〜約４８０時間、約８時間超〜約４８０時間、約１０時間超〜約４８０時間、約１２時間超〜約４８０時間、約１４時間超〜約４８０時間、約１６時間超〜約４８０時間、約１８時間超〜約４８０時間、約２０時間超〜約４８０時間、約２２時間超〜約４８０時間、約２４時間超〜約４８０時間、約３６時間超〜約４８０時間、約４８時間超〜約４８０時間、約６０時間超〜約４８０時間、約７２時間超〜約４８０時間、約８４時間超〜約４８０時間、約９６時間超〜約４８０時間又は約１２０時間超〜約４８０時間の範囲の期間にわたって維持される。
いくつかの実施形態では、硬化温度は、約０時間超、約０．５時間超、約０．７５時間超、約１時間超、約１．５時間超、約１．７５時間超、約２時間超、約３時間超、約４時間超、約５時間超、約６時間超、約７時間超、約８時間超、約９時間超、約１０時間超、約１１時間超、約１２時間超、約１４時間超、約１６時間超、約１８時間超、約２０時間超、約２２時間超、約２４時間超、約２６時間超、約２８時間超、約３０時間超、約３６時間超、約４８時間超、約６０時間超、約７２時間超、約８４時間超、約９６時間超、約１２０時間超、約２４０時間超又は約４８０時間超の期間にわたって維持される。
【００４６】
いくつかの実施形態では、樹脂混合物は、加熱の間、周囲雰囲気下にある。いくつかの実施形態では、方法は、熱分解の前に乾燥ステップを含まない。いくつかのより具体的な実施形態では、乾燥ステップは、凍結乾燥、超臨界乾燥、又はこれらの組合せを含む。いくつかの実施形態では、乾燥ステップは蒸発を含む。
いくつかの実施形態では、ポリマー組成物は、加熱の間、周囲雰囲気下にある。いくつかの実施形態では、方法は、熱分解の前に乾燥ステップを含まない。いくつかのより具体的な実施形態では、乾燥ステップは、凍結乾燥、超臨界乾燥、又はこれらの組合せを含む。いくつかの実施形態では、乾燥ステップは蒸発を含む。
特定の実施形態では、炭素材料は、改良されたゾルゲルプロセスによって調製される。例えば、いくつかの実施形態では、硬化ポリマー組成物は、１つ以上のモノマーを、適切な溶媒中で組合せて、溶媒（例えば、水）を含む硬化ポリマー組成物をもたらすことによって調製できる。一実施形態では、硬化ポリマー組成物は、酸性条件下で合成される。別の実施形態では、硬化ポリマー組成物は、塩基性条件下で合成される。
【００４７】
特定の実施形態では、炭素材料は、改良されたゾルゲルプロセスによって調製される。例えば、いくつかの実施形態では、ポリマー組成物は、１つ以上のモノマーを、適切な溶媒中で組合せて、溶媒（例えば、水）を含むポリマー組成物をもたらすことによって調製できる。一実施形態では、ポリマー組成物は、酸性条件下で合成される。別の実施形態では、ポリマー組成物は、塩基性条件下で合成される。
【００４８】
いくつかの実施形態では、第１モノマーはフェノール化合物である。いくつかの実施形態では、第２モノマーはアルデヒド化合物である。一実施形態では、フェノール化合物は、フェノール、レゾルシノール、カテコール、ヒドロキノン、フロログルシノール、又はこれらの組合せである。いくつかの実施形態では、アルデヒド化合物は、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、プロピオンアルデヒド、ブチルアルデヒド、ベンズアルデヒド、シンナムアルデヒド、又はこれらの組合せである。更なる実施形態では、フェノール化合物はレゾルシノール、フェノール、又はこれらの組合せであり、アルデヒド化合物はホルムアルデヒドである。更なる実施形態では、フェノール化合物は、レゾルシノールであり、アルデヒド化合物はホルムアルデヒドである。
いくつかの実施形態では、第１モノマーはレゾルシノールである。いくつかの実施形態では、第１モノマーはフェノールとレゾルシノールの組合せである。いくつかの実施形態では、第２モノマーは、ホルムアルデヒド、パラホルムアルデヒド、ブチルアルデヒド（ｂｕｔｙｒａｄｅｈｙｄｅ）又はこれらの組合せを含む。いくつかの実施形態では、第２モノマーはホルムアルデヒドである。
いくつかの具体的な実施形態では、フェノール化合物は以下の構造を有し：
【化１】
2021512190.tif 000002
式中、
Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3及びＲ4は各々独立して、Ｈ、ヒドロキシル、ハロ、ニトロ、アシル、カルボキシ、アルキルカルボニル、アリールカルボニル、Ｃ1-6アルキル、Ｃ1-6アルケニル、メタクリレート、アクリレート、シリルエーテル、シロキサン、アラルキル又はアルカリールであり、Ｒ1、Ｒ2及びＲ4のうちの少なくとも２つはＨである。
【００４９】
特定の実施形態では、触媒対第１モノマー（例えば、フェノール化合物）のモル比は、ポリマー組成物の最終特性及び炭素材料の最終特性に影響し得る。従って、いくつかの実施形態では、かかる触媒は、フェノール化合物：触媒のモル比が５：１〜２０００：１の範囲で使用される。いくつかの実施形態では、かかる触媒は、フェノール化合物：触媒のモル比が２０：１〜２００：１の範囲で使用できる。例えば、他の実施形態では、かかる触媒は、フェノール化合物：触媒のモル比が５：１〜１００：１の範囲で使用できる。
第１モノマーがレゾルシノールであり、第２モノマーがホルムアルデヒドである具体的な実施形態では、保持温度は約２０℃〜約１００℃、典型的には約２５℃〜約９０℃の範囲であり得る。いくつかの実施形態では、保持温度は、触媒の存在下、好適なモノマーを約９０℃で少なくとも２４時間インキュベーションすることによって達成できる。一般的に、共重合は、約９０℃で約６〜約２４時間、例えば約９０℃で約１８〜約２４時間の保持時間で達成できる。
【００５０】
本明細書に開示されるモノマーとしては、（ａ）アルコール、フェノール化合物、及び他のモノ−又はポリヒドロキシ化合物（例えば、第１モノマー）及び（ｂ）アルデヒド、ケトン、及びこれらの組合せ（例えば、第２モノマー）が挙げられる。この文脈における代表的なアルコールとしては、直鎖及び分枝の、飽和及び不飽和のアルコールが挙げられる。好適なフェノール化合物として、ジヒドロキシベンゼン又はトリヒドロキシベンゼン等のポリヒドロキシベンゼンが挙げられる。代表的なポリヒドロキシベンゼンとして、レゾルシノール（即ち、１，３−ジヒドロキシベンゼン）、カテコール、ヒドロキノン、及びフロログルシノールが挙げられる。２つ以上のポリヒドロキシベンゼンの混合物も使用できる。フェノール（モノヒドロキシベンゼン）も使用できる。代表的なポリヒドロキシ化合物として、グルコース等の糖、及びマンニトール等の他のポリオールが挙げられる。この文脈におけるアルデヒドとしては、メタナール（ホルムアルデヒド）、エタナール（アセトアルデヒド）、プロパナール（プロピオンアルデヒド）、及びブタナール（ブチルアルデヒド）等の直鎖飽和アルデヒド；エテノン及び他のケテン、２−プロペナール（アクリルアルデヒド）、２−ブテナール（クロトンアルデヒド）、及び３ブテナール等の直鎖不飽和アルデヒド；分枝の飽和及び不飽和アルデヒド；並びにベンズアルデヒド、サリチルアルデヒド、及びヒドロシンナムアルデヒド等の芳香族型アルデヒドが挙げられる。好適なケトンとしては、プロパノン及び２ブタノン等の直鎖飽和ケトン；プロペノン、２ブテノン、及び３−ブテノン（メチルビニルケトン）等の直鎖不飽和ケトン；分枝の飽和及び不飽和ケトン；並びにメチルベンジルケトン（フェニルアセトン）、エチルベンジルケトン等の芳香族型ケトンが挙げられる。第１モノマー及び第２モノマーは、上記のモノマーの組合せであってもよい。
【００５１】
いくつかの実施形態では、第１モノマーはアルコール含有種であり、第２モノマーはカルボニル含有種である。カルボニル含有種（例えば、アルデヒド、ケトン又はこれらの組合せ）と反応するアルコール含有種（例えば、アルコール、フェノール化合物及びモノ−若しくはポリ−ヒドロキシ化合物又はこれらの組合せ）の相対量は、実質的に変化し得る。いくつかの実施形態では、アルコール含有種のアルデヒド種に対する比は、アルコール含有種中の反応性アルコール基の全モル数が、アルデヒド種中の反応性カルボニル基の全モル数とほぼ同じであるように選択される。同様に、アルコール含有種のケトン種に対する比は、アルコール含有種中の反応性アルコール基の全モル数が、ケトン種中の反応性カルボニル基の全モル数とほぼ同じであるように選択され得る。カルボニル含有種が、アルデヒド種とケトン種の組合せを含む場合、同じく概ね１：１のモル比が当てはまる。
【００５２】
いくつかの実施形態では、モル比は変動する。例えば、いくつかの実施形態では、反応混合物の第１モノマー対第２モノマーの比は約１超：１である。例えば、いくつかの具体的な実施形態では、反応混合物は、第１モノマー対第２モノマーの比が約１．０９超：１である。いくつかの実施形態では、反応混合物は、第１モノマー対第２モノマーの比が約１．２：１である。いくつかの具体的な実施形態では、第１モノマー対第２モノマーの比は約１：１〜約３：１の範囲である。いくつかの実施形態では、第１モノマー対第２モノマーの比は約１：１〜約２：１の範囲である。いくつかの実施形態では、第１モノマー対第２モノマーの比は約１．０１超：１、約１．０２超：１、約１．０３超：１、約１．０４超：１、約１．０５超：１、約１．０６超：１、約１．０７超：１、約１．０８超：１、約１．１０超：１、約１．１１超：１、約１．１２超：１、約１．１３超：１、約１．１４超：１、約１．１５超：１、約１．１６超：１、約１．１７超：１、約１．１８超：１、約１．１９超：１、又は約１．２０超：１である。
いくつかの実施形態では、反応混合物は、第１モノマー対第２モノマーの比が約１．６：１である。いくつかの具体的な実施形態では、第１モノマー対第２モノマーの比は約１：１〜約３：１の範囲である。いくつかの実施形態では、第１モノマー対第２モノマーの比は約１：１〜約２：１の範囲である。いくつかの実施形態では、第１モノマー対第２モノマーの比は約１．１超：１、約１．２超：１、約１．３超：１、約１．４超：１、約１．４５超：１、約１．５０超：１、約１．５５超：１、約１．６超：１である。
いくつかの実施形態では、第１モノマー対第２モノマーの比は約１：１〜約２：１、約１．４：１〜約２：１、約１．３：１〜約２：１、約１．４：１〜約２：１、約１．５：１〜約２：１、約１．５：１〜約１．９：１、約１．５：１〜約１．８：１、約１．４：１〜約１．９：１、約１．４：１〜約１．８：１、又は約１．５：１〜約１．７：１の範囲である。
【００５３】
モノマー濃度は、反応速度論、反応によって生じる熱の度合い、並びにポリマー及び／又は最終的な炭素材料に影響する。モノマー濃度は、所望のプロセス又は最終生成物の要求に適合するように選択できる。更に、モノマー濃度は、他の選択された方法パラメータに基づいて変化し得ることから、大きく変動し得る。
【００５４】
従って、特定の実施形態では、第１モノマーの濃度は、質量／質量、体積／体積又は質量／体積として測定して、反応混合物の約０％を超え約９９％未満である。より具体的な実施形態では、第１モノマーの濃度は、質量／質量、体積／体積又は質量／体積として測定して、反応混合物の約０．１％超、約０．５％超、約１．０％超、約２．０％超、約５．０％超、約１０．０％超、約１５．０％超、約２０．０％超、約２５．０％超、約３０．０％超、約３２．５％超、約３５．０％超、約３７．５％超、約４０．０％超、約４２．５％超、約４５．０％超、約４７．５％超、約５０．０％超、約５２．５％超、約５５．０％超、約５７．５％超、約６０．０％超、約６５．０％超、約６７．５％超、約７０．０％超、約７５．０％超、約８０．０％超、約８５．０％超、約９０．０％超又は約９５．０％超である。
いくつかのより具体的な実施形態では、第１モノマーの濃度は、反応混合物の約０質量％超〜９９質量％、約５質量％超〜９９質量％、約１０質量％超〜９９質量％、約１５質量％超〜９９質量％、約２０質量％超〜９９質量％、約２５質量％超〜９９質量％、約３０質量％超〜９９質量％、約３５質量％超〜９９質量％、約４０質量％超〜９９質量％、約４５質量％超〜９９質量％、約５０質量％超〜９９質量％、約５５質量％超〜９９質量％、約６０質量％超〜９９質量％、約６５質量％超〜９９質量％、約７０質量％超〜９９質量％、約７５質量％超〜９９質量％、約８０質量％超〜９９質量％、約８５質量％超〜９９質量％、約９０質量％超〜９９質量％、約０質量％超〜９５質量％、約０質量％超〜９０質量％、約０質量％超〜８５質量％、約０質量％超〜８０質量％、約０質量％超〜７５質量％、約０質量％超〜７０質量％、約０質量％超〜６５質量％、約０質量％超〜６０質量％、約０質量％超〜５５質量％、約０質量％超〜５０質量％、約０質量％超〜４５質量％、約０質量％超〜４０質量％、約０質量％超〜３５質量％、０質量％超〜３０質量％、約０質量％超〜２５質量％、約０質量％超〜２０質量％、約０質量％超〜１５質量％、約０質量％超〜１０質量％、約０質量％超〜５質量％、約０質量％超〜２．５質量％又は約０質量％超〜１質量％である。
【００５５】
特定の実施形態では、第２モノマーの濃度は、質量／質量、体積／体積又は質量／体積として測定して、反応混合物の約０％を超え約９９％未満である。より具体的な実施形態では、第１モノマーの濃度は、質量／質量、体積／体積又は質量／体積として測定して、反応混合物の約０．１％超、約０．５％超、約１．０％超、約２．０％超、約５．０％超、約１０．０％超、約１５．０％超、約２０．０％超、約２５．０％超、約３０．０％超、約３２．５％超、約３５．０％超、約３７．５％超、約４０．０％超、約４２．５％超、約４５．０％超、約４７．５％超、約５０．０％超、約５２．５％超、約５５．０％超、約５７．５％超、約６０．０％超、約６５．０％超、約６７．５％超、約７０．０％超、約７５．０％超、約８０．０％超、約８５．０％超、約９０．０％超又は約９５．０％超である。
いくつかのより具体的な実施形態では、第２モノマーの濃度は、反応混合物の約０質量％超〜９９質量％、約５質量％超〜９９質量％、約１０質量％超〜９９質量％、約１５質量％超〜９９質量％、約２０質量％超〜９９質量％、約２５質量％超〜９９質量％、約３０質量％超〜９９質量％、約３５質量％超〜９９質量％、約４０質量％超〜９９質量％、約４５質量％超〜９９質量％、約５０質量％超〜９９質量％、約５５質量％超〜９９質量％、約６０質量％超〜９９質量％、約６５質量％超〜９９質量％、約７０質量％超〜９９質量％、約７５質量％超〜９９質量％、約８０質量％超〜９９質量％、約８５質量％超〜９９質量％、約９０質量％超〜９９質量％、約０質量％超〜９５質量％、約０質量％超〜９０質量％、約０質量％超〜８５質量％、約０質量％超〜８０質量％、約０質量％超〜７５質量％、約０質量％超〜７０質量％、約０質量％超〜６５質量％、約０質量％超〜６０質量％、約０質量％超〜５５質量％、約０質量％超〜５０質量％、約０質量％超〜４５質量％、約０質量％超〜４０質量％、約０質量％超〜３５質量％、０質量％超〜３０質量％、約０質量％超〜２５質量％、約０質量％超〜２０質量％、約０質量％超〜１５質量％、約０質量％超〜１０質量％、約０質量％超〜５質量％、約０質量％超〜２．５質量％又は約０質量％超〜１質量％の範囲である。
いくつかのより具体的な実施形態では、第１モノマーの濃度は反応混合物の約１０．０質量％〜約５０．０質量％の範囲であり、第２モノマーの濃度は約５．０質量％〜約５０．０質量％の範囲である。別の実施形態では、第１モノマーの濃度は反応混合物の約１０．０質量％〜約５０．０質量％の範囲であり、第２モノマーの濃度は約５．０質量％〜約３５．０質量％の範囲である。別のより具体的な実施形態では、第１モノマーの濃度は反応混合物の約１５．０質量％〜約４０．０質量％の範囲であり、第２モノマーの濃度は約１０．０質量％〜約２５．０質量％の範囲である。具体的な一実施形態では、第１モノマーの濃度は反応混合物の約２５．０質量％〜約３５．０質量％の範囲であり、第２モノマーの濃度は約１０．０質量％〜約２０．０質量％の範囲である。
【００５６】
反応混合物、樹脂混合物、ポリマー組成物、及び／又は硬化ポリマー組成物中の総固形分は変動し得る。いくつかの実施形態では、反応混合物中の固体（例えば、レゾルシノール）対液体（例えば、溶媒）の質量比は、約０．０５対１〜約０．７０対１、約０．１５対１〜約０．６対１、約０．１５対１〜約０．３５対１、約０．２５対１〜約０．５対１、約０．３対１〜約０．４対１、約１対１〜約４対１、約１対１〜約３対１、約１対１〜約２対１、約１．１対１〜約３対１、約１．２対１〜約３対１、約１．４対１〜約２対１、約１．３対１〜約２対１、約１．４対１〜約３対１、約１．５対１〜約２対１、約１．５対１〜約３対１、約１．５対１〜約２．５対１、又は約１．５対１〜約４対１の範囲である。
【００５７】
上記の他のいくつかの実施形態では、溶媒は酸性である。例えば、特定の実施形態では、溶媒は酢酸を含む。例えば、一実施形態では、溶媒は１００％酢酸である。本開示の方法のいくつかの実施形態は、溶媒交換ステップ（例えば、ｔ−ブタノールを水と交換する）を含む。
【００５８】
いくつかの実施形態では、ポリマー組成物中の固体対液体（例えば、溶媒）の質量比は、約０．０５対１〜約０．７０：１、約０．１５対１〜約０．６対１、約０．１５対１〜約０．３５対１、約０．２５対１〜約０．５対１、又は約０．３対１〜約０．４対１の範囲である。
【００５９】
本明細書に開示される炭素材料の調製に有用な溶媒の例としては、水、又はアルコール、例えば、エタノール、ｔブタノール、メタノール若しくはこれらの組合せ、並びにこれらの混合水溶液が挙げられるがこれらに限定されない。かかる溶媒は、モノマーの溶解、例えばフェノール化合物の溶解に有用である。加えて、いくつかのプロセスでは、かかる溶媒はポリマー組成物における溶媒交換（熱交換の前の）に用いられ、この場合、反応混合物又はポリマー組成物からの溶媒（例えば水及び酢酸）は、純アルコールと交換される。
炭素材料の調製において好適な触媒としては、ポリマー組成物から硬化ポリマー組成物への共重合を促進する揮発性塩基触媒が挙げられる。触媒は、上記の触媒の様々な組合せも含むことができる。フェノール化合物を含む実施形態では、かかる触媒は、フェノール化合物：触媒のモル比が５：１〜２００：１、１０：１〜１５０：１、１５：１〜１００：１、２０：１〜９０：１、２５：１〜１５０：１、３０：１〜１２０：１、又は４０：１〜１１０：１の範囲で使用できる。例えば、いくつかの具体的な実施形態では、かかる触媒は、フェノール化合物：触媒のモル比が２５：１〜１００：１の範囲で使用できる。
特定の実施形態では、触媒は塩基性である。より具体的な実施形態では、触媒は酢酸アンモニウムを含む。いくつかの実施形態では、触媒は塩基性揮発性触媒を含む。例えば、一実施形態では、塩基性揮発性触媒は、炭酸アンモニウム、重炭酸アンモニウム、酢酸アンモニウム、水酸化アンモニウム、又はこれらの組合せを含む。更なる実施形態では、塩基性揮発性触媒は炭酸アンモニウムである。別の更なる実施形態では、塩基性揮発性触媒は酢酸アンモニウムである。
反応溶媒は、硬化ポリマー組成物及び炭素材料の所望の特性（例えば、表面積、多孔度、純度等）を得るために変えてもよい別のプロセスパラメータである。いくつかの実施形態では、溶媒は、水及び混和性共溶媒の混合溶媒系である。例えば、特定の実施形態では、溶媒は水及び混和性酸を含む。より具体的な実施形態では、混和性酸は酢酸である。水混和性酸の他の例として、プロピオン酸及びギ酸が挙げられるが、これらに限定されない。更なる実施形態では、溶媒は、水混和性酸の水に対する比が９９：１、９０：１０、７５：２５、５０：５０、２５：７５、１０：９０又は１：９０である。他の実施形態では、酸性度は、反応溶媒に固体酸を添加することによって付与される。
いくつかの実施形態では、反応混合物は更にメタノールを含む。いくつかのより具体的な実施形態では、メタノールの濃度は、反応混合物の約０．０質量％超〜約５．０質量％の範囲である。
【００６０】
理論に束縛されるものではないが、出願人は、反応容器は、方法の異なる部分がどのように進行するか、即ち、異なる構成成分（例えば、反応混合物、ポリマー組成物、硬化ポリマー組成物、及び／又は炭素材料）の品質に、重大な影響を及ぼし得ることを発見した。具体的には、反応容器の「アスペクト比」又は表面積対容積の比を、所望の生成物の特性を改善するように選択できる。
【００６１】
従って、一実施形態は、
ａ）溶媒と、触媒と、第１モノマーと、第２モノマーとを組合せて反応混合物を得るステップ、
ｂ）容積が１０Ｌを超え、表面積対容積のアスペクト比が約３ｍ2／ｍ3を超える反応容器に、反応混合物を移すステップ、
ｃ）上記反応混合物の温度を、ある保持昇温速度で上昇し、反応混合物を、第１モノマーと第２モノマーとを共重合してポリマー組成物を得るのに十分な保持温度で、ある保持時間の間保持するステップ、及び
ｄ）任意で、ポリマー組成物を硬化温度で加熱し、それによって、溶媒と、第１モノマーと第２モノマーとの共重合から形成されたポリマーと、を含む硬化ポリマー組成物を形成するステップ
を含む、方法を提供する。
いくつかの実施形態では、反応容器は約５０Ｌ超の容積を有する。特定の実施形態では、反応容器は約７５Ｌ超の容積を有する。いくつかの実施形態では、反応容器は約１５０Ｌ超の容積を有する。特定の実施形態では、反応容器は約１９０Ｌ超の容積を有する。いくつかの他の実施形態では、反応容器は約１９００Ｌ超の容積を有する。いくつかの具体的な実施形態では、反応容器は約０．２４０Ｌ超、約０．５００Ｌ超、約１Ｌ超、約５Ｌ超、約１０Ｌ超、約２０Ｌ超、約３０Ｌ超、約４０Ｌ超、約５０Ｌ超、約６０Ｌ超、約７０Ｌ超、約８０Ｌ超、約９０Ｌ超、約１００Ｌ超、約１１０Ｌ超、約１２０Ｌ超、約１３０Ｌ超、約１４０Ｌ超、約２００Ｌ超、約２５０Ｌ超、約３００Ｌ超、約３５０Ｌ超、約４００Ｌ超、約４５０Ｌ超、約５００Ｌ超、約６００Ｌ超、約７００Ｌ超、約８００Ｌ超、約９００Ｌ超、約１０００Ｌ超、又は約１５００Ｌ超の容積を有する。
【００６２】
いくつかの実施形態では、アスペクト比は約５ｍ2／ｍ3超である。いくつかの実施形態では、アスペクト比は約７．５ｍ2／ｍ3超である。いくつかの具体的な実施形態で、アスペクト比は約５０ｍ2／ｍ3超である。特定の実施形態では、アスペクト比は約１００ｍ2／ｍ3超である。他の実施形態では、アスペクト比は約２００ｍ2／ｍ3である。
いくつかの実施形態では、保持するステップは、表面積対容積比（アスペクト比）が０．５ｍ2／ｍ3〜約１５ｍ2／ｍ3の範囲の反応容器内で行われる。いくつかの実施形態では、表面積対容積比（アスペクト比）は約０．１ｍ2／ｍ3〜約３０ｍ2／ｍ3、約０．５ｍ2／ｍ3〜約３０ｍ2／ｍ3、約１ｍ2／ｍ3〜約３０ｍ2／ｍ3、約５ｍ2／ｍ3〜約３０ｍ2／ｍ3、約１０ｍ2／ｍ3〜約３０ｍ2／ｍ3、約１１ｍ2／ｍ3〜約３０ｍｍ2／ｍ3、約１２ｍ2／ｍ3〜約３０ｍ2／ｍ3、約１３ｍ2／ｍ3〜約３０ｍ2／ｍ3、約１４ｍ2／ｍ3〜約３０ｍ2／ｍ3、約１５ｍ2／ｍ3〜約３０ｍ2／ｍ3、約０．１ｍ2／ｍ3〜約２５ｍ2／ｍ3、約０．１ｍ2／ｍ3〜約２０ｍ2／ｍ3、約０．１ｍ2／ｍ3〜約１９ｍ2／ｍ3、約０．１ｍ2／ｍ3〜約１８ｍ2／ｍ3、約０．１ｍ2／ｍ3〜約１７．５ｍ2／ｍ3、約０．１ｍ2／ｍ3〜約１７ｍ2／ｍ3、約０．１ｍ2／ｍ3〜約１６．５ｍ2／ｍ3、約０．１ｍｍ2／ｍ3〜約１６ｍｍ2／ｍ3、約０．１ｍ2／ｍ3〜約１５．５ｍ2／ｍ3、約０．１ｍ2／ｍ3〜約１５ｍ2／ｍ3、約０．１ｍ2／ｍ3〜約１４．５ｍ2／ｍ3、約０．１ｍ2／ｍ3〜約１４ｍ2／ｍ3、約０．１ｍ2／ｍ3〜約１３．５ｍ2／ｍ3、約０．１ｍ2／ｍ3〜約１３ｍ2／ｍ3、約１０ｍ2／ｍ3〜約１５ｍ2／ｍ3又は約５ｍ2／ｍ3〜約１５ｍ2／ｍ3の範囲である。
いくつかの実施形態では、保持するステップは、表面積対容積比（アスペクト比）が０．１ｍ2／ｍ3超、０．２ｍ2／ｍ3超、０．３ｍ2／ｍ3超、０．４ｍ2／ｍ3超、０．５ｍ2／ｍ3超、０．６ｍ2／ｍ3超、０．７５ｍ2／ｍ3超、１ｍ2／ｍ3超、１．５ｍ2／ｍ3超、２ｍ2／ｍ3超、２．５ｍ2／ｍ3超、３ｍ2／ｍ3超、３．５ｍ2／ｍ3超、４ｍ2／ｍ3超、４．５ｍ2／ｍ3超、５ｍ2／ｍ3超、５．５ｍ2／ｍ3超、６ｍ2／ｍ3超、６．５ｍ2／ｍ3超、７ｍ2／ｍ3超、７．５ｍ2／ｍ3超、８ｍ2／ｍ3超、８．５ｍ2／ｍ3超、９ｍ2／ｍ3超、９．５ｍ2／ｍ3超、１０ｍ2／ｍ3超、１０．５ｍ2／ｍ3超、１１ｍ2／ｍ3超、１１．５ｍ2／ｍ3超、１２ｍ2／ｍ3超、１２．５ｍ2／ｍ3超、１３ｍ2／ｍ3超、１３．５ｍ2／ｍ3超、１４ｍ2／ｍ3超、１４．５ｍ2／ｍ3超、１４．５ｍ2／ｍ3超、１５ｍ2／ｍ3超、２０ｍ2／ｍ3超、２５ｍ2／ｍ3超、３０ｍ2／ｍ3超、３５ｍ2／ｍ3超、４０ｍ2／ｍ3超、４５ｍ2／ｍ3超、５０ｍ2／ｍ3超、５５ｍ2／ｍ3超、６０ｍ2／ｍ3超、６５ｍ2／ｍ3超、７０ｍ2／ｍ3超、７５ｍ2／ｍ3超、８０ｍ2／ｍ3超、８５ｍ2／ｍ3超、９０ｍ2／ｍ3超、９５ｍ2／ｍ3超、１００ｍ2／ｍ3超、１２５ｍ2／ｍ3超、１５０ｍ2／ｍ3超、又は１７５ｍ2／ｍ3超の反応容器内で行われる。
【００６３】
有利には、本明細書の実施形態は、製造の需要に従って大規模に実施できる。例えば、いくつかの実施形態では、大規模反応容器が使用される（例えば、２，０００Ｌ〜２０，０００Ｌの範囲の反応器）。特定の実施形態では、反応温度は３０℃〜４０℃の範囲であり、その後１５℃〜２５℃に冷却し、保持用２００Ｌドラムにデカンテーションする。特定の実施形態では、材料は、平板式熱交換器を通して熱を放出することによって冷却される。製造の変形は当業者に明らかであると考えられ、本開示の範囲内であると想到される。
【００６４】
いくつかの実施形態では、硬化ポリマー組成物はポリマー粒子を含む。いくつかの実施形態では、炭素材料は炭素粒子を含む。特定の実施形態では、粒子（即ち、ポリマー粒子又は炭素粒子のいずれか）を、水で濯ぐ。一実施形態では、粒子の平均直径は２５ｍｍ未満、例えば、０．００１ｍｍ〜２５ｍｍ、０．０１ｍｍ〜１５ｍｍ、１．０ｍｍ〜１５ｍｍ、０．０５ｍｍ〜２５ｍｍ、０．０５〜１５ｍｍ、０．５〜２５ｍｍ、０．５ｍｍ〜１５ｍｍ又は１ｍｍ〜１０ｍｍである。
【００６５】
有利には、本方法の実施形態は熱分解の前に乾燥ステップを必要とせず、それでもなお所望の特徴（例えば、多孔度、純度、表面積等）を有する炭素材料をもたらす。具体的には、いくつかの実施形態では、硬化ポリマー組成物は、約−１０℃未満、例えば、約−２０℃未満、又はあるいは約−３０℃未満の温度を有する媒体への浸漬によって凍結されない。例えば、媒体は、液体窒素、又はドライアイス中エタノール（又は他の有機溶媒）若しくは別の手段で冷却されたエタノールであってもよい。いくつかの実施形態では、硬化ポリマー組成物は約３０００ｍＴｏｒｒ、約１０００ｍＴｏｒｒ、約３００ｍＴｏｒｒ又は約１００ｍＴｏｒｒ未満の減圧下で乾燥されない。
加えて、いくつかの実施形態では、硬化ポリマー組成物は、好適な冷却固体、例えば、ドライアイス（固体二酸化炭素）と混ぜ合わせる又は物理的混合を行うことによる急速凍結が行われない。別の実施形態では、硬化ポリマー組成物は、その表面に散らばった硬化ポリマー組成物（例えば、ポリマー粒子を含む）から熱を急速に除去するための、ブラストフリーザを用いた−６０℃の金属板との接触が行われない。
【００６６】
硬化ポリマー組成物中の水を急速冷却する別の方法は、非常に急速に高真空を引くことによって粒子をスナップ凍結することである（この真空の度合いは、平衡蒸気圧に対応する温度で凍結が可能となるようなものである）。急速凍結の更に別の方法は、硬化ポリマー組成物を好適な低温ガスと混和するステップを含む。いくつかの実施形態では、低温ガスは約−１０℃未満の温度を有し得る。いくつかの実施形態では、低温ガスは約−２０℃未満の温度を有し得る。いくつかの実施形態では低温ガスは約−３０℃未満の温度を有し得る。更に他の実施形態では、ガスは約−１９６℃の温度を有し得る。例えば、いくつかの実施形態では、ガスは窒素である。更に他の実施形態では、ガスは約−７８℃の温度を有し得る。例えば、いくつかの実施形態では、ガスは二酸化炭素である。いくつかの実施形態では、方法は、上記のような好適な冷媒を用いた硬化ポリマー組成物のスナップ凍結又は混和を含まない。
他の実施形態では、硬化ポリマー組成物は、凍結乾燥機の棚で、例えば−２０℃以下の温度で凍結されない。例えば、いくつかの実施形態では、硬化ポリマー組成物は、凍結乾燥機の棚で、−３０℃以下の温度で凍結されない。いくつかの他の実施形態では、硬化ポリマー組成物は、凍結融解サイクル（室温から−２０℃以下へ、再び室温へ）、粒子を作製するための凍結融解組成物の物理的粉砕、その後の更なる凍結乾燥処理を施されない。例えば、いくつかの実施形態では、硬化ポリマー組成物は、凍結融解サイクル（室温から−３０℃以下へ、再び室温へ）、粒子を作製するための凍結融解組成物の物理的破砕、その後の更なる凍結乾燥処理を施されない。
【００６７】
モノリシック硬化ポリマー組成物又は炭素材料を、当該技術分野において公知の様々な技法に従って物理的に粉砕して、より小さい粒子を作製できる。得られる硬化ポリマー組成物又は炭素材料粒子は、一般に、約３０ｍｍ未満、約２５ｍｍ未満、約２０ｍｍ未満、約１５ｍｍ未満、約１０ｍｍ未満、約９ｍｍ未満、約８ｍｍ未満、約７ｍｍ未満、約６ｍｍ未満、約５ｍｍ未満、約４ｍｍ未満、約３ｍｍ未満、約２ｍｍ未満又は約１ｍｍ未満の平均直径を有する。いくつかの実施形態では、粒径は約１ｍｍ〜約２５ｍｍ、約１ｍｍ〜約５ｍｍ、約０．５ｍｍ〜約１０ｍｍの範囲である。
あるいは、いくつかの実施形態では、硬化ポリマー組成物又は炭素材料粒子の粒径は、約１０〜１０００ミクロン、１０〜５００ミクロン、１０〜４００ミクロン、１０〜３００ミクロン、１０〜２００ミクロン、１０〜１００ミクロン、１００〜１０００ミクロン、２００〜１０００ミクロン、３００〜１０００ミクロン、４００〜１０００ミクロン又は５００〜１０００ミクロンの範囲である。
モノリシック材料から硬化ポリマー組成物又は炭素材料粒子を作製する手法には、手動又は機械的破砕法、例えば、篩、粉砕、ミル加工又はこれらの組合せが含まれる。かかる方法は、当業者に周知である。これに関して、例えば、ローラーミル、ビーズミル、及びボールミル等の様々な種類のミル、並びに回転式粉砕機等の当該技術分野において公知の粒子作製装置を用いることが可能である。
特定の実施態様では、ローラーミルが用いられる。ローラーミルは、３段階にわたって、粒子のサイズを徐々に小さくしていく。炭素材料は、一般的に非常に脆く、手触りが湿っぽくない。従って、炭素材料はこの方法で容易に粉砕される。しかし、目標とする最終メッシュを達成するためには、各段階の幅を適切に設定しなければならない。この調節は、反応レシピ及びメッシュサイズの組合せごとに行い、検証する。各材料は、既知のメッシュサイズの篩を通って粉砕される。篩分けされた粒子は、一時的に密閉容器に格納できる。
一実施形態では、回転式粉砕機が用いられる。回転式粉砕機は、約３．１８ｍｍ（約１／８インチ）の篩メッシュサイズを有する。別の実施形態では、回転式粉砕機は、約９．５３ｍｍ（約３／８インチ）の篩メッシュサイズを有する。別の実施形態では、回転式粉砕機は、約１５．８８ｍｍ（約５／８インチ）の篩メッシュサイズを有する。
当該技術分野において既知の炭素材料の調製方法は、典型的には、熱分解の前に硬化ポリマー組成物を乾燥するプロセスを含む。有利には、本出願人は、具体的な方法パラメータ（例えば、反応時間／温度、保持時間／温度、硬化昇温速度等）を選択することで、熱分解の前に凍結及び／又は乾燥処理を必要としない硬化ポリマー組成物が得られることを発見した。具体的には、本出願人は、反応パラメータは、所望の特徴（例えば、メソ細孔容積、細孔分布、高表面積）を有する炭素材料が製造されるが、コストのかかる乾燥処理（例えば、凍結乾燥、超臨界乾燥、オーブン乾燥、蒸発乾燥等）の必要性は排除されることを確実とするように選択できる。
【００６８】
従って、一実施形態では、硬化ポリマー組成物は凍結又は凍結乾燥されず、材料の崩壊を避け、炭素材料における微細表面構造及び多孔度を維持する。一般的に、乾燥は熱分解中に達成され、硬化ポリマー組成物の温度は、溶媒を凍結する温度（即ち、約０℃）を決して下回らず、なおも炭素材料はきわめて大きい表面積と所望の細孔特性を維持する。
理論に束縛されるものではないが、最終的な炭素材料の構造は、硬化ポリマー組成物の構造に反映され、それは次にポリマー組成物及び反応混合物並びに方法パラメータの関数（例えば、プロセスの様々なステップに使用される温度及び時間）によって確立されると考えられる。有利には、本出願人は、炭素材料構造を保つために溶媒の除去に注意を要する既知のポリマーゲルプロセス（例えば、ゾルゲル処理法）を必要とすることなく、上記の特徴が得られることを発見した。既知の方法は、ポリマーゲルの当初の構造を維持し、凍結プロセスの制御に基づく氷晶形成によってその構造を変えるために最適化を必要とした。対照的に、本明細書の実施形態は、硬化ポリマー組成物の熱分解によって溶媒を除去し、より直接的なアプローチで（即ち、熱分解前に凍結又は乾燥を行うことなく）貴重な炭素材料を得るための、確固たる方法を提供する。
特定の実施形態では、硬化ポリマー組成物及び／又は炭素材料は、凍結乾燥機のチャンバ内に配置される。
【００６９】
上記の硬化ポリマー組成物を更に処理して炭素材料を得ることができる。かかる処理は、例えば熱分解及び／又は活性化を含む。一般的に、熱分解プロセスにおいて、乾燥ポリマーゲルは秤量されてロータリーキルン中に入れられる。対照的に、本開示の実施形態は、湿式硬化ポリマー組成物をロータリーキルンに入れることによって、相対的に湿潤した硬化ポリマー組成物（例えば、＞５質量％の溶媒を含む）を直接熱分解することを可能にする。
【００７０】
特定の実施形態では、熱分解昇温速度は５℃毎分に設定され、熱分解時間及び熱分解温度が設定され、冷却は炉の自然冷却速度によって決定される。いくつかの実施形態では、硬化ポリマー組成物は、熱分解の間、不活性雰囲気下にある。他の実施形態では、硬化ポリマー組成物は、熱分解の間、周囲雰囲気下にある。次いで、熱分解された炭素材料を取り出し、秤量する。他の熱分解プロセスは当業者に周知である。
いくつかの実施形態では、熱分解昇温速度は、１℃毎分を超え、２℃毎分を超え、３℃毎分を超え、４℃毎分を超え、５℃毎分を超え、６℃毎分を超え、７℃毎分を超え、８℃毎分を超え、９℃毎分を超え、１０℃毎分を超え、１１℃毎分を超え、１２℃毎分を超え、１３℃毎分を超え、１４℃毎分を超え、１５℃毎分を超え、１６℃毎分を超え、１７℃毎分を超え、１８℃毎分を超え、１９℃毎分を超え、２０℃毎分を超え、又は２５℃毎分を超える。
【００７１】
出願人は、いくつかの実施形態において、不活性雰囲気が熱分解に必要ではないことを発見した。理論に束縛されるものではないが、本明細書に開示される方法の実施形態のパラメータにより、不活性雰囲気を必要とせず、それでもなお最適な孔径、表面積及び／又は純度を有する炭素材料が得られると考えられる。
【００７２】
いくつかの実施形態では、熱分解時間（試料が熱分解温度にある期間）は、約０分〜約１２０分、約０分〜約６０分、約０分〜約３０分、約０分〜約１０分、約０〜５分、又は約０〜１分である。いくつかの実施形態では、熱分解時間は、１５分超、２０分超、３０分超、４５分超、６０分超、７５分超、９０分超、１０５分超、１２０分超、１５０分超、１８０分超、２４０分超、３００分超、３６０分超又は４８０分超である。
いくつかの実施形態では、熱分解は上記よりも低速で実施される。例えば、一実施形態では、熱分解は約１２０〜４８０分で実施される。別の実施形態では、熱分解は約１２０〜２４０分で実施される。
【００７３】
いくつかの実施形態では、熱分解温度は約５００℃〜２４００℃の範囲である。いくつかの実施形態では、熱分解温度は約６５０℃〜１８００℃の範囲である。他の実施形態では、熱分解温度は約７００℃〜約１２００℃、約７５０℃〜約１５００℃又は約８５０℃〜約９５０℃の範囲である。他の実施形態では、熱分解温度は約８５０℃〜約１０５０℃の範囲である。他の実施形態では、熱分解温度は約５５０℃〜約２４００℃の範囲である。他の実施形態では、熱分解温度は約６００℃〜約２４００℃、約７００℃〜約２４００℃、約８００℃〜約２４００℃、約８５０℃〜約２４００℃、約８９０℃〜約２４００℃、約８９０℃〜約２０００℃、約８９０℃〜約１９００℃、約８９０℃〜約１８００℃、約８９０℃〜約１６００℃、約８９０℃〜約１５００℃、約８９０℃〜約１３００℃、約８９０℃〜約１２００℃、約８９０℃〜約１１００℃、約８９０℃〜約１０５０℃、約８９０℃〜約１０００℃、約９１０℃〜約１０５０℃、約９２０℃〜約１０５０℃、約９３０℃〜約１０５０℃、約９４０℃〜約１０５０℃、約９５０℃〜約１０５０℃、約９６０℃〜約１０５０℃、約９７０℃〜約１０５０℃、約９８０℃〜約１０５０℃、約９９０℃〜約１０５０℃、又は約１０００℃〜約１０５０℃の範囲である。
いくつかの実施形態では、熱分解温度は約２５０℃超である。いくつかの実施形態では、熱分解温度は約３５０℃超である。いくつかの実施形態では、熱分解温度は約４５０℃超である。いくつかの実施形態では、熱分解温度は約５００℃超である。いくつかの実施形態では、熱分解温度は約５５０℃超である。いくつかの実施形態では、熱分解温度は約６００℃超である。いくつかの実施形態では、熱分解温度は約６５０℃超である。いくつかの実施形態では、熱分解温度は約８５０℃超である。いくつかの実施形態では、熱分解温度は約５００℃超、約５５０℃超、約６００℃超、約６５０℃超、約７００℃超、約７５０℃超、約８００℃超、約８５０℃超、約８６０℃超、約８７０℃超、約８８０℃超、約８９０℃超、約９００℃超、約９１０℃超、約９２０℃超、約９３０℃超、約９４０℃超、約９５０℃超、約１０００℃超、約１０５０℃超、約１１００℃超、約１１５０℃超、約１２００℃超、約１２５０℃超、約１３００℃超、約１３５０℃超、約１４００℃超、約１４５０℃超、又は約１５００℃超である。
いくつかの実施形態では、熱分解温度は熱分解の過程で変動する。一実施形態では、熱分解は、別々の明確な複数の加熱ゾーンを有するロータリーキルン内で実施される。いくつかのより具体的な実施形態では、各ゾーンの熱分解温度は、ロータリーキルン管の入口から出口端まで連続的に低下する。一実施形態では、熱分解は、別々の明確な複数の加熱ゾーンを有するロータリーキルンで実施され、各ゾーンの温度はロータリーキルン管の入口から出口端まで連続的に上昇する。
【００７４】
活性化時間及び活性化温度はいずれも、得られる活性炭材料の性能、並びにその製造コストに大きな影響を及ぼす。活性化温度及び活性化時間を増大させることは、より高い活性化率をもたらし、これは一般的に、活性化温度が低く滞留時間が短い場合と比較して、より多くの材料の除去に対応する。活性化温度は炭素の細孔構造を変えることもでき、その場合、低い活性化温度はミクロ細孔性の大きい炭素をもたらし、高い活性化温度はメソ細孔性をもたらす。これは、より高い活性化温度で起こる活性化ガスの拡散律速反応と、より低い活性化温度で起こる反応速度論で進められる反応との結果であり得る。活性化率が高いことは、多くの場合に最終的な活性炭の性能を増大させるが、全収率を低下することよってコストも増大させる。活性化のレベルを改善することは、より低コストでより高性能の生成物を得ることに相当する。
従って、いくつかの実施形態では、活性化時間は１分〜４８時間である。他の実施形態では、活性化時間は１分〜２４時間である。他の実施形態では、活性化時間は５分〜２４時間である。他の実施形態では、活性化時間は１時間〜２４時間である。更なる実施形態では、活性化時間は１２時間〜２４時間である。特定の他の実施形態では、活性化時間は３０分〜４時間である。いくつかの更なる実施形態では、活性化時間は１時間〜２時間である。
いくつかの実施形態では、活性化時間は０分超、５分、１０分、１５分、２０分、３０分、４０分、５０分、１時間、９０分、２時間、６時間、８時間、１２時間、２４時間、３６時間、４８時間、又は９６時間である。
【００７５】
本明細書に開示される実施形態の一部では、活性化温度は８００℃〜１３００℃の範囲であってもよい。別の実施形態では、活性化温度は８００℃〜１０５０℃の範囲であってもよい。別の実施形態では、活性化温度は約８５０℃〜約９５０℃の範囲であってもよい。当業者は、より低い又はより高い他の活性化温度を用いてもよいことを認識するであろう。
【００７６】
熱分解炭素材料は、熱分解炭素材料を活性化剤と接触させることによって活性化されてもよい。例えば酸素を含有するガス等、多くのガスが活性化に適している。活性化ガスの非限定的な例としては、二酸化炭素、一酸化炭素、蒸気、酸素、及びこれらの組合せが挙げられる。活性化剤は、酸、塩基、又は塩等の腐食性化学物質（例えば、リン酸、酢酸、クエン酸、ギ酸、シュウ酸、尿酸、乳酸、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、塩化亜鉛等）も含み得る。他の活性化剤は当業者に公知である。
熱分解炭素材料は、当業者に公知のいくつもの適した装置、例えば流動床、ロータリーキルン、エレベーターキルン、ローラーハースキルン、プッシャーキルン等を用いて活性化され得る。活性化プロセスの一実施形態では、試料が秤量されてロータリーキルン内に置かれ、その自動ガス制御マニホルドが２０℃／分の昇温速度に設定される。いくつかの実施形態では、活性化温度に到達した後、二酸化炭素がある時間にわたってキルン環境に導入される。いくつかの実施形態では、活性化が起こった後に二酸化炭素は窒素と交換され、キルンは冷却される。通常は、活性化プロセスの終了時に試料を秤量して、活性化のレベルを評価する。他の活性化プロセスは当業者に周知である。
【００７７】
活性化度は、活性化ステップの間に失われた熱分解炭素材料の質量パーセントで測定される。本明細書に記載の方法の一実施形態では、活性化は５％〜９０％の活性化度、又は１０％〜８０％の活性化度を含む。いくつかの実施形態では、活性化度は、４０％〜７０％、４５％〜６５％、５％〜９５％、５％〜８０％、５％〜７５％、５％〜７０％、５％〜６５％、５％〜６０％、５％〜５５％、５％〜５０％、５％〜４５％、５％〜４０％、５％〜３５％、５％〜３０％、５％〜２５％、５％〜２０％、５％〜１５％、５％〜１０％、１０％〜９５％、１５％〜９５％、２０％〜９５％、２５％〜９５％、３０％〜９５％、３５％〜９５％、４０％〜９５％、４５％〜９５％、５０％〜９５％、５５％〜９５％、６０％〜９５％、６５％〜９５％、７０％〜９５％、７５％〜９５％、８０％〜９５％、８５％〜９５％又は９０％〜９５％の範囲である。
【００７８】
Ｂ．最適化された孔径分布を有する炭素材料
本開示の特定の実施形態は、最適化された孔径分布を有する炭素材料をもたらす。最適化された孔径分布は、炭素材料を含む電気デバイスの相対的に優れた性能に寄与する。例えば、いくつかの実施形態では、炭素材料は、ミクロ細孔とメソ細孔との最適化されたブレンドを含み、かつ熱分解及び／又は活性化時に低い表面官能性も有し得る。他の実施形態では、炭素材料は、全反射蛍光Ｘ線分析によって測定したときに、１１〜９２の範囲の原子番号を有する全ての元素を合計で５００ｐｐｍ未満含む。高純度及び最適化されたミクロ細孔／メソ細孔分布は、炭素材料を、蓄給電デバイス（例えばウルトラキャパシタ）への使用に理想的なものとする。有利には、本明細書に開示される方法の実施形態は、高純度及び最適化されたミクロ細孔／メソ細孔分布を有するこのような炭素材料を、従来方法で一般的に使用されるコストのかかるプロセス（即ち、凍結乾燥又は超臨界乾燥）を用いることなく提供する。
炭素材料の最適化された孔径分布並びに高純度は、本開示の方法の実施形態及び後続の炭素材料の処理（例えば、活性化）から得ることができる。モノマー（例えばフェノール化合物及びアルデヒド）は、揮発性塩基性触媒の存在する酸性条件下で共重合して、超高純度のポリマー組成物を生成し、これを次に、組成物を乾燥せずに熱分解できる。これは、熱分解の前に乾燥ステップを必要とするキセロゲル、クリオゲル又はエーロゲルの調製に関して報告されている他の方法と対照的である。特定の実施形態では、開示条件下での超高純度ポリマー組成物の熱分解及び／又は活性化は、最適化された孔径分布を有する超高純度炭素材料を生じる。
開示される炭素材料の特性、並びにそれらの調製方法を、以下により詳細に説明する。
【００７９】
１．ポリマー組成物
本明細書に開示の方法の実施形態では、ポリマー組成物は、熱分解して炭素材料を生じる中間体である。従って、ポリマー組成物の物理的及び化学的特性は、最終的な炭素材料の特性に寄与する。
他の実施形態では、硬化ポリマー組成物は、１１〜９２の範囲の原子番号を有する全ての他の原子（即ち、溶媒、触媒、及び任意選択の電気化学的変性剤を除く）を合計で５００ｐｐｍ未満含む。例えば、いくつかの他の実施形態では、硬化ポリマー組成物は、１１〜９２の範囲の原子番号を有する全ての他の元素を２００ｐｐｍ未満、１００ｐｐｍ未満、５０ｐｐｍ未満、２５ｐｐｍ未満、１０ｐｐｍ未満、５ｐｐｍ未満、又は１ｐｐｍ未満含む。いくつかの実施形態では、硬化ポリマー組成物の電気化学的変性剤含有量及び不純物含有量は、プロトン励起Ｘ線放射（ＰＩＸＥ）又は全反射蛍光Ｘ線（ＴＸＲＦ）分析によって決定できる。
【００８０】
いくつかの実施形態では、硬化ポリマー組成物はフェノール化合物とアルデヒド化合物とから調製され；例えば、一実施形態では、硬化ポリマー組成物はレゾルシノールとホルムアルデヒドとから製造できる。他の実施形態では、硬化ポリマー組成物は、酸性条件下で製造され（例えば、反応混合物及び／又はポリマー組成物）、他の実施形態では、硬化ポリマー組成物は電気化学的変性剤を更に含む。いくつかの実施形態では、酸性度は、固体酸化合物を溶解することによって、溶媒として酸を用いることによって、又は溶媒の１つが酸である混合溶媒系を用いることによって、提供できる。
開示される方法は、塩基性揮発性触媒の存在下でポリマー組成物又は硬化ポリマー組成物を形成する共重合を含む。従って、いくつかの実施形態では、ポリマー組成物又は硬化ポリマー組成物は１つ以上の塩を含み、例えば、いくつかの実施形態では、１つ以上の塩は塩基性揮発性塩である。塩基性揮発性塩の例としては、炭酸アンモニウム、炭酸水素アンモニウム、酢酸アンモニウム、水酸化アンモニウム、及びこれらの組合せが挙げられるがこれらに限定されない。従って、いくつかの実施形態では、本開示は、炭酸アンモニウム、炭酸水素アンモニウム、酢酸アンモニウム、水酸化アンモニウム、又はこれらの組合せを含むポリマー組成物又は硬化ポリマー組成物を提供する。更なる実施形態では、ポリマー組成物又は硬化ポリマー組成物は炭酸アンモニウムを含む。更なる実施形態では、ポリマー組成物又は硬化ポリマー組成物は酢酸アンモニウムを含む。
【００８１】
ポリマー組成物はまた、灰分が低くてもよく、これは当該組成物から調製される炭素材料の低灰分に寄与し得る。従って、いくつかの実施形態では、ポリマー組成物又は硬化ポリマー組成物の灰分は０．１％〜０．００１％の範囲である。別の実施形態では、ポリマー組成物又は硬化ポリマー組成物の灰分は、０．１％未満、０．０８％未満、０．０５％未満、０．０３％未満、０．０２５％未満、０．０１％未満、０．００７５％未満、０．００５％未満、又は０．００１％未満である。
他の実施形態では、ポリマー組成物又は硬化ポリマー組成物は、全ての他の元素の全ＰＩＸＥ不純物含有量が５００ｐｐｍ未満であり、灰分が０．０８％未満である。更なる実施形態では、ポリマー組成物又は硬化ポリマー組成物は、全ての他の元素の全ＰＩＸＥ不純物含有量が３００ｐｐｍ未満であり、灰分が０．０５％未満である。別の更なる実施形態では、ポリマー組成物又は硬化ポリマー組成物は、全ての他の元素の全ＰＩＸＥ不純物含有量が２００ｐｐｍ未満であり、灰分が０．０２％未満である。別の更なる実施形態では、ポリマー組成物又は硬化ポリマー組成物は、全ての他の元素の全ＰＩＸＥ不純物含有量が２００ｐｐｍ未満であり、灰分が０．０１％未満である。
他の実施形態では、ポリマー組成物又は硬化ポリマー組成物は、全ての他の元素の全ＴＸＲＦ不純物含有量が５００ｐｐｍ未満であり、灰分が０．０８％未満である。更なる実施形態では、ポリマー組成物又は硬化ポリマー組成物は、全ての他の元素の全ＴＸＲＦ不純物含有量が３００ｐｐｍ未満であり、灰分が０．０５％未満である。別の更なる実施形態では、ポリマー組成物又は硬化ポリマー組成物は、全ての他の元素の全ＴＸＲＦ不純物含有量が２００ｐｐｍ未満であり、灰分が０．０２％未満である。別の更なる実施形態では、ポリマー組成物又は硬化ポリマー組成物は、全ての他の元素の全ＴＸＲＦ不純物含有量が２００ｐｐｍ未満であり、灰分が０．０１％未満である。
【００８２】
上記のように、不純物を含むポリマー組成物を製造する方法は、一般に、同じく不純物を含む炭素材料を生じる。従って、本方法の一態様は、残留する不要な不純物が低レベルであるポリマー組成物又は硬化ポリマー組成物をもたらす。ポリマー組成物又は硬化ポリマー組成物中に存在する個々のＰＩＸＥ不純物の量は、プロトン励起Ｘ線放射によって測定できる。いくつかの実施形態では、ポリマー組成物又は硬化ポリマー組成物中に存在するナトリウムのレベルは、１０００ｐｐｍ未満、５００ｐｐｍ未満、１００ｐｐｍ未満、５０ｐｐｍ未満、１０ｐｐｍ未満、又は１ｐｐｍ未満である。いくつかの実施形態では、ポリマー組成物又は硬化ポリマー組成物中に存在するマグネシウムのレベルは、１０００ｐｐｍ未満、１００ｐｐｍ未満、５０ｐｐｍ未満、１０ｐｐｍ未満、又は１ｐｐｍ未満である。上述のように、いくつかの実施形態では、水素、酸素及び／又は窒素等の他の不純物は、１０％未満〜０．０１％未満の範囲のレベルで存在し得る。
上記のように、不純物を含むポリマー組成物を製造する方法は、一般に、同じく不純物を含む炭素材料を生じる。従って、本方法の一態様は、残留する不要な不純物が低レベルであるポリマー組成物又は硬化ポリマー組成物をもたらす。ポリマー組成物又は硬化ポリマー組成物中に存在する個々のＴＸＲＦ不純物の量は、全反射蛍光Ｘ線によって測定できる。いくつかの実施形態では、ポリマー組成物又は硬化ポリマー組成物中に存在するナトリウムのレベルは、１０００ｐｐｍ未満、５００ｐｐｍ未満、１００ｐｐｍ未満、５０ｐｐｍ未満、１０ｐｐｍ未満、又は１ｐｐｍ未満である。いくつかの実施形態では、ポリマー組成物又は硬化ポリマー組成物中に存在するマグネシウムのレベルは、１０００ｐｐｍ未満、１００ｐｐｍ未満、５０ｐｐｍ未満、１０ｐｐｍ未満、又は１ｐｐｍ未満である。上述のように、いくつかの実施形態では、水素、酸素及び／又は窒素等の他の不純物は、１０％未満〜０．０１％未満の範囲のレベルで存在し得る。
いくつかの具体的な実施形態では、ポリマー組成物又は硬化ポリマー組成物は、１００ｐｐｍ未満のナトリウム、３００ｐｐｍ未満のケイ素、５０ｐｐｍ未満の硫黄、１００ｐｐｍ未満のカルシウム、２０ｐｐｍ未満の鉄、１０ｐｐｍ未満のニッケル、４０ｐｐｍ未満の銅、５ｐｐｍ未満のクロム、及び５ｐｐｍ未満の亜鉛を含む。他の具体的な実施形態では、ポリマー組成物又は硬化ポリマー組成物は、５０ｐｐｍ未満のナトリウム、１００ｐｐｍ未満のケイ素、３０ｐｐｍ未満の硫黄、５０ｐｐｍ未満のカルシウム、１０ｐｐｍ未満の鉄、５ｐｐｍ未満のニッケル、２０ｐｐｍ未満の銅、２ｐｐｍ未満のクロム、及び２ｐｐｍ未満の亜鉛を含む。
他の具体的な実施形態では、ポリマー組成物又は硬化ポリマー組成物は、５０ｐｐｍ未満のナトリウム、５０ｐｐｍ未満のケイ素、３０ｐｐｍ未満の硫黄、１０ｐｐｍ未満のカルシウム、２ｐｐｍ未満の鉄、１ｐｐｍ未満のニッケル、１ｐｐｍ未満の銅、１ｐｐｍ未満のクロム、及び１ｐｐｍ未満の亜鉛を含む。
いくつかの他の具体的な実施形態では、ポリマー組成物又は硬化ポリマー組成物は、１００ｐｐｍ未満のナトリウム、５０ｐｐｍ未満のマグネシウム、５０ｐｐｍ未満のアルミニウム、１０ｐｐｍ未満の硫黄、１０ｐｐｍ未満の塩素、１０ｐｐｍ未満のカリウム、１ｐｐｍ未満のクロム、及び１ｐｐｍ未満のマンガンを含む。
【００８３】
いくつかの実施形態では、方法は、高い比表面積を有するポリマー組成物又は硬化ポリマー組成物を生成する。理論に束縛されるものではないが、ポリマー組成物又は硬化ポリマー組成物の表面積は、炭素材料の所望の表面積特性に少なくとも部分的に寄与すると考えられる。表面積は、当業者に周知のＢＥＴ技術を用いて測定できる。一実施形態では、方法は、少なくとも１５０ｍ2／ｇ、少なくとも２５０ｍ2／ｇ、少なくとも４００ｍ2／ｇ、少なくとも５００ｍ2／ｇ、少なくとも６００ｍ2／ｇ又は少なくとも７００ｍ2／ｇのＢＥＴ比表面積を有するポリマー組成物又は硬化ポリマー組成物をもたらす。
一実施形態では、ポリマー組成物又は硬化ポリマー組成物は１００ｍ2／ｇ〜１０００ｍ2／ｇのＢＥＴ比表面積を有する。あるいは、ポリマー組成物又は硬化ポリマー組成物は１５０ｍ2／ｇ〜９００ｍ2／ｇのＢＥＴ比表面積を有する。あるいは、ポリマー組成物又は硬化ポリマー組成物は４００ｍ2／ｇ〜８００ｍ2／ｇのＢＥＴ比表面積を有する。
【００８４】
一実施形態では、ポリマー組成物又は硬化ポリマー組成物は０．１０ｇ／ｃｃ〜０．６０ｇ／ｃｃのタップ密度を有する。一実施形態では、ポリマー組成物又は硬化ポリマー組成物は０．１５ｇ／ｃｃ〜０．２５ｇ／ｃｃのタップ密度を有する。一実施形態では、ポリマー組成物又は硬化ポリマー組成物は、少なくとも１５０ｍ2／ｇのＢＥＴ比表面積及び０．６０ｇ／ｃｃ未満のタップ密度を有する。あるいは、ポリマー組成物又は硬化ポリマー組成物は少なくとも２５０ｍ2／ｇのＢＥＴ比表面積及び０．４ｇ／ｃｃ未満のタップ密度を有する。別の実施形態では、ポリマー組成物又は硬化ポリマー組成物は少なくとも５００ｍ2／ｇのＢＥＴ比表面積及び０．３０ｇ／ｃｃ未満のタップ密度を有する。
【００８５】
一実施形態では、ポリマー組成物又は硬化ポリマー組成物は、５００オングストローム以下の細孔の細孔容積率が、全細孔容積の少なくとも２５％、全細孔容積の５０％、全細孔容積の少なくとも７５％、全細孔容積の少なくとも９０％、又は全細孔容積の少なくとも９９％である。別の実施形態では、ポリマー組成物又は硬化ポリマー組成物は、２０ｎｍ未満の細孔の細孔容積率が、全細孔容積の少なくとも５０％、全細孔容積の少なくとも７５％、全細孔容積の少なくとも９０％、又は全細孔容積の少なくとも９９％である。
【００８６】
いくつかの実施形態では、０．１１の相対圧力におけるポリマー組成物又は硬化ポリマー組成物の単位質量当たりの窒素吸着量は、最大０．９９の相対圧力での全窒素吸着量の少なくとも１０％、又は最大０．９９の相対圧力での全窒素吸着量の少なくとも２０％である。別の実施形態では、０．１１の相対圧力におけるポリマー組成物又は硬化ポリマー組成物の単位質量当たりの窒素吸着量は、最大０．９９の相対圧力での全窒素吸着量の１０％〜５０％、最大０．９９の相対圧力での全窒素吸着量の２０％〜４０％、又は最大０．９９の相対圧力での全窒素吸着量の２０％〜３０％である。
一実施形態では、ポリマー組成物又は硬化ポリマー組成物は、１００ｎｍ以下の細孔の細孔表面積率が、全細孔表面積の少なくとも５０％、全細孔表面積の少なくとも７５％、全細孔表面積の少なくとも９０％、又は全細孔表面積の少なくとも９９％である。別の実施形態では、ポリマー組成物又は硬化ポリマー組成物は、２０ｎｍ以下の細孔の細孔表面積率が、全細孔表面積の少なくとも５０％、全細孔表面積の少なくとも７５％、全細孔表面積の少なくとも９０％、又は全細孔表面積の少なくとも９９％である。
【００８７】
いくつかの実施形態では、熱分解炭素材料は約１００〜約１２００ｍ2／ｇの表面積を有する。他の実施形態では、熱分解炭素材料は約５００〜約８００ｍ2／ｇの表面積を有する。他の実施形態では、熱分解炭素材料は約５００〜約７００ｍ2／ｇの表面積を有する。
いくつかの実施形態では、炭素材料は少なくとも０．０１ｃｃ／ｇの全細孔容積を有する。特定の実施形態では、炭素材料は少なくとも０．０５ｃｃ／ｇの全細孔容積を有する。いくつかのより具体的な実施形態では、炭素材料は少なくとも０．１０ｃｃ／ｇの全細孔容積を有する。特定のより具体的の実施形態では、炭素材料は少なくとも０．４０ｃｃ／ｇの全細孔容積を有する。いくつかの実施形態では、炭素材料は少なくとも１．００ｃｃ／ｇの全細孔容積を有する。
いくつかの実施形態では、炭素材料は少なくとも５ｍ2／ｇのＢＥＴ比表面積を有する。特定の実施形態では、炭素材料は少なくとも１０ｍ2／ｇのＢＥＴ比表面積を有する。いくつかのより具体的な実施形態では、炭素材料は少なくとも５０ｍ2／ｇのＢＥＴ比表面積を有する。特定のより具体的な実施形態では、炭素材料は少なくとも１００ｍ2／ｇのＢＥＴ比表面積を有する。特定のより具体的な実施形態では、炭素材料は少なくとも１００ｍ2／ｇのＢＥＴ比表面積を有する。特定のより具体的な実施形態では、炭素材料は少なくとも１５０ｍ2／ｇのＢＥＴ比表面積を有する。特定のより具体的な実施形態では、炭素材料は少なくとも１５００ｍ2／ｇのＢＥＴ比表面積を有する。
他の実施形態では、熱分解炭素材料は約０．１〜約１．０ｇ／ｃｃのタップ密度を有する。他の実施形態では、熱分解炭素材料は約０．３〜約０．６ｇ／ｃｃのタップ密度を有する。他の実施形態では、熱分解炭素材料は約０．３〜約０．５ｇ／ｃｃのタップ密度を有する。
【００８８】
ポリマー組成物（即ち、硬化又は非硬化）は、対応するモノマーを適切な溶媒系内で、触媒条件下で共重合することによって調製できる。任意選択の電気化学的変性剤を、共重合プロセスの最中又は後のいずれかに、組成物に組み込むこと（即ち、反応混合物又はポリマー組成物に添加すること）ができる。
いくつかの実施形態は、ポリマー組成物又は硬化ポリマー組成物の約１０質量％を超える溶媒濃度と、０．５を超える相対的細孔完全性を有するポリマーと、を有するポリマー組成物又は硬化ポリマー組成物を提供する。
いくつかの実施形態では、ポリマーは、レゾルシノール−ホルムアルデヒドポリマーである。例えば、ポリマーは、上記実施形態のいずれかに記載のように第１モノマーと第２モノマーとの共重合から合成される。
【００８９】
いくつかの具体的な実施形態では、相対的細孔完全性は、約０．４０、０．４５、０．５０、０．５５、０．６０、０．６５、０．７０、０．７５、０．８０、０．８５、０．９０、０．９５、１．００、１．０５、１．１０、１．１５又は１．２０を超える。相対的細孔完全性は、炭素材料−１つは乾燥ステップ（例えば、凍結乾燥）なし、１つは乾燥ステップあり−を合成し、本明細書に記載の方法又は当該技術分野で公知の方法（例えば、窒素吸着）を用いてメソ細孔容積を測定することによって計算できる。いくつかの実施形態では、相対的細孔完全性は０．５超である。他の実施形態では、相対的細孔完全性は０．６５超である。いくつかの実施形態では、相対的細孔完全性は０．８０超である。特定の実施形態では、相対的細孔完全性は０．９０超である。更に他の実施形態では、相対的細孔完全性は０．９５超である。上記実施形態のいずれか１つにおいて、相対的細孔容積は、全細孔容積を使用して（即ち、式２に従って）計算され得る。
一実施形態では、相対的細孔完全性は、メソ細孔容積測定値を比較することによって計算できる。例えば、いくつかの実施形態では、相対的細孔完全性は、次式（式１）に従って計算される：
2021512190.tif 000003
式中、炭素材料１は硬化ポリマー組成物の熱分解によって得られ、炭素材料２は硬化ポリマー組成物の凍結乾燥及び熱分解によって得られる。即ち、上記実施形態のいくつかにおいて、炭素材料１と炭素材料２は同じ出発材料から得られる。上記の式が示すように、炭素材料１が炭素材料２と同じメソ細孔容積を有する場合、ポリマー組成物又は硬化ポリマー組成物のポリマーは１．００の相対的細孔完全性を有する。
一実施形態では、相対的細孔完全性は、全細孔容積測定値を比較することによって計算できる。例えば、いくつかの実施形態では、相対的細孔完全性は、次式（式２）に従って計算される：
2021512190.tif 000004
式中、炭素材料１は硬化ポリマー組成物の熱分解によって得られ、炭素材料２は硬化ポリマー組成物の凍結乾燥及び熱分解によって得られる。即ち、上記実施形態のいくつかにおいて、炭素材料１と炭素材料２は同じ出発材料から得られる。上記の式が示すように、炭素材料１が炭素材料２と同じ全細孔容積を有する場合、ポリマー組成物又は硬化ポリマー組成物のポリマーは１．００の相対的細孔完全性を有する。
【００９０】
上記実施形態の一部では、溶媒濃度は、ポリマー組成物又は硬化ポリマー組成物の約４０質量％超である。いくつかの実施形態では、溶媒濃度は、ポリマー組成物の約１０質量％、２０質量％、３０質量％、４０質量％、５０質量％、６０質量％、７０質量％、１５質量％、２５質量％、３５質量％、４５質量％、５５質量％、６５質量％、７５質量％、８質量％、１８質量％、２８質量％、３８質量％、４８質量％、５８質量％、６８質量％、１２質量％、２２質量％、３２質量％、４２質量％、又は５２質量％を超える。
いくつかの実施形態では、ポリマー組成物又は硬化ポリマー組成物は、質量で約７５％超の溶媒を含む。特定の実施形態では、ポリマー組成物又は硬化ポリマー組成物は、質量で約６５％超の溶媒を含む。いくつかの実施形態では、ポリマー組成物又は硬化ポリマー組成物は、質量で約５％超、約１０％超、約１５％超、約２０％超、約２５％超、約３０％超、約３５％超、約４０％超、約４５％超、約５０％超、約５５％超、約６０％超、約６７．５％超、約７０％超、約７２．５％超、約７５％超、約７７．５％超、約８０％超、約８２．５％超、約８５％超、約８７．５％超、約９０％超、約９２．５％超、約９５％超、約９７．５％超、又は約９９％超の溶媒を含む。
上記実施形態の一部では、溶媒濃度は、ポリマー組成物又は硬化ポリマー組成物の約４５質量％〜約６５質量％の範囲である。いくつかの実施形態では、溶媒濃度は、ポリマー組成物又は硬化ポリマー組成物の約１０質量％〜約６５質量％、約１５質量％〜約６５質量％、約２５質量％〜約６５質量％、約３５質量％〜約６５質量％、約５５質量％〜約６５質量％、約１０質量％〜約６０質量％、約１０質量％〜約５５質量％、約１０質量％〜約４５質量％、約１０質量％〜約３５質量％、約１０質量％〜約２５質量％、約１０質量％〜約１５質量％、約２５質量％〜約６５質量％、約４０質量％〜約６５質量％、約４０質量％〜約７０質量％、約４８質量％〜約６５質量％、約５０質量％〜約５５質量％、約４５質量％〜約５５質量％、約３５質量％〜約５５質量％又は約２５質量％〜約７５質量％の範囲である。
【００９１】
上記実施形態の一部では、ポリマー組成物又は硬化ポリマー組成物は、０．３５ｃｍ3／ｇ超、０．２０ｃｍ3／ｇ超、又は０．５０ｃｍ3／ｇ超のメソ細孔容積を有する。いくつかのより具体的な実施形態では、ポリマーは、０．７５ｃｍ3／ｇ超のメソ細孔容積を有する。いくつかの実施形態では、ポリマーは、少なくとも０．１ｃｍ3／ｇ、少なくとも０．２ｃｍ3／ｇ、少なくとも０．３ｃｍ3／ｇ、少なくとも０．４ｃｍ3／ｇ、少なくとも０．５ｃｍ3／ｇ、少なくとも０．７ｃｍ3／ｇ、少なくとも０．７５ｃｍ3／ｇ、少なくとも０．９ｃｍ3／ｇ、少なくとも１．０ｃｍ3／ｇ、少なくとも１．１ｃｍ3／ｇ、少なくとも１．２ｃｍ3／ｇ、少なくとも１．３ｃｍ3／ｇ、少なくとも１．４ｃｍ3／ｇ、少なくとも１．５ｃｍ3／ｇ、又は少なくとも１．６ｃｍ3／ｇのメソ細孔容積を有する。
【００９２】
いくつかの実施形態では、ポリマーは少なくとも０．６０ｃｃ／ｇの全細孔容積を有する。いくつかの実施形態では、本方法のポリマーは、少なくとも１．００ｃｃ／ｇの全細孔容積を有する。いくつかの実施形態では、炭素材料は少なくとも０．０４ｃｃ／ｇの全細孔容積を有する。いくつかの実施形態では、ポリマーは少なくとも０．０１ｃｃ／ｇの全細孔容積を有する。いくつかの実施形態では、ポリマーは少なくとも０．０５ｃｃ／ｇの全細孔容積を有する。いくつかの実施形態では、ポリマーは少なくとも０．１０ｃｃ／ｇの全細孔容積を有する。
いくつかの実施形態では、ポリマーは、少なくとも４．００ｃｃ／ｇ、少なくとも３．７５ｃｃ／ｇ、少なくとも３．５０ｃｃ／ｇ、少なくとも３．２５ｃｃ／ｇ、少なくとも３．００ｃｃ／ｇ、少なくとも２．７５ｃｃ／ｇ、少なくとも２．５０ｃｃ／ｇ、少なくとも２．２５ｃｃ／ｇ、少なくとも２．００ｃｃ／ｇ、少なくとも１．９０ｃｃ／ｇ、１．８０ｃｃ／ｇ、１．７０ｃｃ／ｇ、１．６０ｃｃ／ｇ、１．５０ｃｃ／ｇ、１．４０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．３０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．２０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．１０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．００ｃｃ／ｇ、少なくとも０．８５ｃｃ／ｇ、少なくとも０．８０ｃｃ／ｇ、少なくとも０．７５ｃｃ／ｇ、少なくとも０．７０ｃｃ／ｇ、少なくとも０．６５ｃｃ／ｇ、少なくとも０．６０ｃｃ／ｇ、少なくとも０．５５ｃｃ／ｇ、少なくとも０．５０ｃｃ／ｇ、少なくとも０．４５ｃｃ／ｇ、少なくとも０．４０ｃｃ／ｇ、少なくとも０．３５ｃｃ／ｇ、少なくとも０．３０ｃｃ／ｇ、少なくとも０．２５ｃｃ／ｇ、又は少なくとも０．２０ｃｃ／ｇの全細孔容積を有する。
【００９３】
他の実施形態では、ポリマーは少なくとも５００ｍ2／ｇのＢＥＴ比表面積を有する。いくつかの実施形態では、ポリマーは少なくとも１５００ｍ2／ｇのＢＥＴ比表面積を有する。いくつかの実施形態では、ポリマーは少なくとも１５０ｍ2／ｇのＢＥＴ比表面積を有する。
いくつかの実施形態では、方法は、少なくとも１００ｍ2／ｇ、少なくとも３００ｍ2／ｇ、少なくとも５００ｍ2／ｇ、少なくとも１０００ｍ2／ｇ、少なくとも１５００ｍ2／ｇ、少なくとも２０００ｍ2／ｇ、少なくとも２４００ｍ2／ｇ、少なくとも２５００ｍ2／ｇ、少なくとも２７５０ｍ2／ｇ又は少なくとも３０００ｍ2／ｇのＢＥＴ比表面積を有するポリマーを提供する。他の実施形態では、ＢＥＴ比表面積は約１００ｍ2／ｇ〜約３０００ｍ2／ｇ、例えば約５００ｍ2／ｇ〜約１０００ｍ2／ｇ、約１０００ｍ2／ｇ〜約１５００ｍ2／ｇ、約１５００ｍ2／ｇ〜約２０００ｍ2／ｇ、約２０００ｍ2／ｇ〜約２５００ｍ2／ｇ又は約２５００ｍ2／ｇ〜約３０００ｍ2／ｇの範囲である。
特定の実施形態では、ポリマーはミクロ細孔、メソ細孔及び全細孔容積を含む細孔構造を有し、全細孔容積の４０％〜９０％はミクロ細孔に属し、全細孔容積の１０％〜６０％はメソ細孔に属し、全細孔容積の１０％未満は２０ｎｍを超える細孔に属する。
更に他の実施形態では、ポリマーの細孔構造は、４０％〜９０％のミクロ細孔と１０％〜６０％のメソ細孔とを含む。他の実施形態では、ポリマーの細孔構造は、４５％〜９０％のミクロ細孔と１０％〜５５％のメソ細孔とを含む。他の実施形態では、ポリマーの細孔構造は、４０％〜８５％のミクロ細孔と１５％〜４０％のメソ細孔とを含む。更に他の実施形態では、ポリマーの細孔構造は、５５％〜８５％のミクロ細孔と１５％〜４５％のメソ細孔、例えば６５％〜８５％のミクロ細孔と１５％〜３５％のメソ細孔とを含む。他の実施形態では、ポリマーの細孔構造は、６５％〜７５％のミクロ細孔と１５％〜２５％のメソ細孔、例えば６７％〜７３％のミクロ細孔と２７％〜３３％のメソ細孔とを含む。いくつかの他の実施形態では、ポリマーの細孔構造は、７５％〜８５％のミクロ細孔と１５％〜２５％のメソ細孔、例えば８３％〜７７％のミクロ細孔と１７％〜２３％のメソ細孔とを含む。他の特定の実施形態では、ポリマーの細孔構造は、約８０％のミクロ細孔と約２０％のメソ細孔とを含み、又は他の実施形態では、ポリマーの細孔構造は、約７０％のミクロ細孔と約３０％のメソ細孔とを含む。
【００９４】
いくつかの実施形態では、ポリマーは、全反射蛍光Ｘ線分析によって測定したときに１１〜９２の範囲の原子番号を有する元素の全不純物含有量が５００ｐｐｍ未満である。特定の実施形態では、ポリマーは、全反射蛍光Ｘ線分析によって測定したときに１１〜９２の範囲の原子番号を有する元素の全不純物含有量が１００ｐｐｍ未満である。
【００９５】
特定の実施形態は、ポリマーが本明細書に記載の実施形態のいずれか１つに従って調製された、ポリマー組成物又は硬化ポリマー組成物を提供する。
いくつかの実施形態では、ポリマーは少なくとも０．０１ｃｃ／ｇの全細孔容積を有する。いくつかの実施形態では、ポリマーは少なくとも０．０５ｃｃ／ｇの全細孔容積を有する。いくつかの実施形態では、ポリマーは少なくとも０．１０ｃｃ／ｇの全細孔容積を有する。いくつかの実施形態では、ポリマーは少なくとも０．４０ｃｃ／ｇの全細孔容積を有する。いくつかの実施形態では、ポリマーは少なくとも０．６０ｃｃ／ｇの全細孔容積を有する。いくつかの実施形態では、ポリマーは少なくとも１．００ｃｃ／ｇの全細孔容積を有する。いくつかの実施形態では、ポリマーは、少なくとも４．００ｃｃ／ｇ、少なくとも３．７５ｃｃ／ｇ、少なくとも３．５０ｃｃ／ｇ、少なくとも３．２５ｃｃ／ｇ、少なくとも３．００ｃｃ／ｇ、少なくとも２．７５ｃｃ／ｇ、少なくとも２．５０ｃｃ／ｇ、少なくとも２．２５ｃｃ／ｇ、少なくとも２．００ｃｃ／ｇ、少なくとも１．９０ｃｃ／ｇ、１．８０ｃｃ／ｇ、１．７０ｃｃ／ｇ、１．６０ｃｃ／ｇ、１．５０ｃｃ／ｇ、１．４０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．３０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．２０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．１０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．００ｃｃ／ｇ、少なくとも０．８５ｃｃ／ｇ、少なくとも０．８０ｃｃ／ｇ、少なくとも０．７５ｃｃ／ｇ、少なくとも０．７０ｃｃ／ｇ、少なくとも０．６５ｃｃ／ｇ、少なくとも０．６０ｃｃ／ｇ、少なくとも０．５５ｃｃ／ｇ、少なくとも０．５０ｃｃ／ｇ、少なくとも０．４５ｃｃ／ｇ、少なくとも０．４０ｃｃ／ｇ、少なくとも０．３５ｃｃ／ｇ、少なくとも０．３０ｃｃ／ｇ、少なくとも０．２５ｃｃ／ｇ、又は少なくとも０．２０ｃｃ／ｇの全細孔容積を有する。
いくつかの実施形態では、ポリマーは少なくとも５ｍ2／ｇのＢＥＴ比表面積を有する。いくつかの実施形態では、ポリマーは少なくとも１０ｍ2／ｇのＢＥＴ比表面積を有する。いくつかの実施形態では、ポリマーは少なくとも５０ｍ2／ｇのＢＥＴ比表面積を有する。いくつかの実施形態では、ポリマーは少なくとも１００ｍ2／ｇのＢＥＴ比表面積を有する。いくつかの実施形態では、ポリマーは少なくとも１５０ｍ2／ｇのＢＥＴ比表面積を有する。いくつかの実施形態では、ポリマーは少なくとも３００ｍ2／ｇのＢＥＴ比表面積を有する。いくつかの実施形態では、ポリマーは少なくとも５００ｍ2／ｇのＢＥＴ比表面積を有する。特定の実施形態では、ポリマーは少なくとも１５００ｍ2／ｇのＢＥＴ比表面積を有する。いくつかの実施形態では、ポリマーは、少なくとも１００ｍ2／ｇ、少なくとも３００ｍ2／ｇ、少なくとも５００ｍ2／ｇ、少なくとも１０００ｍ2／ｇ、少なくとも１５００ｍ2／ｇ、少なくとも２０００ｍ2／ｇ、少なくとも２４００ｍ2／ｇ、少なくとも２５００ｍ2／ｇ、少なくとも２７５０ｍ2／ｇ又は少なくとも３０００ｍ2／ｇのＢＥＴ比表面積を有する。他の実施形態では、ＢＥＴ比表面積は約１００ｍ2／ｇ〜約３０００ｍ2／ｇ、例えば約５００ｍ2／ｇ〜約１０００ｍ2／ｇ、約１０００ｍ2／ｇ〜約１５００ｍ2／ｇ、約１５００ｍ2／ｇ〜約２０００ｍ2／ｇ、約２０００ｍ2／ｇ〜約２５００ｍ2／ｇ又は約２５００ｍ2／ｇ〜約３０００ｍ2／ｇの範囲である。
【００９６】
いくつかの実施形態では、ポリマーは第１モノマーを含む。いくつかの実施形態では、第１のモノマーはフェノールモノマーである。一実施形態では、フェノールモノマーは、フェノール、レゾルシノール、カテコール、ヒドロキノン、フロログルシノール、又はこれらの組合せである。いくつかの実施形態では、フェノールモノマーは以下の構造を有し：
【化２】
2021512190.tif 000005
式中、
Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3及びＲ4は各々独立して、Ｈ、ヒドロキシル、ハロ、ニトロ、アシル、カルボキシ、アルキルカルボニル、アリールカルボニル、Ｃ1-6アルキル、Ｃ1-6アルケニル、メタクリレート、アクリレート、シリルエーテル、シロキサン、アラルキル又はアルカリールであり、Ｒ1、Ｒ2及びＲ4のうちの少なくとも２つはＨである。
いくつかの実施形態では、フェノールモノマーはレゾルシノールである。いくつかのより具体的な実施形態では、フェノールモノマーはレゾルシノールとフェノールとの混合物である。
いくつかの実施形態では、ポリマーは第２モノマーを含む。いくつかの実施形態では、第２モノマーは、ホルムアルデヒド、パラホルムアルデヒド、ブチルアルデヒド（ｂｕｔｙｒａｄｅｈｙｄｅ）又はこれらの組合せである。いくつかの実施形態では、第２モノマーはホルムアルデヒドである。
【００９７】
２．炭素材料
本開示は、一般に、水を含むポリマー組成物から、熱分解炭素材料を調製する方法に関する。理論に束縛されるものではないが、炭素材料の細孔構造に加えて、純度特性、表面積、及びその他の特性は、その調製方法の関数であり、調製パラメータを変えることで種々の特性を有する炭素材料が生成し得る。従って、いくつかの実施形態では、炭素材料は、未乾燥の硬化ポリマー組成物の熱分解から製造される。他の実施形態では、炭素材料は熱分解され、かつ活性化される。
上記のように、活性炭素材料はエネルギー蓄蔵材料として広く用いられている。これに関して、高い電力密度を有する炭素材料を製造することは、本明細書に開示される方法の極めて重要な特徴である。本方法の実施形態にとって、例えば循環的な性能制約下で応答することが要求されるデバイスに使用するために、イオン抵抗の低い炭素材料を製造することは重要である。
加えて、製造コストを最小限に抑えるとともに、高品質の材料を大規模に提供することは極めて重要である。本開示の方法の実施形態は、電気エネルギー貯蔵及び分配デバイスの電力性能を最大にする電極配合物に最適化された炭素材料を製造するという問題を解決する。本炭素材料を含むデバイスは、長期安定性、高速応答時間、及び高いパルス電力性能を示す。
【００９８】
開示される方法は、特定のミクロ細孔構造を有する炭素材料を生じ、それはミクロ細孔若しくはメソ細孔又はその両方に属する総細孔容積の割合（パーセント）によって通常は表される。従って、いくつかの実施形態では、炭素材料の細孔構造は１０％〜９０％のミクロ細孔を含む。いくつかの他の実施形態では、炭素材料の細孔構造は２０％〜８０％のミクロ細孔を含む。他の実施形態では、炭素材料の細孔構造は３０％〜７０％のミクロ細孔を含む。他の実施形態では、炭素材料の細孔構造は４０％〜６０％のミクロ細孔を含む。他の実施形態では、炭素材料の細孔構造は４０％〜５０％のミクロ細孔を含む。他の実施形態では、炭素材料の細孔構造は４３％〜４７％のミクロ細孔を含む。特定の実施形態では、炭素材料の細孔構造は約４５％のミクロ細孔を含む。
いくつかの他の実施形態では、炭素材料の細孔構造は２０％〜５０％のミクロ細孔を含む。更に他の実施形態では、炭素材料の細孔構造は２０％〜４０％のミクロ細孔、例えば２５％〜３５％のミクロ細孔又は２７％〜３３％のミクロ細孔を含む。いくつかの他の実施形態では、炭素材料の細孔構造は３０％〜５０％のミクロ細孔、例えば３５％〜４５％のミクロ細孔又は３７％〜４３％のミクロ細孔を含む。いくつかの特定の実施形態では、炭素材料の細孔構造は約３０％のミクロ細孔又は約４０％のミクロ細孔を含む。
具体的な一実施形態では、炭素材料は、ミクロ細孔、メソ細孔及び全細孔容積を含む細孔構造を有し、全細孔容積の４０％〜９０％はミクロ細孔に属し、全細孔容積の１０％〜６０％はメソ細孔に属し、全細孔容積の１０％未満は２０ｎｍを超える細孔に属する。
いくつかの他の実施形態では、炭素材料の細孔構造は４０％〜９０％のミクロ細孔を含む。更に他の実施形態では、炭素材料の細孔構造は、４５％〜９０％のミクロ細孔、例えば５５％〜８５％のミクロ細孔を含む。いくつかの他の実施形態では、炭素材料の細孔構造は６５％〜８５％のミクロ細孔、例えば７５％〜８５％のミクロ細孔又は７７％〜８３％のミクロ細孔を含む。更に他の実施形態では、炭素材料の細孔構造は、６５％〜７５％のミクロ細孔、例えば６７％〜７３％のミクロ細孔を含む。いくつかの特定の実施形態では、炭素材料の細孔構造は約８０％のミクロ細孔又は約７０％のミクロ細孔を含む。
【００９９】
炭素材料のメソ細孔性は高いイオン移動性及び低い抵抗に寄与する。いくつかの実施形態では、炭素材料の細孔構造は１０％〜９０％のメソ細孔を含む。いくつかの他の実施形態では、炭素材料の細孔構造は２０％〜８０％のメソ細孔を含む。他の実施形態では、炭素材料の細孔構造は３０％〜７０％のメソ細孔を含む。他の実施形態では、炭素材料の細孔構造は４０％〜６０％のメソ細孔を含む。他の実施形態では、炭素材料の細孔構造は５０％〜６０％のメソ細孔を含む。他の実施形態では、炭素材料の細孔構造は５３％〜５７％のメソ細孔を含む。他の実施形態では、炭素材料の細孔構造は約５５％のメソ細孔を含む。
いくつかの他の実施形態では、炭素材料の細孔構造は５０％〜８０％のメソ細孔を含む。更に他の実施形態では、炭素材料の細孔構造は、６０％〜８０％のメソ細孔、例えば６５％〜７５％のメソ細孔、又は６７％〜７３％のメソ細孔を含む。いくつかの他の実施形態では炭素材料の細孔構造は、５０％〜７０％のメソ細孔、例えば５５％〜６５％のメソ細孔、又は５７％〜５３％のメソ細孔を含む。いくつかの特定の実施形態では、炭素材料の細孔構造は約３０％のメソ細孔又は約４０％のメソ細孔を含む。
いくつかの他の実施形態では、炭素材料の細孔構造は１０％〜６０％のメソ細孔を含む。いくつかの他の実施形態では、炭素材料の細孔構造は、１０％〜５５％のメソ細孔、例えば１５％〜４５％のメソ細孔、又は１５％〜４０％のメソ細孔を含む。いくつかの他の実施形態では、炭素材料の細孔構造は、１５％〜３５％のメソ細孔、例えば１５％〜２５％のメソ細孔、又は１７％〜２３％のメソ細孔を含む。いくつかの他の実施形態では、炭素材料の細孔構造は、２５％〜３５％のメソ細孔、例えば２７％〜３３％のメソ細孔を含む。いくつかの特定の実施形態では、炭素材料の細孔構造は約２０％のメソ細孔を含み、他の実施形態では、炭素材料は約３０％のメソ細孔を含む。
【０１００】
いくつかの実施形態では、方法は、炭素材料の電気化学的性能の向上に寄与する最適化されたブレンドのミクロ細孔とメソ細孔とを有する炭素材料を提供する。従って、いくつかの実施形態では、炭素材料の細孔構造は１０％〜９０％のミクロ細孔と１０％〜９０％のメソ細孔とを含む。いくつかの他の実施形態では、炭素材料の細孔構造は２０％〜８０％のミクロ細孔と２０％〜８０％のメソ細孔とを含む。他の実施形態では、炭素材料の細孔構造は３０％〜７０％のミクロ細孔と３０％〜７０％のメソ細孔とを含む。他の実施形態では、炭素材料の細孔構造は４０％〜６０％のミクロ細孔と４０％〜６０％のメソ細孔とを含む。他の実施形態では、炭素材料の細孔構造は４０％〜５０％のミクロ細孔と５０％〜６０％のメソ細孔とを含む。他の実施形態では、炭素材料の細孔構造は４３％〜４７％のミクロ細孔と５３％〜５７％のメソ細孔とを含む。他の実施形態では、炭素材料の細孔構造は約４５％のミクロ細孔と約５５％のメソ細孔とを含む。
更に他の実施形態では、炭素材料の細孔構造は４０％〜９０％のミクロ細孔と１０％〜６０％のメソ細孔とを含む。他の実施形態では、炭素材料の細孔構造は４５％〜９０％のミクロ細孔と１０％〜５５％のメソ細孔とを含む。他の実施形態では、炭素材料の細孔構造は４０％〜８５％のミクロ細孔と１５％〜４０％のメソ細孔とを含む。更に他の実施形態では、炭素材料の細孔構造は、５５％〜８５％のミクロ細孔と１５％〜４５％のメソ細孔、例えば６５％〜８５％のミクロ細孔と１５％〜３５％のメソ細孔とを含む。他の実施形態では、炭素材料の細孔構造は、６５％〜７５％のミクロ細孔と１５％〜２５％のメソ細孔、例えば６７％〜７３％のミクロ細孔と２７％〜３３％のメソ細孔とを含む。いくつかの他の実施形態では、炭素材料の細孔構造は、７５％〜８５％のミクロ細孔と１５％〜２５％のメソ細孔、例えば８３％〜７７％のミクロ細孔と１７％〜２３％のメソ細孔とを含む。他の特定の実施形態では、炭素材料の細孔構造は、約８０％のミクロ細孔と約２０％のメソ細孔とを含み、又は他の実施形態では、炭素材料の細孔構造は、約７０％のミクロ細孔と約３０％のメソ細孔とを含む。
更に他の実施形態では、細孔構造は、２０％〜５０％のミクロ細孔と５０％〜８０％のメソ細孔とを含む。例えば、いくつかの実施形態では、全細孔容積の２０％〜４０％はミクロ細孔に属し、全細孔容積の６０％〜８０％はメソ細孔に属する。他の実施形態では、全細孔容積の２５％〜３５％はミクロ細孔に属し、全細孔容積の６５％〜７５％はメソ細孔に属する。例えば、いくつかの実施形態では、全細孔容積の約３０％はミクロ細孔に属し、全細孔容積の約７０％はメソ細孔に属する。
更に他の実施形態では、全細孔容積の３０％〜５０％はミクロ細孔に属し、全細孔容積の５０％〜７０％はメソ細孔に属する。他の実施形態では、全細孔容積の３５％〜４５％はミクロ細孔に属し、全細孔容積の５５％〜６５％はメソ細孔に属する。例えば、いくつかの実施形態では、全細孔容積の約４０％はミクロ細孔に属し、全細孔容積の約６０％はメソ細孔に属する。
【０１０１】
上記の方法のいずれかの他の変形では、炭素材料は、２０ｎｍ超の細孔を大きな容積で含まない。例えば、特定の実施形態では、炭素材料は、全細孔容積の５０％未満、４０％未満、３０％未満、２５％未満、２０％未満、１５％未満、１０％未満、５％未満、２．５％未満又は更には１％未満が２０ｎｍ超の細孔に含まれる。
【０１０２】
いくつかの実施形態では、方法は、電気化学的性能の強化に寄与する多孔度を有する炭素材料をもたらす。従って、一実施形態では、炭素材料は、２０オングストローム未満の細孔に属する細孔容積が、少なくとも１．８ｃｃ／ｇ、少なくとも１．２ｃｃ／ｇ、少なくとも０．６ｃｃ／ｇ、少なくとも０．３０ｃｃ／ｇ、少なくとも０．２５ｃｃ／ｇ、少なくとも０．２０ｃｃ／ｇ、又は少なくとも０．１５ｃｃ／ｇである。他の実施形態では、炭素材料は、２０オングストローム超の細孔に属する細孔容積が、少なくとも４．００ｃｃ／ｇ、少なくとも３．７５ｃｃ／ｇ、少なくとも３．５０ｃｃ／ｇ、少なくとも３．２５ｃｃ／ｇ、少なくとも３．００ｃｃ／ｇ、少なくとも２．７５ｃｃ／ｇ、少なくとも２．５０ｃｃ／ｇ、少なくとも２．２５ｃｃ／ｇ、少なくとも２．００ｃｃ／ｇ、少なくとも１．９０ｃｃ／ｇ、１．８０ｃｃ／ｇ、１．７０ｃｃ／ｇ、１．６０ｃｃ／ｇ、１．５０ｃｃ／ｇ、１．４０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．３０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．２０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．１０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．００ｃｃ／ｇ、少なくとも０．８５ｃｃ／ｇ、少なくとも０．８０ｃｃ／ｇ、少なくとも０．７５ｃｃ／ｇ、少なくとも０．７０ｃｃ／ｇ、少なくとも０．６５ｃｃ／ｇ、又は少なくとも０．５ｃｃ／ｇである。
【０１０３】
他の実施形態では、炭素材料は、２０オングストローム〜３００オングストロームの範囲の細孔に関して、少なくとも４．００ｃｃ／ｇ、少なくとも３．７５ｃｃ／ｇ、少なくとも３．５０ｃｃ／ｇ、少なくとも３．２５ｃｃ／ｇ、少なくとも３．００ｃｃ／ｇ、少なくとも２．７５ｃｃ／ｇ、少なくとも２．５０ｃｃ／ｇ、少なくとも２．２５ｃｃ／ｇ、少なくとも２．００ｃｃ／ｇ、少なくとも１．９０ｃｃ／ｇ、１．８０ｃｃ／ｇ、１．７０ｃｃ／ｇ、１．６０ｃｃ／ｇ、１．５０ｃｃ／ｇ、１．４０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．３０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．２０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．１０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．００ｃｃ／ｇ、少なくとも０．８５ｃｃ／ｇ、少なくとも０．８０ｃｃ／ｇ、少なくとも０．７５ｃｃ／ｇ、少なくとも０．７０ｃｃ／ｇ、少なくとも０．６５ｃｃ／ｇ、又は少なくとも０．５０ｃｃ／ｇの細孔容積を有する。
【０１０４】
更に他の実施形態では、炭素材料は、少なくとも４．００ｃｃ／ｇ、少なくとも３．７５ｃｃ／ｇ、少なくとも３．５０ｃｃ／ｇ、少なくとも３．２５ｃｃ／ｇ、少なくとも３．００ｃｃ／ｇ、少なくとも２．７５ｃｃ／ｇ、少なくとも２．５０ｃｃ／ｇ、少なくとも２．２５ｃｃ／ｇ、少なくとも２．００ｃｃ／ｇ、少なくとも１．９０ｃｃ／ｇ、１．８０ｃｃ／ｇ、１．７０ｃｃ／ｇ、１．６０ｃｃ／ｇ、１．５０ｃｃ／ｇ、１．４０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．３０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．２０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．１０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．００ｃｃ／ｇ、少なくとも０．８５ｃｃ／ｇ、少なくとも０．８０ｃｃ／ｇ、少なくとも０．７５ｃｃ／ｇ、少なくとも０．７０ｃｃ／ｇ、少なくとも０．６５ｃｃ／ｇ、少なくとも０．６０ｃｃ／ｇ、少なくとも０．５５ｃｃ／ｇ、少なくとも０．５０ｃｃ／ｇ、少なくとも０．４５ｃｃ／ｇ、少なくとも０．４０ｃｃ／ｇ、少なくとも０．３５ｃｃ／ｇ、少なくとも０．３０ｃｃ／ｇ、少なくとも０．２５ｃｃ／ｇ、又は少なくとも０．２０ｃｃ／ｇの全細孔容積を有する。
【０１０５】
一実施形態では、炭素材料は、２０オングストローム未満の細孔に関して、少なくとも０．３５ｃｃ／ｇ、少なくとも０．３０ｃｃ／ｇ、少なくとも０．２５ｃｃ／ｇ、少なくとも０．２０ｃｃ／ｇ、少なくとも０．１５ｃｃ／ｇの細孔容積を有する。他の実施形態では、炭素材料は、２０オングストローム超の細孔に関して、少なくとも７ｃｃ／ｇ、少なくとも５ｃｃ／ｇ、少なくとも４．００ｃｃ／ｇ、少なくとも３．７５ｃｃ／ｇ、少なくとも３．５０ｃｃ／ｇ、少なくとも３．２５ｃｃ／ｇ、少なくとも３．００ｃｃ／ｇ、少なくとも２．７５ｃｃ／ｇ、少なくとも２．５０ｃｃ／ｇ、少なくとも２．２５ｃｃ／ｇ、少なくとも２．００ｃｃ／ｇ、少なくとも１．９０ｃｃ／ｇ、１．８０ｃｃ／ｇ、１．７０ｃｃ／ｇ、１．６０ｃｃ／ｇ、１．５０ｃｃ／ｇ、１．４０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．３０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．２０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．０ｃｃ／ｇ、少なくとも０．８ｃｃ／ｇ、少なくとも０．６ｃｃ／ｇ、少なくとも０．４ｃｃ／ｇ、少なくとも０．２ｃｃ／ｇ、少なくとも０．１ｃｃ／ｇの細孔容積を有する。
他の実施形態では、炭素材料は、２０オングストローム〜５００オングストロームの範囲の細孔に関して、少なくとも７ｃｃ／ｇ、少なくとも５ｃｃ／ｇ、少なくとも４．００ｃｃ／ｇ、少なくとも３．７５ｃｃ／ｇ、少なくとも３．５０ｃｃ／ｇ、少なくとも３．２５ｃｃ／ｇ、少なくとも３．００ｃｃ／ｇ、少なくとも２．７５ｃｃ／ｇ、少なくとも２．５０ｃｃ／ｇ、少なくとも２．２５ｃｃ／ｇ、少なくとも２．００ｃｃ／ｇ、少なくとも１．９０ｃｃ／ｇ、１．８０ｃｃ／ｇ、１．７０ｃｃ／ｇ、１．６０ｃｃ／ｇ、１．５０ｃｃ／ｇ、１．４０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．３０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．２０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．０ｃｃ／ｇ、少なくとも０．８ｃｃ／ｇ、少なくとも０．６ｃｃ／ｇ、少なくとも０．４ｃｃ／ｇ、少なくとも０．２ｃｃ／ｇ、少なくとも０．１ｃｃ／ｇの細孔容積を有する。
他の実施形態では、炭素材料は、２０オングストローム〜１０００オングストロームの範囲の細孔に関して、少なくとも７ｃｃ／ｇ、少なくとも５ｃｃ／ｇ、少なくとも４．００ｃｃ／ｇ、少なくとも３．７５ｃｃ／ｇ、少なくとも３．５０ｃｃ／ｇ、少なくとも３．２５ｃｃ／ｇ、少なくとも３．００ｃｃ／ｇ、少なくとも２．７５ｃｃ／ｇ、少なくとも２．５０ｃｃ／ｇ、少なくとも２．２５ｃｃ／ｇ、少なくとも２．００ｃｃ／ｇ、少なくとも１．９０ｃｃ／ｇ、１．８０ｃｃ／ｇ、１．７０ｃｃ／ｇ、１．６０ｃｃ／ｇ、１．５０ｃｃ／ｇ、１．４０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．３０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．２０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．０ｃｃ／ｇ、少なくとも０．８ｃｃ／ｇ、少なくとも０．６ｃｃ／ｇ、少なくとも０．４ｃｃ／ｇ、少なくとも０．２ｃｃ／ｇ、少なくとも０．１ｃｃ／ｇの細孔容積を有する。
他の実施形態では、炭素材料は、２０オングストローム〜２０００オングストロームの範囲の細孔に関して、少なくとも７ｃｃ／ｇ、少なくとも５ｃｃ／ｇ、少なくとも４．００ｃｃ／ｇ、少なくとも３．７５ｃｃ／ｇ、少なくとも３．５０ｃｃ／ｇ、少なくとも３．２５ｃｃ／ｇ、少なくとも３．００ｃｃ／ｇ、少なくとも２．７５ｃｃ／ｇ、少なくとも２．５０ｃｃ／ｇ、少なくとも２．２５ｃｃ／ｇ、少なくとも２．００ｃｃ／ｇ、少なくとも１．９０ｃｃ／ｇ、１．８０ｃｃ／ｇ、１．７０ｃｃ／ｇ、１．６０ｃｃ／ｇ、１．５０ｃｃ／ｇ、１．４０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．３０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．２０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．０ｃｃ／ｇ、少なくとも０．８ｃｃ／ｇ、少なくとも０．６ｃｃ／ｇ、少なくとも０．４ｃｃ／ｇ、少なくとも０．２ｃｃ／ｇ、少なくとも０．１ｃｃ／ｇの細孔容積を有する。
他の実施形態では、炭素材料は、２０オングストローム〜５０００オングストロームの範囲の細孔に関して、少なくとも７ｃｃ／ｇ、少なくとも５ｃｃ／ｇ、少なくとも４．００ｃｃ／ｇ、少なくとも３．７５ｃｃ／ｇ、少なくとも３．５０ｃｃ／ｇ、少なくとも３．２５ｃｃ／ｇ、少なくとも３．００ｃｃ／ｇ、少なくとも２．７５ｃｃ／ｇ、少なくとも２．５０ｃｃ／ｇ、少なくとも２．２５ｃｃ／ｇ、少なくとも２．００ｃｃ／ｇ、少なくとも１．９０ｃｃ／ｇ、１．８０ｃｃ／ｇ、１．７０ｃｃ／ｇ、１．６０ｃｃ／ｇ、１．５０ｃｃ／ｇ、１．４０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．３０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．２０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．０ｃｃ／ｇ、少なくとも０．８ｃｃ／ｇ、少なくとも０．６ｃｃ／ｇ、少なくとも０．４ｃｃ／ｇ、少なくとも０．２ｃｃ／ｇ、少なくとも０．１ｃｃ／ｇの細孔容積を有する。
他の実施形態では、炭素材料は、２０オングストローム〜１ミクロンの範囲の細孔に関して、少なくとも７ｃｃ／ｇ、少なくとも５ｃｃ／ｇ、少なくとも４．００ｃｃ／ｇ、少なくとも３．７５ｃｃ／ｇ、少なくとも３．５０ｃｃ／ｇ、少なくとも３．２５ｃｃ／ｇ、少なくとも３．００ｃｃ／ｇ、少なくとも２．７５ｃｃ／ｇ、少なくとも２．５０ｃｃ／ｇ、少なくとも２．２５ｃｃ／ｇ、少なくとも２．００ｃｃ／ｇ、少なくとも１．９０ｃｃ／ｇ、１．８０ｃｃ／ｇ、１．７０ｃｃ／ｇ、１．６０ｃｃ／ｇ、１．５０ｃｃ／ｇ、１．４０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．３０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．２０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．０ｃｃ／ｇ、少なくとも０．８ｃｃ／ｇ、少なくとも０．６ｃｃ／ｇ、少なくとも０．４ｃｃ／ｇ、少なくとも０．２ｃｃ／ｇ、少なくとも０．１ｃｃ／ｇの細孔容積を有する。
他の実施形態では、炭素材料は、２０オングストローム〜２ミクロンの範囲の細孔に関して、少なくとも７ｃｃ／ｇ、少なくとも５ｃｃ／ｇ、少なくとも４．００ｃｃ／ｇ、少なくとも３．７５ｃｃ／ｇ、少なくとも３．５０ｃｃ／ｇ、少なくとも３．２５ｃｃ／ｇ、少なくとも３．００ｃｃ／ｇ、少なくとも２．７５ｃｃ／ｇ、少なくとも２．５０ｃｃ／ｇ、少なくとも２．２５ｃｃ／ｇ、少なくとも２．００ｃｃ／ｇ、少なくとも１．９０ｃｃ／ｇ、１．８０ｃｃ／ｇ、１．７０ｃｃ／ｇ、１．６０ｃｃ／ｇ、１．５０ｃｃ／ｇ、１．４０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．３０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．２０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．０ｃｃ／ｇ、少なくとも０．８ｃｃ／ｇ、少なくとも０．６ｃｃ／ｇ、少なくとも０．４ｃｃ／ｇ、少なくとも０．２ｃｃ／ｇ、少なくとも０．１ｃｃ／ｇの細孔容積を有する。
他の実施形態では、炭素材料は、２０オングストローム〜３ミクロンの範囲の細孔に関して、少なくとも７ｃｃ／ｇ、少なくとも５ｃｃ／ｇ、少なくとも４．００ｃｃ／ｇ、少なくとも３．７５ｃｃ／ｇ、少なくとも３．５０ｃｃ／ｇ、少なくとも３．２５ｃｃ／ｇ、少なくとも３．００ｃｃ／ｇ、少なくとも２．７５ｃｃ／ｇ、少なくとも２．５０ｃｃ／ｇ、少なくとも２．２５ｃｃ／ｇ、少なくとも２．００ｃｃ／ｇ、少なくとも１．９０ｃｃ／ｇ、１．８０ｃｃ／ｇ、１．７０ｃｃ／ｇ、１．６０ｃｃ／ｇ、１．５０ｃｃ／ｇ、１．４０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．３０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．２０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．０ｃｃ／ｇ、少なくとも０．８ｃｃ／ｇ、少なくとも０．６ｃｃ／ｇ、少なくとも０．４ｃｃ／ｇ、少なくとも０．２ｃｃ／ｇ、少なくとも０．１ｃｃ／ｇの細孔容積を有する。
他の実施形態では、炭素材料は、２０オングストローム〜４ミクロンの範囲の細孔に関して、少なくとも７ｃｃ／ｇ、少なくとも５ｃｃ／ｇ、少なくとも４．００ｃｃ／ｇ、少なくとも３．７５ｃｃ／ｇ、少なくとも３．５０ｃｃ／ｇ、少なくとも３．２５ｃｃ／ｇ、少なくとも３．００ｃｃ／ｇ、少なくとも２．７５ｃｃ／ｇ、少なくとも２．５０ｃｃ／ｇ、少なくとも２．２５ｃｃ／ｇ、少なくとも２．００ｃｃ／ｇ、少なくとも１．９０ｃｃ／ｇ、１．８０ｃｃ／ｇ、１．７０ｃｃ／ｇ、１．６０ｃｃ／ｇ、１．５０ｃｃ／ｇ、１．４０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．３０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．２０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．０ｃｃ／ｇ、少なくとも０．８ｃｃ／ｇ、少なくとも０．６ｃｃ／ｇ、少なくとも０．４ｃｃ／ｇ、少なくとも０．２ｃｃ／ｇ、少なくとも０．１ｃｃ／ｇの細孔容積を有する。
他の実施形態では、炭素材料は、２０オングストローム〜５ミクロンの範囲の細孔に関して、少なくとも７ｃｃ／ｇ、少なくとも５ｃｃ／ｇ、少なくとも４．００ｃｃ／ｇ、少なくとも３．７５ｃｃ／ｇ、少なくとも３．５０ｃｃ／ｇ、少なくとも３．２５ｃｃ／ｇ、少なくとも３．００ｃｃ／ｇ、少なくとも２．７５ｃｃ／ｇ、少なくとも２．５０ｃｃ／ｇ、少なくとも２．２５ｃｃ／ｇ、少なくとも２．００ｃｃ／ｇ、少なくとも１．９０ｃｃ／ｇ、１．８０ｃｃ／ｇ、１．７０ｃｃ／ｇ、１．６０ｃｃ／ｇ、１．５０ｃｃ／ｇ、１．４０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．３０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．２０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．０ｃｃ／ｇ、少なくとも０．８ｃｃ／ｇ、少なくとも０．６ｃｃ／ｇ、少なくとも０．４ｃｃ／ｇ、少なくとも０．２ｃｃ／ｇ、少なくとも０．１ｃｃ／ｇの細孔容積を有する。
【０１０６】
更に他の実施形態では、炭素材料は、少なくとも７ｃｃ／ｇ、少なくとも５ｃｃ／ｇ、少なくとも４．００ｃｃ／ｇ、少なくとも３．７５ｃｃ／ｇ、少なくとも３．５０ｃｃ／ｇ、少なくとも３．２５ｃｃ／ｇ、少なくとも３．００ｃｃ／ｇ、少なくとも２．７５ｃｃ／ｇ、少なくとも２．５０ｃｃ／ｇ、少なくとも２．２５ｃｃ／ｇ、少なくとも２．００ｃｃ／ｇ、少なくとも１．９０ｃｃ／ｇ、１．８０ｃｃ／ｇ、１．７０ｃｃ／ｇ、１．６０ｃｃ／ｇ、１．５０ｃｃ／ｇ、１．４０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．３０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．２０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．０ｃｃ／ｇ、少なくとも０．８ｃｃ／ｇ、少なくとも０．６ｃｃ／ｇ、少なくとも０．４ｃｃ／ｇ、少なくとも０．２ｃｃ／ｇ、少なくとも０．１ｃｃ／ｇの全細孔容積を有する。
他の実施形態では、炭素材料は、少なくとも７ｃｃ／ｇ、少なくとも５ｃｃ／ｇ、少なくとも４．００ｃｃ／ｇ、少なくとも３．７５ｃｃ／ｇ、少なくとも３．５０ｃｃ／ｇ、少なくとも３．２５ｃｃ／ｇ、少なくとも３．００ｃｃ／ｇ、少なくとも２．７５ｃｃ／ｇ、少なくとも２．５０ｃｃ／ｇ、少なくとも２．２５ｃｃ／ｇ、少なくとも２．００ｃｃ／ｇ、少なくとも１．９０ｃｃ／ｇ、１．８０ｃｃ／ｇ、１．７０ｃｃ／ｇ、１．６０ｃｃ／ｇ、１．５０ｃｃ／ｇ、１．４０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．３０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．２０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．０ｃｃ／ｇ、少なくとも０．８ｃｃ／ｇ、少なくとも０．６ｃｃ／ｇ、少なくとも０．４ｃｃ／ｇ、少なくとも０．２ｃｃ／ｇ、少なくとも０．１ｃｃ／ｇの細孔容積（例えば、メソ細孔容積）を有する。
【０１０７】
更に他の実施形態では、炭素材料は、２０オングストローム未満の細孔に属する細孔容積が少なくとも０．２ｃｃ／ｇであり、２０〜３００オングストロームの細孔に属する細孔容積が少なくとも０．８ｃｃ／ｇである。更に他の実施形態では、炭素材料は、２０オングストローム未満の細孔に属する細孔容積が少なくとも０．５ｃｃ／ｇであり、２０〜３００オングストロームの細孔に属する細孔容積が少なくとも０．５ｃｃ／ｇである。更に他の実施形態では、炭素材料は、２０オングストローム未満の細孔に属する細孔容積が少なくとも０．６ｃｃ／ｇであり、２０〜３００オングストロームの細孔に属する細孔容積が少なくとも２．４ｃｃ／ｇである。更に他の実施形態では、炭素材料は、２０オングストローム未満の細孔に属する細孔容積が少なくとも１．５ｃｃ／ｇであり、２０〜３００オングストロームの細孔に属する細孔容積が少なくとも１．５ｃｃ／ｇである。
特定の実施形態では、ミクロ細孔領域の細孔容積が低い（例えば、６０％未満、５０％未満、４０％未満、３０％未満、２０％未満のミクロ細孔性）メソ細孔炭素材料が提供される。いくつかの実施形態では、炭素材料は、１００ｍ2／ｇ、少なくとも２００ｍ2／ｇ、少なくとも３００ｍ2／ｇ、少なくとも４００ｍ2／ｇ、少なくとも５００ｍ2／ｇ、少なくとも６００ｍ2／ｇ、少なくとも６７５ｍ2／ｇ又は少なくとも７５０ｍ2／ｇの比表面積を有する。他の実施形態では、メソ細孔炭素材料は、少なくとも０．５０ｃｃ／ｇ、少なくとも０．６０ｃｃ／ｇ、少なくとも０．７０ｃｃ／ｇ、少なくとも０．８０ｃｃ／ｇ、少なくとも０．９０ｃｃ／ｇの全細孔容積を有する。更に他の実施形態では、メソ細孔炭素材料は、少なくとも０．３０ｇ／ｃｃ、少なくとも０．３５ｇ／ｃｃ、少なくとも０．４０ｇ／ｃｃ、少なくとも０．４５ｇ／ｃｃ、少なくとも０．５０ｇ／ｃｃ、又は少なくとも０．５５ｇ／ｃｃのタップ密度を有する。
【０１０８】
本方法の実施形態は、全ＰＩＸＥ不純物（電気化学的変性剤を除く）が低い炭素材料を提供する。従って、いくつかの実施形態では、炭素材料中の全ての他のＰＩＸＥ元素の全ＰＩＸＥ不純物含有量（電気化学的変性剤を除く）（プロトン励起Ｘ線放出法によって測定）は、１０００ｐｐｍ未満である。他の実施形態では、炭素材料中の全ての他のＰＩＸＥ元素の全ＰＩＸＥ不純物含有量（電気化学的変性剤を除く）は、８００ｐｐｍ未満、５００ｐｐｍ未満、３００ｐｐｍ未満、２００ｐｐｍ未満、１５０ｐｐｍ未満、１００ｐｐｍ未満、５０ｐｐｍ未満、２５ｐｐｍ未満、１０ｐｐｍ未満、５ｐｐｍ未満、又は１ｐｐｍ未満である。上記の更なる実施形態では、方法は、炭素材料を活性化するステップを更に含む。
本方法の実施形態は、全ＴＸＲＦ不純物（電気化学的変性剤を除く）が低い炭素材料を提供する。従って、いくつかの実施形態では、炭素材料中の全ての他のＴＸＲＦ元素の全ＴＸＲＦ不純物含有量（電気化学的変性剤を除く）（全反射蛍光Ｘ線によって測定）は、１０００ｐｐｍ未満である。他の実施形態では、炭素材料中の全ての他のＴＸＲＦ元素の全ＴＸＲＦ不純物含有量（電気化学的変性剤を除く）は、８００ｐｐｍ未満、５００ｐｐｍ未満、３００ｐｐｍ未満、２００ｐｐｍ未満、１５０ｐｐｍ未満、１００ｐｐｍ未満、５０ｐｐｍ未満、２５ｐｐｍ未満、１０ｐｐｍ未満、５ｐｐｍ未満、又は１ｐｐｍ未満である。上記の更なる実施形態では、方法は、炭素材料を活性化するステップを更に含む。
【０１０９】
一実施形態では、炭素材料は、プロトン励起Ｘ線放射によって測定したときに１１〜９２の範囲の原子番号を有する元素の全不純物含有量が５００ｐｐｍ未満である。別の実施形態では、炭素材料は、プロトン励起Ｘ線放射によって測定したときに１１〜９２の範囲の原子番号を有する元素の全不純物含有量が１００ｐｐｍ未満である。
一実施形態では、炭素材料は、全反射蛍光Ｘ線によって測定したときに１１〜９２の範囲の原子番号を有する元素の全不純物含有量が５００ｐｐｍ未満である。別の実施形態では、炭素材料は、全反射蛍光Ｘ線によって測定したときに１１〜９２の範囲の原子番号を有する元素の全不純物含有量が１００ｐｐｍ未満である。
【０１１０】
不要なＰＩＸＥ又はＴＸＲＦ不純物の含有量が低いことに加え、本方法の特定の実施形態の炭素材料は、全炭素含有量が高くなり得る。炭素に加えて、炭素材料は、酸素、水素、窒素及び電気化学的変性剤も含み得る。いくつかの実施形態では、炭素材料は、質量／質量基準で、少なくとも７５％の炭素、８０％の炭素、８５％の炭素、少なくとも９０％の炭素、少なくとも９５％の炭素、少なくとも９６％の炭素、少なくとも９７％の炭素、少なくとも９８％の炭素又は少なくとも９９％の炭素を含む。いくつかの他の実施形態では、炭素材料は、質量／質量基準で、１０％未満の酸素、５％未満の酸素、３．０％未満の酸素、２．５％未満の酸素、１％未満の酸素又は０．５％未満の酸素を含む。他の実施形態では、炭素材料は、質量／質量基準で、１０％未満の水素、５％未満の水素、２．５％未満の水素、１％未満の水素、０．５％未満の水素又は０．１％未満の水素を含む。他の実施形態では、炭素材料は、質量／質量基準で、５％未満の窒素、２．５％未満の窒素、１％未満の窒素、０．５％未満の窒素、０．２５％未満の窒素又は０．０１％未満の窒素を含む。本開示の炭素材料の酸素、水素及び窒素の含有量は、燃焼分析により決定できる。燃焼分析によって元素組成を決定する技術は、当技術分野において周知である。
本方法の特定の実施形態は、場合によっては炭素材料の電気化学的性能に影響し得る全灰分を有する炭素材料をもたらす。従って、いくつかの実施形態では、炭素材料の灰分は、灰の質量％で０．１％〜０．００１％の範囲であり、例えば、いくつかの具体的な実施形態では、炭素材料の灰分は、０．１％未満、０．０８％未満、０．０５％未満、０．０３％未満、０．０２５％未満、０．０１％未満、０．００７５％未満、０．００５％未満又は０．００１％未満である。
いくつかの実施形態では、炭素材料の灰分は、全反射蛍光Ｘ線データから計算したときに０．０３％未満である。別の実施形態では、炭素材料の灰分は、全反射蛍光Ｘ線データから計算したときに０．０１％未満である。
他の実施形態では、炭素材料は、全ＰＩＸＥ又は全ＴＸＲＦ不純物含有量が５００ｐｐｍ未満であり、灰分が０．０８％未満である。更なる実施形態では、炭素材料は、全ＰＩＸＥ又は全ＴＸＲＦ不純物含有量が３００ｐｐｍ未満であり、灰分が０．０５％未満である。他の更なる実施形態では、炭素材料は、全ＰＩＸＥ又は全ＴＸＲＦ不純物含有量が２００ｐｐｍ未満であり、灰分が０．０５％未満である。他の更なる実施形態では、炭素材料は、全ＰＩＸＥ又は全ＴＸＲＦ不純物含有量が２００ｐｐｍ未満であり、灰分が０．０２５％未満である。他の更なる実施形態では、炭素材料は、全ＰＩＸＥ又は全ＴＸＲＦ不純物含有量が１００ｐｐｍ未満であり、灰分が０．０２％未満である。他の更なる実施形態では、炭素材料は、全ＰＩＸＥ又は全ＴＸＲＦ不純物含有量が５０ｐｐｍ未満であり、灰分が０．０１％未満である。
【０１１１】
提供される方法の実施形態から得られる炭素材料中に存在する個々のＰＩＸＥ又はＴＸＲＦ不純物の量は、それぞれプロトン励起Ｘ線放射又は全反射蛍光Ｘ線によって決定できる。個々のＰＩＸＥ又はＴＸＲＦ不純物は、製造される炭素材料の全体的な電気化学的性能に対して様々な形で寄与し得る。従って、いくつかの実施形態では、炭素材料中に存在するナトリウムのレベルは、１０００ｐｐｍ未満、５００ｐｐｍ未満、１００ｐｐｍ未満、５０ｐｐｍ未満、１０ｐｐｍ未満、又は１ｐｐｍ未満である。上述のように、いくつかの実施形態では、水素、酸素及び／又は窒素等の他の不純物は、１０％未満〜０．０１％未満の範囲のレベルで存在し得る。
【０１１２】
いくつかの実施形態では、炭素材料は、不要なＰＩＸＥ又はＴＸＲＦ不純物を、それぞれプロトン励起Ｘ線放射又は全反射蛍光Ｘ線分析の検出限界に近い量又は検出限界より低い量で含む。例えば、いくつかの実施形態では、炭素材料は、５０ｐｐｍ未満のナトリウム、１５ｐｐｍ未満のマグネシウム、１０ｐｐｍ未満のアルミニウム、８ｐｐｍ未満のケイ素、４ｐｐｍ未満のリン、３ｐｐｍ未満の硫黄、３ｐｐｍ未満の塩素、２ｐｐｍ未満のカリウム、３ｐｐｍ未満のカルシウム、２ｐｐｍ未満のスカンジウム、１ｐｐｍ未満のチタン、１ｐｐｍ未満のバナジウム、０．５ｐｐｍ未満のクロム、０．５ｐｐｍ未満のマンガン、０．５ｐｐｍ未満の鉄、０．２５ｐｐｍ未満のコバルト、０．２５ｐｐｍ未満のニッケル、０．２５ｐｐｍ未満の銅、０．５ｐｐｍ未満の亜鉛、０．５ｐｐｍ未満のガリウム、０．５ｐｐｍ未満のゲルマニウム、０．５ｐｐｍ未満のヒ素、０．５ｐｐｍ未満のセレン、１ｐｐｍ未満の臭素、１ｐｐｍ未満のルビジウム、１．５ｐｐｍ未満のストロンチウム、２ｐｐｍ未満のイットリウム、３ｐｐｍ未満のジルコニウム、２ｐｐｍ未満のニオブ、４ｐｐｍ未満のモリブデン、４ｐｐｍ未満のテクネチウム、７ｐｐｍ未満のルビジウム、６ｐｐｍ未満のロジウム、６ｐｐｍ未満のパラジウム、９ｐｐｍ未満の銀、６ｐｐｍ未満のカドミウム、６ｐｐｍ未満のインジウム、５ｐｐｍ未満のスズ、６ｐｐｍ未満のアンチモン、６ｐｐｍ未満のテルル、５ｐｐｍ未満のヨウ素、４ｐｐｍ未満のセシウム、４ｐｐｍ未満のバリウム、３ｐｐｍ未満のランタン、３ｐｐｍ未満のセリウム、２ｐｐｍ未満のプラセオジム、２ｐｐｍ未満のネオジム、１．５ｐｐｍ未満のプロメチウム、１ｐｐｍ未満のサマリウム、１ｐｐｍ未満のユウロピウム、１ｐｐｍ未満のガドリニウム、１ｐｐｍ未満のテルビウム、１ｐｐｍ未満のジスプロシウム、１ｐｐｍ未満のホルミウム、１ｐｐｍ未満のエルビウム、１ｐｐｍ未満のツリウム、１ｐｐｍ未満のイッテルビウム、１ｐｐｍ未満のルテチウム、１ｐｐｍ未満のハフニウム、１ｐｐｍ未満のタンタル、１ｐｐｍ未満のタングステン、１．５ｐｐｍ未満のレニウム、１ｐｐｍ未満のオスミウム、１ｐｐｍ未満のイリジウム、１ｐｐｍ未満の白金、１ｐｐｍ未満の銀、１ｐｐｍ未満の水銀、１ｐｐｍ未満のタリウム、１ｐｐｍ未満の鉛、１．５ｐｐｍ未満のビスマス、２ｐｐｍ未満のトリウム、又は４ｐｐｍ未満のウランを含む。
【０１１３】
いくつかの具体的な実施形態では、炭素材料は、プロトン励起Ｘ線放射又は全反射蛍光Ｘ線により測定したときに１００ｐｐｍ未満のナトリウム、３００ｐｐｍ未満のケイ素、５０ｐｐｍ未満の硫黄、１００ｐｐｍ未満のカルシウム、２０ｐｐｍ未満の鉄、１０ｐｐｍ未満のニッケル、１４０ｐｐｍ未満の銅、５ｐｐｍ未満のクロム及び５ｐｐｍ未満の亜鉛を含む。他の具体的な実施形態では、炭素材料は、５０ｐｐｍ未満のナトリウム、３０ｐｐｍ未満の硫黄、１００ｐｐｍ未満のケイ素、５０ｐｐｍ未満のカルシウム、１０ｐｐｍ未満の鉄、５ｐｐｍ未満のニッケル、２０ｐｐｍ未満の銅、２ｐｐｍ未満のクロム及び２ｐｐｍ未満の亜鉛を含む。
他の具体的な実施形態では、炭素材料は、５０ｐｐｍ未満のナトリウム、５０ｐｐｍ未満のケイ素、３０ｐｐｍ未満の硫黄、１０ｐｐｍ未満のカルシウム、２ｐｐｍ未満の鉄、１ｐｐｍ未満のニッケル、１ｐｐｍ未満の銅、１ｐｐｍ未満のクロム及び１ｐｐｍ未満の亜鉛を含む。
いくつかの他の具体的な実施形態では、炭素材料は、１００ｐｐｍ未満のナトリウム、５０ｐｐｍ未満のマグネシウム、５０ｐｐｍ未満のアルミニウム、１０ｐｐｍ未満の硫黄、１０ｐｐｍ未満の塩素、１０ｐｐｍ未満のカリウム、１ｐｐｍ未満のクロム及び１ｐｐｍ未満のマンガンを含む。
いくつかの実施形態では、炭素材料は、１０ｐｐｍ未満の鉄を含む。他の実施形態では、炭素材料は３ｐｐｍ未満のニッケルを含む。他の実施形態では、炭素材料は３０ｐｐｍ未満の硫黄を含む。他の実施形態では、炭素材料は１ｐｐｍ未満のクロムを含む。他の実施形態では、炭素材料は１ｐｐｍ未満の銅を含む。他の実施形態では、炭素材料は１ｐｐｍ未満の亜鉛を含む。
【０１１４】
開示される方法の実施形態は、高表面積の炭素材料も製造する。理論に束縛されるものではないが、このような高表面積は、少なくともある程度、ブレンドの優れた電気化学的性能に寄与し得ることが考えられる。従って、いくつかの実施形態では、方法は、ＢＥＴ比表面積が少なくとも１００ｍ2／ｇ、少なくとも３００ｍ2／ｇ、少なくとも５００ｍ2／ｇ、少なくとも１０００ｍ2／ｇ、少なくとも１５００ｍ2／ｇ、少なくとも２０００ｍ2／ｇ、少なくとも２４００ｍ2／ｇ、少なくとも２５００ｍ2／ｇ、少なくとも２７５０ｍ2／ｇ、又は少なくとも３０００ｍ2／ｇの炭素材料をもたらす。他の実施形態では、ＢＥＴ比表面積は約１００ｍ2／ｇ〜約３０００ｍ2／ｇ、例えば約５００ｍ2／ｇ〜約１０００ｍ2／ｇ、約１０００ｍ2／ｇ〜約１５００ｍ2／ｇ、約１５００ｍ2／ｇ〜約２０００ｍ2／ｇ、約２０００ｍ2／ｇ〜約２５００ｍ2／ｇ又は約２５００ｍ2／ｇ〜約３０００ｍ2／ｇの範囲である。例えば、前述のいくつかの実施形態では、炭素材料は活性化されている。
特定の実施形態では、炭素材料は、少なくとも５ｍ2／ｇのＢＥＴ比表面積を有する。特定の実施形態では、炭素材料は少なくとも１０ｍ2／ｇのＢＥＴ比表面積を有する。特定の実施形態では、炭素材料は少なくとも５０ｍ2／ｇのＢＥＴ比表面積を有する。特定の実施形態では、炭素材料は少なくとも１００ｍ2／ｇのＢＥＴ比表面積を有する。特定の実施形態では、炭素材料は少なくとも５００ｍ2／ｇのＢＥＴ比表面積を有する。別の実施形態では、炭素材料は少なくとも１５００ｍ2／ｇのＢＥＴ比表面積を有する。
【０１１５】
更に他の例では、炭素材料は、プロトン励起Ｘ線放射又は全反射蛍光Ｘ線により測定したときに、１００ｐｐｍ未満のナトリウム、１００ｐｐｍ未満のケイ素、１０ｐｐｍ未満の硫黄、２５ｐｐｍ未満のカルシウム、１ｐｐｍ未満の鉄、２ｐｐｍ未満のニッケル、１ｐｐｍ未満の銅、１ｐｐｍ未満のクロム、５０ｐｐｍ未満のマグネシウム、１０ｐｐｍ未満のアルミニウム、２５ｐｐｍ未満のリン、５ｐｐｍ未満の塩素、２５ｐｐｍ未満のカリウム、２ｐｐｍ未満のチタン、２ｐｐｍ未満のマンガン、０．５ｐｐｍ未満のコバルト及び５ｐｐｍ未満の亜鉛を含み、１１〜９２の範囲の原子番号を有する全ての他の元素は、プロトン励起Ｘ線放射又は全反射蛍光Ｘ線によって検出されない。
【０１１６】
別の実施形態では、本方法は、０．１〜１．０ｇ／ｃｃ、０．２〜０．８ｇ／ｃｃ、０．３〜０．５ｇ／ｃｃ又は０．４〜０．５ｇ／ｃｃのタップ密度を有する炭素材料をもたらす。別の実施形態では、炭素材料は、少なくとも０．１ｃｍ3／ｇ、少なくとも０．２ｃｍ3／ｇ、少なくとも０．３ｃｍ3／ｇ、少なくとも０．４ｃｍ3／ｇ、少なくとも０．５ｃｍ3／ｇ、少なくとも０．７ｃｍ3／ｇ、少なくとも０．７５ｃｍ3／ｇ、少なくとも０．９ｃｍ3／ｇ、少なくとも１．０ｃｍ3／ｇ、少なくとも１．１ｃｍ3／ｇ、少なくとも１．２ｃｍ3／ｇ、少なくとも１．３ｃｍ3／ｇ、少なくとも１．４ｃｍ3／ｇ、少なくとも１．５ｃｍ3／ｇ又は少なくとも１．６ｃｍ3／ｇの全細孔容積を有する。
【０１１７】
孔径分布は、炭素材料の電気化学的性能に影響を及ぼし得る１つのパラメータである。例えば、本方法の特定の実施形態は、イオン拡散距離を短縮し、イオン輸送強化及び出力最大化に有用となり得る、有効長が短い（即ち、ＴＥＭによる測定で１０ｎｍ未満、５ｎｍ未満、又は３ｎｍ未満の）メソ細孔を有する炭素材料をもたらす。
従って、一実施形態では、炭素材料は、１００ｎｍ以下の細孔の細孔容積率が、全細孔容積の少なくとも５０％、全細孔容積の少なくとも７５％、全細孔容積の少なくとも９０％、又は全細孔容積の少なくとも９９％である。他の実施形態では、炭素材料は、５０ｎｍ以下の細孔の細孔容積率が、全細孔容積の少なくとも５０％、全細孔容積の少なくとも７５％、全細孔容積の少なくとも９０％、又は全細孔容積の少なくとも９９％である。他の実施形態では、炭素材料は、２０ｎｍ以下の細孔の細孔容積率が、全細孔容積の少なくとも５０％、全細孔容積の少なくとも７５％、全細孔容積の少なくとも９０％、又は全細孔容積の少なくとも９９％である。他の実施形態では、炭素材料は、５０〜２０ｎｍの範囲の細孔の細孔容積率が、全細孔容積の少なくとも５０％、全細孔容積の少なくとも７５％、全細孔容積の少なくとも９０％、又は全細孔容積の少なくとも９９％である。
別の実施形態では、炭素材料は、１００ｎｍ以下の細孔の細孔表面積率が、全細孔表面積の少なくとも５０％、全細孔表面積の少なくとも７５％、全細孔表面積の少なくとも９０％、又は全細孔表面積の少なくとも９９％である。別の実施形態では、炭素材料は、５０ｎｍ以下の細孔の細孔表面積率が、全細孔表面積の少なくとも５０％、全細孔表面積の少なくとも７５％、全細孔表面積の少なくとも９０％、又は全細孔表面積の少なくとも９９％である。別の実施形態では、炭素材料は、２０ｎｍ以下の細孔の細孔表面積率が、全細孔表面積の少なくとも５０％、全細孔表面積の少なくとも７５％、全細孔表面積の少なくとも９０％、又は全細孔表面積の少なくとも９９％である。別の実施形態では、炭素材料は、５０〜２０ｎｍの範囲の細孔の細孔表面積率が、全細孔表面積の少なくとも５０％、全細孔表面積の少なくとも７５％、全細孔表面積の少なくとも９０％、又は全細孔表面積の少なくとも９９％である。
別の実施形態では、本方法は、２０〜３００オングストロームの細孔の細孔容積率が、全細孔表面積の少なくとも４０％、全細孔表面積の少なくとも５０％、全細孔表面積の少なくとも７０％、又は全細孔表面積の少なくとも８０％である炭素材料をもたらす。別の実施形態では、本方法は、２０ｎｍ以下の細孔の細孔容積率が、全細孔表面積の少なくとも２０％、全細孔表面積の少なくとも３０％、全細孔表面積の少なくとも４０％、又は全細孔表面積の少なくとも５０％である炭素材料をもたらす。
別の実施形態では、本方法は、主に１０００オングストローム以下の範囲、例えば１００オングストローム以下、例えば５０オングストローム以下の細孔を有する炭素材料をもたらす。あるいは、炭素材料は、０〜２０オングストロームの範囲のミクロ細孔と２０〜３００オングストロームの範囲のメソ細孔とを含む。ミクロ細孔領域の細孔容積（例えば、メソ細孔容積）又は細孔表面をメソ細孔領域と比較した比は、９５：５〜５：９５の範囲であり得る。あるいは、ミクロ細孔領域の細孔容積（例えば、メソ細孔容積）又は細孔表面をメソ細孔領域と比較した比は、２０：８０〜６０：４０の範囲であり得る。
【０１１８】
いくつかの実施形態では、炭素材料（例えば、粒子）は、Ｂｏｅｈｍ滴定で測定したときに炭素材料１００グラム当たり２０ｍＥｑ未満、炭素材料１００グラム当たり１０ｍＥｑ未満、炭素材料１００グラム当たり５ｍＥｑ未満、炭素材料１００グラム当たり１ｍＥｑ未満の表面官能性を示す。他の実施形態では、炭素材料は、Ｂｏｅｈｍ滴定で測定したときに炭素材料１００グラム当たり２０ｍＥｑ超の表面官能性を示す。
メソ細孔炭素材料の比容量（Ｑ、Ａｈ／グラム炭素）は、細孔表面上に形成し得る反応生成物の量によって画定される。反応生成物の混合物が一定である場合、反応生成物形成中に発生する電流は、反応生成物の容積に正比例する。メソ細孔炭素材料のメソ細孔容積が高いと、材料中に存在する細孔の電気化学的活性をなおも維持しながら、反応生成物（例えば、過酸化リチウム）のリザーバを提供する。かかる高いメソ細孔容積は、炭素材料を含むデバイス（例えば、金属空気電池）のエネルギー密度の大幅な増加をもたらす。いくつかの実施形態では、炭素材料の細孔構造は、２〜５０ｎｍ、１０〜５０ｎｍ、１５〜３０ｎｍ又は更には２０〜３０ｎｍの範囲の細孔を有する。
【０１１９】
本開示の更に他の態様は、異なる電解質湿潤性を有する炭素材料を調製する方法を提供する。特定の実施形態では、かかる炭素材料はメソ細孔性であるが、他の実施形態では、炭素材料はミクロ細孔性であるか、又はミクロ細孔とメソ細孔のブレンドを有する。例えば、いくつかの実施形態では、細孔の内表面は電解質で湿潤されるが、粒子の外表面は比較的電解質で湿潤されないままであり、その結果、粒子間でガス拡散が起こり得る。更に他の実施形態では、細孔の内表面は、粒子の外表面と比較して溶媒に対する親和性が高い。更に他の実施形態では、粒子の外表面は、細孔の内表面と比較して溶媒に対する親和性が高い。
このため、本明細書に開示される方法によって調製されたメソ細孔炭素材料を用いて、広範な応用が可能である。例えば、細孔の内表面がリチウムイオン溶媒に対して高い親和性を有する場合、リチウム−空気電池の反応生成物は、かかる材料の細孔内に捕捉される可能性が高くなる。別のアプローチでは、異なる湿潤特性を有する炭素材料を１つのブレンドに組合せることができ、それによって、電解質を撥く特定の粒子をガス拡散チャネルに使用でき、電解質で容易に湿潤できる他の粒子をイオン伝導及び電気化学反応に使用できる。
【０１２０】
本開示の方法によって調製された炭素材料を、ガス拡散電極及びメソ細孔（即ち、粒子内細孔を有する）として使用できる。いくつかの実施形態では、粒子内細孔の大部分はメソ細孔であり、例えばいくつかの実施形態では、細孔の５０％超、６０％超、７０％超、８０％超又は９０％超がメソ細孔である。
更に他の実施形態では、本開示の方法に従って調製された炭素材料は、少なくとも１ｃｃ／ｇ、少なくとも２ｃｃ／ｇ、少なくとも３ｃｃ／ｇ、少なくとも４ｃｃ／ｇ、少なくとも５ｃｃ／ｇ、少なくとも６ｃｃ／ｇ、又は少なくとも７ｃｃ／ｇの細孔容積（例えば、メソ細孔容積）を有する。特有の一実施形態では、炭素材料は、１ｃｃ／ｇ〜７ｃｃ／ｇの細孔容積（例えば、メソ細孔容積）を有する。他の実施形態では、試料の多孔度（例えば、メソ細孔性）は、５０％超又は６０％超、又は７０％超、又は８０％超、又は９０％超、又は９５％超となり得る。他の実施形態では、炭素材料は、少なくとも１００、少なくとも５００ｍ2／ｇ、少なくとも１０００ｍ2／ｇ、少なくとも１５００ｍ2／ｇ、少なくとも２０００ｍ2／ｇ、少なくとも２４００ｍ2／ｇ、少なくとも２５００ｍ2／ｇ、少なくとも２７５０ｍ2／ｇ又は少なくとも３０００ｍ2／ｇのＢＥＴ比表面積を有する。
いくつかの実施形態では、炭素材料の平均粒子径は１〜１０００ミクロンの範囲である。他の実施形態では、炭素材料の平均粒子径は、１〜１００ミクロンの範囲である。更に他の実施形態では、炭素材料の平均粒子径は、５〜５０ミクロンの範囲である。更に他の実施形態では、炭素材料の平均粒子径は、５〜１５ミクロンの範囲である。更に他の実施形態では、炭素材料の平均粒子径は、約１０ミクロンである。
【０１２１】
別の実施形態では、細孔、例えばメソ細孔のサイズは、所望の細孔構造（例えば、利用可能な表面を最大化するため）を生じるように制御される。いくつかの実施形態では、炭素材料の細孔分布は、以下に説明するように、ゲル中の細孔分布を制御することによって制御される。上記の更なる実施形態では、炭素材料はメソ細孔炭素である。
いくつかの実施形態では、炭素材料の細孔は、２ｎｍ〜１０ｎｍの範囲のピーク細孔容積を有する。他の実施形態では、ピーク細孔容積は１０ｎｍ〜２０ｎｍの範囲である。また他の実施形態では、ピーク細孔容積は２０ｎｍ〜３０ｎｍの範囲である。更に他の実施形態では、ピーク細孔容積は３０ｎｍ〜４０ｎｍの範囲である。また更に他の実施形態では、ピーク細孔容積は４０ｎｍ〜５０ｎｍの範囲である。他の実施形態では、ピーク細孔容積は５０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲である。
他の実施形態では、炭素材料はメソ細孔であり、かつ単分散メソ細孔を含む。本明細書で使用するとき、用語「単分散」は、孔径に関連して使用されるとき、約３以下、典型的には約２以下、多くの場合は約１．５以下のスパン（更に（Ｄｖ９０−Ｄｖ１０）／Ｄｖ５０、と定義され、式中、Ｄｖ１０、Ｄｖ５０及びＤｖ９０とは、容積分布の１０％、５０％及び９０％における孔径を表す）を一般的に指す。
【０１２２】
他の実施形態では、方法は、全細孔容積の少なくとも５０％が５０Å〜５０００Åの範囲の直径を有する細孔に属する炭素材料を提供する。いくつかの例では、炭素材料は、全細孔容積の少なくとも５０％が、５０Å〜５００Åの範囲の直径を有する細孔に属する。更に他の例では、炭素材料は、全細孔容積の少なくとも５０％が、５００Å〜１０００Åの範囲の直径を有する細孔に属する。更にまた他の例では、炭素材料は、全細孔容積の少なくとも５０％が、１０００Å〜５０００Åの範囲の直径を有する細孔に属する。
いくつかの実施形態では、炭素材料の細孔構造は１０％〜８０％のミクロ細孔を含む。他の実施形態では、炭素材料の細孔構造は３０％〜７０％のミクロ細孔を含む。他の実施形態では、炭素材料の細孔構造は４０％〜６０％のミクロ細孔を含む。他の実施形態では、炭素材料の細孔構造は４０％〜５０％のミクロ細孔を含む。他の実施形態では、炭素材料の細孔構造は４３％〜４７％のミクロ細孔を含む。特定の実施形態では、炭素材料の細孔構造は約４５％のミクロ細孔を含む。
いくつかの他の実施形態では、炭素材料の細孔構造は１０％〜８０％のメソ細孔を含む。他の実施形態では、炭素材料の細孔構造は３０％〜７０％のメソ細孔を含む。他の実施形態では、炭素材料の細孔構造は４０％〜６０％のメソ細孔を含む。他の実施形態では、炭素材料の細孔構造は５０％〜６０％のメソ細孔を含む。他の実施形態では、炭素材料の細孔構造は５３％〜５７％のメソ細孔を含む。他の実施形態では、炭素材料の細孔構造は約５５％のメソ細孔を含む。
いくつかの実施形態では、炭素材料の細孔構造は１０％〜８０％のミクロ細孔と１０％〜８０％のメソ細孔とを含む。他の実施形態では、炭素材料の細孔構造は３０％〜７０％のミクロ細孔と３０％〜７０％のメソ細孔とを含む。他の実施形態では、炭素材料の細孔構造は４０％〜６０％のミクロ細孔と４０％〜６０％のメソ細孔とを含む。他の実施形態では、炭素材料の細孔構造は４０％〜５０％のミクロ細孔と５０％〜６０％のメソ細孔とを含む。他の実施形態では、炭素材料の細孔構造は４３％〜４７％のミクロ細孔と５３％〜５７％のメソ細孔とを含む。他の実施形態では、炭素材料の細孔構造は約４５％のミクロ細孔と約５５％のメソ細孔とを含む。
【０１２３】
他の変形では、炭素材料は、２０ｎｍ超の細孔を大きな容積で含まない。例えば、特定の実施形態では、炭素材料は、全細孔容積の２５％未満、２０％未満、１５％未満、１０％未満、５％未満、２．５％未満又は更には１％未満が２０ｎｍ超の細孔である。
更に他の実施形態では、本方法に従って調製された炭素材料は、２０オングストローム未満の細孔に属する細孔容積が少なくとも０．２ｃｃ／ｇであり、２０〜３００オングストロームの細孔に属する細孔容積が少なくとも０．８ｃｃ／ｇである。更に他の実施形態では、炭素材料は、２０オングストローム未満の細孔に属する細孔容積が少なくとも０．５ｃｃ／ｇであり、２０〜３００オングストロームの細孔に属する細孔容積が少なくとも０．５ｃｃ／ｇである。更に他の実施形態では、炭素材料は、２０オングストローム未満の細孔に属する細孔容積が少なくとも０．６ｃｃ／ｇであり、２０〜３００オングストロームの細孔に属する細孔容積が少なくとも２．４ｃｃ／ｇである。更に他の実施形態では、炭素材料は、２０オングストローム未満の細孔に属する細孔容積が少なくとも１．５ｃｃ／ｇであり、２０〜３００オングストロームの細孔に属する細孔容積が少なくとも１．５ｃｃ／ｇである。
【０１２４】
いくつかの実施形態では、炭素材料の平均粒子径は１〜１０００ミクロンの範囲である。他の実施形態では、炭素材料の平均粒子径は、１〜１００ミクロンの範囲である。更に他の実施形態では、炭素材料の平均粒子径は、１〜５０ミクロンの範囲である。更にまた他の実施形態では、炭素材料の平均粒子径は、５〜１５ミクロン又は１〜５ミクロンの範囲である。更に他の実施形態では、炭素材料の平均粒子径は、約１０ミクロンである。更に他の実施形態では、炭素材料の平均粒子径は、４ミクロン未満、３ミクロン未満、２ミクロン未満、又は１ミクロン未満である。
いくつかの実施形態では、炭素材料は１ｎｍ〜１０ｎｍの範囲の平均粒子径を呈する。他の実施形態では、平均粒子径は１０ｎｍ〜２０ｎｍの範囲である。また他の実施形態では、平均粒子径は２０ｎｍ〜３０ｎｍの範囲である。更に他の実施形態では、平均粒子径は３０ｎｍ〜４０ｎｍの範囲である。また更に他の実施形態では、平均粒子径は４０ｎｍ〜５０ｎｍの範囲である。他の実施形態では、平均粒子径は５０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲である。
【０１２５】
炭素材料（例えば、粒子）のｐＨは変動し得る。例えば、いくつかの実施形態では、炭素材料のｐＨは塩基性である。例えば、いくつかの実施形態では、炭素材料のｐＨは７超、８超、又は９超である。他の実施形態では、炭素材料のｐＨは酸性である。例えば、特定の実施形態では、炭素材料のｐＨは７未満、６未満又は５未満である。更に他の実施形態では、炭素材料のｐＨは、炭素材料を水に懸濁し、得られたｐＨを測定することによって決定され得る。
本方法の実施形態によって調製される炭素材料を組合わせてブレンドを形成してもよい。かかるブレンドは、複数の炭素材料（例えば、粒子）と複数の鉛粒子とを含んでもよく、この炭素材料の静電容量は変動する。いくつかの実施形態では、１ｍＡのレートで測定した炭素材料の静電容量は、６００Ｆ／ｇ超、５５０Ｆ／ｇ超、５００Ｆ／ｇ超、４５０Ｆ／ｇ超、４００Ｆ／ｇ超、３５０Ｆ／ｇ超、３００Ｆ／ｇ超、２５０Ｆ／ｇ超、２００Ｆ／ｇ超、又は１００Ｆ／ｇ超である。他の実施形態では、１ｍＡのレートで測定した炭素材料の静電容量は、３００Ｆ／ｇ未満又は２５０Ｆ／ｇ未満である。上記の特定の実施形態では、静電容量は、硫酸電解質中で測定される。例えば、いくつかの実施形態では、静電容量は、０．１Ａ／ｇ炭素〜１０Ａ／ｇ炭素の範囲の対称型の電流密度において０．９Ｖ及び０Ｖまでの定電流充放電特性の放電データに基づいて測定される。
【０１２６】
特定の実施形態では、炭素材料の吸水特性（即ち、複数の炭素粒子が吸収できる水の全量）により、炭素−鉛ブレンドに組み込まれたときの炭素材料の電気化学的性能が予測される。水は、炭素材料中の細孔容積及び／又は個々の炭素粒子間の空間に吸収され得る。吸水が多いほど、水分子に曝露される表面積が大きくなり、その結果、液体−固体界面において利用可能な鉛−硫酸塩核形成部位が増加する。水が到達可能な細孔は、追加の材料利用のための鉛ペースト極板の中心への電解質の輸送も可能とする。
従って、いくつかの実施形態では、炭素材料は活性炭粒子として調製され、０．２ｇＨ2Ｏ／ｃｃ（ｃｃ＝炭素粒子中の細孔容積）超、０．４ｇＨ2Ｏ／ｃｃ超、０．６ｇＨ2０／ｃｃ超、０．８ｇＨ2Ｏ／ｃｃ超、１．０ｇＨ2Ｏ／ｃｃ超、１．２５ｇＨ2Ｏ／ｃｃ超、１．５ｇＨ2Ｏ／ｃｃ超、１．７５ｇＨ2Ｏ／ｃｃ超、２．０ｇＨ2Ｏ／ｃｃ超、２．２５ｇＨ2Ｏ／ｃｃ超、２．５ｇＨ2Ｏ／ｃｃ超、又は更には２．７５ｇＨ2Ｏ／ｃｃ超の吸水率を有する。他の実施形態では、炭素材料は不活性粒子として調製され、０．２ｇＨ2Ｏ／ｃｃ超、０．４ｇＨ2Ｏ／ｃｃ超、０．６ｇＨ2Ｏ／ｃｃ超、０．８ｇＨ2Ｏ／ｃｃ超、１．０ｇＨ2Ｏ／ｃｃ超、１．２５ｇＨ2Ｏ／ｃｃ超、１．５ｇＨ2Ｏ／ｃｃ超、１．７５ｇＨ2Ｏ／ｃｃ超、２．０ｇＨ2Ｏ／ｃｃ超、２．２５ｇＨ2Ｏ／ｃｃ超、２．５ｇＨ2Ｏ／ｃｃ超、又は更には２．７５ｇＨ2Ｏ／ｃｃ超の吸水率を有する。例示的な炭素粒子の吸水率の決定方法は、当技術分野で公知である。
【０１２７】
炭素材料の吸水率は、Ｒ因子の項でも測定でき、このＲは、炭素１グラム当たりに吸収される水の最大グラムである。いくつかの実施形態では、Ｒ因子は、２．０超、１．８超、１．６超、１．４超、１．２超、１．０超、０．８超、又は０．６超である。他の実施形態では、Ｒ値は１．２〜１．６の範囲であり、更に他の実施形態では、Ｒ値は１．２未満である。
炭素材料のＲ因子は、長期間（例えば、２週間）多湿環境に曝露されたときの炭素材料の吸水能力に基づいて決定することもできる。例えば、いくつかの実施形態では、Ｒ因子は相対湿度に関連して表される。この点に関して、いくつかの実施形態では、炭素材料は、１０％〜１００％の範囲の相対湿度において、約０．１〜約１．０の範囲のＲ因子を有する。いくつかの実施形態では、Ｒ因子は、１０％〜１００％の範囲の相対湿度において、０．１未満、０．２未満、０．３未満、０．４未満、０．５未満、０．６未満、０．７未満又は更に０．８未満である。前述の実施形態では、炭素材料は、約０．１ｃｃ／ｇ〜２．０ｃｃ／ｇ、約０．２ｃｃ／ｇ〜１．８ｃｃ／ｇ、約０．４ｃｃ／ｇ〜１．４ｃｃ／ｇ、約０．６ｃｃ／ｇ〜１．２ｃｃ／ｇの全細孔容積を有する。前述の他の実施形態では、相対湿度は、約１０％〜約２０％、約２０％〜約３０％、約３０％〜約４０％、約４０％〜約５０％、約５０％〜約６０％、約６０％〜約７０％、約７０％〜約８０％、約８０％〜約９０％若しくは約９０％〜約９９％の範囲、又は更には１００％である。上記のＲ因子は、炭素材料を、室温で２週間、規定湿度に曝露することにより決定されてもよい。
【０１２８】
本明細書に記載の様々なパラメータの組合せが他の実施形態を形成することは理解されるべきである。例えば、特定の一実施形態では、炭素は少なくとも約２ｃｃ／ｇの細孔容積（例えば、メソ細孔容積）及び少なくとも２０００ｍ2／ｇの比表面積を有する。このようにして、様々な実施形態が本発明の範囲内に包含される。
【０１２９】
Ｃ．硬化ポリマー組成物及び炭素材料の特性決定
最終的な炭素材料、硬化ポリマー組成物、ポリマー組成物、及び反応混合物の特性は、当該技術分野で公知の技術を使用して測定され得る。例えば、炭素材料の構造特性は、当該技術分野で公知の方法である７７Ｋでの窒素吸着を使用して測定できる。完成した炭素材料の最終性能及び特徴は重要であるが、当業者に公知のように、中間生成物（即ち、反応混合物、ポリマー組成物及び硬化ポリマー組成物）も、特に品質管理の観点から評価され得る。Ｍｉｃｒｏｍｅｒｅｔｉｃｓ社のＡＳＡＰ２０２０を使用して詳細なミクロ細孔及びメソ細孔分析が実施され、その結果、いくつかの実施形態では０．３５ｎｍ〜５０ｎｍの孔径分布が明らかにされている。このシステムは１０-7ａｔｍの圧力から出発する窒素等温線を作成し、１ｎｍ以下の範囲の高分解度の孔径分布を可能にする。レポートを作成したソフトウェアは、密度汎関数理論法（ＤＦＴ）を利用して、特定の孔径範囲内の孔径分布、表面積分布、全表面積、全細孔容積、及び細孔容積等の特性を算出する。
炭素材料の不純物含有量は、当業者に公知の多くの分析技術によって決定できる。本開示に関連して有用な１つの具体的な分析方法は、プロトン励起Ｘ線放射（ＰＩＸＥ）である。この技術は、１１〜９２の範囲の原子番号を有する元素の濃度を低ｐｐｍレベルで測定できる。従って、一実施形態では、炭素材料中に存在する不純物の濃度は、ＰＩＸＥ分析によって決定される。
別の有用な分析方法は、全反射蛍光Ｘ線（ＴＸＲＦ）である。この技術は、１１〜９２の範囲の原子番号を有する元素の濃度を低ｐｐｍレベルで測定できる。従って、一実施形態では、炭素材料中に存在する不純物の濃度は、ＴＸＲＦ分析によって決定される。
【０１３０】
本方法の実施形態の他のパラメータ（例えば、温度及び時間）を測定するための技法及び装置は周知であり、当業者に容易に明らかであろう。更に、該当する場合には、本明細書に開示の方法の特定の態様は自動化される（例えば、保持時間及び昇温時間を含む温度プログラム）。
【０１３１】
Ｄ．炭素材料を含むデバイス
１．ＥＤＬＣ
本開示の方法は、多くの電気的エネルギー貯蔵及び分配デバイスにおいて電極材料として使用できる炭素材料をもたらす。かかるデバイスの１つはウルトラキャパシタである。炭素材料を含むウルトラキャパシタは、その全体が本願に援用される共有の米国特許第７，８３５，１３６号明細書に詳述されている。本方法の特定の実施形態は、その全体が本願に援用される共有の米国特許第８，２９３，８１８号明細書；米国特許第７，８１６，４１３号明細書；米国特許第８，４０４，３８４号明細書；米国特許第８，９１６，２９６号明細書；米国特許第８，６５４，５０７号明細書；米国特許第９，２６９，５０２号明細書；米国特許第９，４０９，７７７号明細書；及び国際公開第２００７／０６１７６１号、国際公開第２０１７／０６６７０３号に記載の特性を有する炭素材料又は関連組成物をもたらす。
ＥＤＬＣは、電解質溶液に浸漬された電極をエネルギー貯蔵素子として用いる。典型的には、電解質に浸漬されて電解質が含浸した多孔質セパレータは、電極同士が互いに接触しないことを確実とし、これによって電極間に電流が直接流れるのを防ぐ。同時に、この多孔質セパレータは、電解質を介して、電極間をイオン電流が双方向に流れることを可能にしており、これによって、電極と電解質との間の界面に電荷の二重層が形成される。
ＥＤＬＣの電極対の間に電位を印加すると、電解質内に存在するイオンが、逆に荷電した電極の表面に引き寄せられ、電極に向かって移動する。その結果、逆に荷電したイオンの層が作られ、各電極表面の近くに維持される。電気エネルギーは、これらのイオン層と対応する電極表面の電荷層との間の電荷分離層に貯蔵される。実際には、電荷分離層は本質的に静電キャパシタとして振る舞う。静電エネルギーは、電位によって誘起された電界の影響下で、電解質溶液の分子の配向及び配列を介して、ＥＤＬＣＳに貯蔵することもできる。しかしながら、このエネルギー貯蔵モードは二次的なものである。
本開示の方法の炭素材料を含むＥＤＬＣは、大電力を必要とする様々な電子デバイスにおいて使用可能である。更に、かかる電子デバイスを製造するコストは、本明細書に開示される炭素材料を調製する改良された方法に基づいて、劇的に削減される。
従って、一実施形態では炭素材料を含む電極が提供される。別の実施形態では、電極は、活性炭材料を含む。更なる実施形態では、本炭素材料を含む電極を備えたウルトラキャパシタが提供される。上記の更なる実施形態では、超高純度炭素材料は、上記の最適化されたバランスのミクロ細孔とメソ細孔とを有する。
【０１３２】
開示される炭素材料の製造方法は、多数の電子デバイス、例えば無線の消費者用及び商業用デバイス、例えばデジタルスチルカメラ、ノートＰＣ、医療用デバイス、位置追跡デバイス、自動車用デバイス、コンパクトフラッシュデバイス、携帯電話、ＰＣＭＣＩＡカード、種々の携帯デバイス、及びデジタル音楽プレーヤーの製造に有用である。ウルトラキャパシタは、重機、例えば掘削機及び他の土木装置、フォークリフト、ごみ運搬車、港湾及び建設用クレーン、並びに輸送システム、例えばバス、自動車、及び列車にも用いられる。
【０１３３】
従って、特定の実施形態では、本開示は、上記方法及びそれにより提供される炭素材料、例えば、ある細孔構造を有する炭素材料のいずれかを含む電気エネルギー貯蔵デバイスの調製方法を提供し、上記細孔構造は、ミクロ細孔、メソ細孔、及び全細孔容積を含み、全細孔容積の２０％〜８０％がミクロ細孔に属し、全細孔容積の２０％〜８０％がメソ細孔に属し、全細孔容積の１０％未満が２０ｎｍ超の細孔に属する。
【０１３４】
いくつかの実施形態では、電気二重層コンデンサ（ＥＤＬＣ）デバイスを製造する方法が提供され、当該ＥＤＬＣは、
ａ）その各々が炭素材料を含む正電極及び負電極、
ｂ）不活性多孔質セパレータ、及び
ｃ）電解質、を含み、
正電極と負電極とは不活性多孔質セパレータによって隔てられている。
【０１３５】
一実施形態は、少なくとも５Ｗ／ｇ、少なくとも１０Ｗ／ｇ、少なくとも１５Ｗ／ｇ、少なくとも２０Ｗ／ｇ、少なくとも２５Ｗ／ｇ、少なくとも３０Ｗ／ｇ、少なくとも３５Ｗ／ｇ、少なくとも５０Ｗ／ｇの質量出力を有するウルトラキャパシタデバイスを調製する方法を提供する。別の実施形態では、少なくとも２Ｗ／ｇ、少なくとも４Ｗ／ｃｃ、少なくとも５Ｗ／ｃｃ、少なくとも１０Ｗ／ｃｃ、少なくとも１５Ｗ／ｃｃ又は少なくとも２０Ｗ／ｃｃの体積出力を有するウルトラキャパシタデバイスを調製する方法が提供される。別の実施形態では、ウルトラキャパシタデバイスは、少なくとも２．５Ｗｈ／ｋｇ、少なくとも５．０Ｗｈ／ｋｇ、少なくとも７．５Ｗｈ／ｋｇ、少なくとも１０Ｗｈ／ｋｇ、少なくとも１２．５Ｗｈ／ｋｇ、少なくとも１５．０Ｗｈ／ｋｇ、少なくとも１７．５．Ｗｈ／ｋｇ、少なくとも２０．０Ｗｈ／ｋｇ、少なくとも２２．５Ｗｈ／ｋｇ、又は少なくとも２５．０Ｗｈ／ｋｇの質量エネルギーを有する。別の実施形態では、ウルトラキャパシタデバイスは、少なくとも１．５Ｗｈ／リットル、少なくとも３．０Ｗｈ／リットル、少なくとも５．０Ｗｈ／リットル、少なくとも７．５Ｗｈ／リットル、少なくとも１０．０Ｗｈ／リットル、少なくとも１２．５Ｗｈ／リットル、少なくとも１５Ｗｈ／リットル、少なくとも１７．５Ｗｈ／リットル、又は少なくとも２０．０Ｗｈ／リットルの体積エネルギーを有する。
【０１３６】
上記のいくつかの実施形態では、ウルトラキャパシタデバイスの質量出力、体積出力、質量エネルギー、及び体積エネルギーは、２．７Ｖ〜１．８９Ｖの定電流放電によって、テトラエチルアンモニウム−テトラフルオロボラートの１．０Ｍアセトニトリル溶液（ＡＮ中１．０ＭのＴＥＡＴＦＢ）電解質及び０．５秒の時間定数を用いて測定される。
一実施形態では、ウルトラキャパシタデバイスは、少なくとも１０Ｗ／ｇの質量出力、少なくとも５Ｗ／ｃｃの体積出力、少なくとも１００Ｆ／ｇの質量比容量（＠０．５Ａ／ｇ）、及び少なくとも１０Ｆ／ｃｃの体積比容量（＠０．５Ａ／ｇ）を有する。一実施形態では、上記のウルトラキャパシタデバイスは、炭素材料、導電性向上剤、バインダー、電解質溶媒、及び電解質塩を含むコインセル二重層ウルトラキャパシタである。更なる実施形態では、上記の導電性向上剤は、カーボンブラック及び／又は当該技術分野において公知の他の導電性向上剤である。更なる実施形態では、上記のバインダーは、テフロン及び／又は当該技術分野において公知の他のバインダーであり得る。更なる上記の実施形態では、電解質溶媒は、アセトニトリル又はプロピレンカーボネート又は当該技術分野において公知の他の電解質溶媒（複数可）である。更なる上記の実施形態では、電解質塩は、テテトラエチルアミノテトラフルオロボラート又はトリエチルメチルアミノテトラフルオロボラート又は当該技術分野において公知の他の電解質塩、又は当該技術分野において公知の液状電解質である。
一実施形態では、ウルトラキャパシタデバイスは、少なくとも１５Ｗ／ｇの質量出力、少なくとも１０Ｗ／ｃｃの体積出力、少なくとも１１０Ｆ／ｇの質量比容量（＠０．５Ａ／ｇ）、及び少なくとも１５Ｆ／ｃｃの体積比容量（＠０．５Ａ／ｇ）を有する。一実施形態では、上記のウルトラキャパシタデバイスは、炭素材料、導電性向上剤、バインダー、電解質溶媒、及び電解質塩を含むコインセル二重層ウルトラキャパシタである。更なる実施形態では、上記の導電性向上剤は、カーボンブラック及び／又は当該技術分野において公知の他の導電性向上剤である。更なる実施形態では、上記のバインダーは、テフロン及び／又は当該技術分野において公知の他のバインダーであり得る。更なる上記の実施形態では、電解質溶媒は、アセトニトリル又はプロピレンカーボネート又は当該技術分野において公知の他の電解質溶媒（複数可）である。更なる上記の実施形態では、電解質塩は、テトラエチルアミノテトラフルオロボラート又はトリエチルメチルアミノテトラフルオロボラート又は当該技術分野において公知の他の電解質塩、又は当該技術分野において公知の液状電解質である。
一実施形態では、ウルトラキャパシタデバイスは、少なくとも９０Ｆ／ｇ、少なくとも９５Ｆ／ｇ、少なくとも１００Ｆ／ｇ、少なくとも１０５Ｆ／ｇ、少なくとも１１０Ｆ／ｇ、少なくとも１１５Ｆ／ｇ、少なくとも１２０Ｆ／ｇ、少なくとも１２５Ｆ／ｇ、又は少なくとも１３０Ｆ／ｇの質量比容量を有する。別の実施形態では、ウルトラキャパシタデバイスは少なくとも５Ｆ／ｃｃ、少なくとも１０Ｆ／ｃｃ、少なくとも１５Ｆ／ｃｃ、少なくとも２０Ｆ／ｃｃ、又は少なくとも２５Ｆ／ｃｃの体積比容量を有する。上記のいくつかの実施形態では、質量比容量と体積比容量は２．７Ｖ〜０．１Ｖの定電流放電によって、５秒の時間定数で、テトラエチルアンモニウム−テトラフルオロボラートの１．８Ｍアセトニトリル溶液（ＡＮ中１．８ＭのＴＥＡＴＦＢ）の電解質と０．５Ａ／ｇ、１．０Ａ／ｇ、４．０Ａ／ｇ、又は８．０Ａ／ｇの電流密度とを用いて測定される。
更に他の実施形態では、ＥＤＬＣデバイスは、２．７Ｖ〜０．１Ｖの定電流放電によって、少なくとも０．２４Ｈｚの周波数応答で、テトラエチルアンモニウム−テトラフルオロボラートの１．８Ｍアセトニトリル溶液の電解質及び０．５Ａ／ｇの電流密度を用いて測定したときに、少なくとも１３Ｆ／ｃｃの質量比容量を有する。他の実施形態はＥＤＬＣデバイスを含み、当該ＥＤＬＣデバイスは、２．７Ｖ〜０．１Ｖの定電流放電によって、少なくとも０．２４Ｈｚの周波数応答で、テトラエチルアンモニウム−テトラフルオロボラートの１．８Ｍアセトニトリル溶液の電解質及び０．５Ａ／ｇの電流密度を用いて測定したときに、少なくとも１７Ｆ／ｃｃの質量比容量を有する。
【０１３７】
上記のように、本方法の実施形態は、ウルトラキャパシタデバイスに組み込むために炭素材料を変更するステップを含み得る。いくつかの実施形態では、炭素材料は、当該技術分野の技術に従って、ジェットミルを使用して約１０ミクロンの平均粒径まで粉砕される。理論に束縛されるものではないが、この微細な粒径は粒子間の導電性を向上し、更には極薄シート電極の製造を可能にすると考えられる。ジェットミルは、本質的には、高圧窒素によって推進されるディスク形チャンバの内側で炭素を回転させることにより、炭素同士をこすり合わせて粉砕する。より大きな粒子が供給されると、それは遠心力によってチャンバの外側に押される。粒子同士が互いにこすり合わさって粉砕されるにつれて、粒子は中心に向かって移動し、最終的に、適切な寸法に達した時点で、粉砕チャンバから外に出る。
【０１３８】
更なる実施形態では、ジェットミル処理後に、炭素材料は繊維性のテフロンバインダー（３質量％）と混合されて、粒子を合わせて１枚のシートに保持する。炭素材料／テフロン混合物は、均一な粘稠度に到達するまで混錬される。次に、混合物は高圧ローラー成形機を用いてシート状にローラー加工されて、５０ミクロンの最終厚さを得る。これらの電極をディスク状に打ち抜き、乾燥アルゴン雰囲気下で１９５℃に加熱して、水及び／又は他の空気中汚染物質を除去する。電極を秤量し、その寸法をノギスで測定する。
ＥＤＬＣの炭素電極は適切な電解質溶液によって湿潤される。本出願のデバイスに使用するための電解質溶液に使用するための溶媒の例としては、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジエチルカーボネート、スルホラン、メチルスルホラン、及びアセトニトリルが挙げられるがこれらに限定されない。かかる溶媒は、一般的に、テトラアルキルアンモニウム塩、例えば、ＴＥＡＴＦＢ（テトラエチルアンモニウムテトラフルオロボラート）；ＴＥＭＡＴＦＢ（トリ−エチルメチルアンモニウムテトラフルオロボラート）；ＥＭＩＴＦＢ（１−エチル−３−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボラート）、テトラメチルアンモニウム又はトリエチルアンモニウム系の塩等の溶質と混合される。更に、電解質は、希硫酸又は水酸化カリウムなどの水性の酸又は塩基性電解質であり得る。
【０１３９】
いくつかの実施形態では、電極は、テトラエチルアンモニウム−テトラフルロボラートの１．０Ｍアセトニトリル溶液（ＡＮ中１．０ＭのＴＥＡＴＦＢ）の電解質によって湿潤される。他の実施形態では、テトラフルオロボラートテトラエチルアンモニウムの１．０Ｍプロピレンカーボネート溶液（ＰＣ中１．０ＭのＴＥＡＴＦＢ）の電解質によって湿潤される。これらは研究及び産業の両方で用いられる一般的な電解質であり、デバイス性能を評価するための標準と見なされる。他の実施形態では、対称型の炭素−炭素（Ｃ−Ｃ）キャパシタが不活性雰囲気下（例えばアルゴングローブボックス内）で組み立てられ、ＮＫＫ多孔質膜（３０ミクロン厚）がセパレータとして働く。組み立てられると、試料は、試料の多孔性に応じて約２０分間以上電解質中に浸漬され得る。
【０１４０】
いくつかの実施形態では、静電容量及び電力は、サイクリックボルタメトリー（ＣＶ）、クロノポテンシオメトリー（ＣＰ）、及びインピーダンス分光法を用いて、種々の電圧（１．０〜２．５Ｖの最大電圧の範囲）及び電流レベル（１〜１０ｍＡ）で、Ｂｉｏｌｏｇｉｃ社ＶＭＰ３電気化学ワークステーションによって測定される。この実施形態では、静電容量は、次式を用いてポテンショグラムの放電曲線から計算できる。
式１
【数１】
2021512190.tif 000006
式中、Ｉは電流（Ａ）であり、ΔＶは電圧降下であり、Δｔは時間差である。この実施形態では試験キャパシタが対称型の炭素−炭素（Ｃ−Ｃ）電極であることから、比容量は、
式２  Ｃs＝２Ｃ／ｍe
（式中、ｍeは単電極の質量である）から求められる。比エネルギー及び電力は
式３
【数２】
2021512190.tif 000007
式４  Ｐs＝Ｅs／４ＥＳＲ
を用いて求められ、式中、Ｃは測定された静電容量、Ｖmaxは最大試験電圧、ＥＳＲは放電開始時の電圧降下から得られる等価直列抵抗である。ＥＳＲはインピーダンス分光法から交互に誘導できる。
【０１４１】
２．電池
開示される炭素材料を提供する方法は、多数の種類の電池において電極の製造にも使用できる。かかる電池の１つは、金属空気電池、例えばリチウム空気電池である。リチウム空気電池は、一般に、正電極と負電極との間に挿入された電解質を含む。正電極は、通常、リチウム化合物、例えば酸化リチウム又は過酸化リチウムを含み、酸素を酸化又は還元する働きをする。負電極は、通常、リチウムイオンを吸収及び放出する炭素質の物質を含む。スーパーキャパシタと同様に、本明細書に開示される方法の実施形態を含むリチウム空気電池等の電池を調製する方法は、他の公知の炭素材料を含む電池よりも優れていると予想される。従って、一実施形態は、金属空気電池、例えば、リチウム空気電池を調製する方法を提供する。多数の他の電池、例えば亜鉛−炭素電池、リチウム／炭素電池、鉛酸電池等も、本方法により性能が向上すると予想される。当業者は、開示される方法が有益となる炭素含有電池の他の具体的な種類も認識するであろう。
例えば、本方法の実施形態は、鉛酸電池に特に有用な炭素材料を製造し得る。具体的には、本方法の実施形態は、鉛酸及び関連電池システムに使用するための低ガス発生性炭素材料（例えば、粒子）を製造できる。これらの炭素材料は、電荷受容性の増加及びサイクル寿命の改善を含むがこれらに限定されない、特定の電気化学的強化をもたらす一方で、この目的で以前開示された炭素材料と比較して、ガス発生が非常に低くなる。低ガス発生性炭素は、低ガス発生性炭素粒子からなる粉末として提供でき、この粉末を鉛粒子とブレンドして、低ガス発生性炭素と鉛粒子とのブレンドを作ることができる。
従って、別の実施形態では、本発明は、本明細書に開示の方法を含む、電池、特に亜鉛／炭素、リチウム／炭素電池、又は鉛酸電池を調製する方法を提供する。
【０１４２】
一実施形態は、電気エネルギー貯蔵デバイス、例えば、鉛／酸電池を調製する方法に関し；いくつかの実施形態は、
ａ）第１の集電体と電気的に接触している第１の活物質を含む少なくとも１つの正電極、
ｂ）第２の集電体と電気的に接触している第２の活物質を含む少なくとも１つの負電極、及び
ｃ）電解質、を含む鉛／酸電池であって、
上記正電極及び負電極は、不活性多孔質セパレータによって互いに隔てられており、第１及び第２の活物質のうち少なくとも１つが炭素材料を含む、鉛／酸電池を調製する方法を提供する。
他の実施形態では、電気エネルギー貯蔵デバイスは１つ以上の鉛系正電極と１つ以上の炭素系負電極とを含み、炭素系電極は炭素−鉛ブレンドを含む。本開示のデバイスの他の実施形態では、正電極及び負電極の両方の構成要素が、任意で炭素（例えば、本明細書に開示の実施形態に従って調製された炭素材料）を含む。
上記の更なる実施形態では、正電極及び／又は負電極は、活物質の性能を強化する作用がある１つ以上の他の要素を、鉛及び炭素材料に加えて更に含む。かかる他の元素としては、鉛、スズ、アンチモン、ビスマス、ヒ素、タングステン、銀、亜鉛、カドミウム、インジウム、硫黄、ケイ素及びこれらの組合せ、並びにこれらの酸化物及びこれらを含む化合物が挙げられるがこれらに限定されない。
炭素材料と鉛のブレンドは、鉛酸電池に使用するための電極に使用できる。従って、一実施形態は、少なくとも１個のセルを含む複合型鉛−炭素−酸電気的エネルギー貯蔵デバイスを提供し、その少なくとも１個のセルは、複数の炭素材料−鉛系正電極と、1つ以上の炭素材料−鉛系負電極とを含む。当該デバイスは、更に、セル間のセパレータ、酸電解質（例えば、硫酸水溶液）、及びデバイスを収容するケーシングを備える。
複合型鉛−炭素−酸エネルギー貯蔵デバイスのいくつかの実施形態では、炭素系負電極はそれぞれ、高伝導性集電体；集電体の少なくとも１面に接着されかつ電気的に接触している炭素材料−鉛ブレンド、及び負電極又は正電極の上端の上方に延在するタブ要素を含む。例えば、炭素材料−鉛系正電極は各々、鉛系集電体と、集電体表面に接着され、かつ電気的に接触している二酸化鉛系活物質ペーストと、正電極の上端の上方に延在するタブ要素とを備えてもよい。通常は、ブレンド中の鉛又は酸化鉛は、カソード用のエネルギー貯蔵活物質としての役割を果たす。
複合型鉛−炭素−酸エネルギー貯蔵デバイスの他の実施形態では、鉛系集電体の前面及び後面の各々は、鉛系集電体の中間平面に対して高くなった部分及び低くなった部分のマトリックスを備え、かつ集電体の高くなった部分と低くなった部分との間に形成されたスロットを更に備える。この実施形態では、鉛系集電体の集合体厚さは、集電体を形成している鉛系材料の厚さよりも大きい。
【０１４３】
負電極は、導電性集電体；炭素材料−鉛ブレンド；及び側面から（例えば負電極の上端の上方から）延在するタブ要素を含み得る。負電極タブ要素は、キャストオンストラップにより電気的に互いに固定されてもよく、コネクタ構造を有し得る。活物質は、集電体マトリックスに接着され、かつ電気的に接触しているシートの形態であってもよい。ブレンドが集電体マトリックスに接着されかつ電気的に接触するために、ブレンドは、ＰＴＦＥ又は超高分子量ポリエチレン（例えば、数百万、通常は約２００万〜約６００万の分子量を有する）等の好適なバインダー物質と混合されてもよい。いくつかの実施形態では、バインダー材料は、熱可塑特性を呈さないか又は最小限の熱可塑特性を呈する。
特定の実施形態では、各電池セルは４つの正電極を含み、該正電極は鉛系であり、二酸化鉛活物質を含む。各正電極は、正電極の各面に接着された多孔質炭素材料（例えば、炭素−鉛ブレンド）及び炭素内に含有される二酸化鉛を含む高導電性集電体を含む。また、この実施形態では、電池セルは３つの負電極を含み、その各々は負電極の各面に接着された多孔質炭素材料を含む高導電性集電体を備え、この多孔質炭素材料は炭素内に鉛を含む。
【０１４４】
他の実施形態では、各セルは、交互に置かれる複数の正電極と複数の負電極とを含む。それぞれの隣接する正電極と負電極の対の間に、セパレータが置かれる。正電極のそれぞれが、個々の各電極の上端の上方に延在するタブを有するように構成され；負電極のそれぞれが、個々の各負電極の上端の上方に延在するタブを有する。特定の変形では、セパレータは、酸電解質との使用を意図した好適なセパレータ材料から作製され、セパレータは、不織布若しくはフェルト製材料又はこれらの組合せ等の織布材料から作製されてもよい。他の実施形態では、集電体の材料は鉛シートであり、鉛シートはキャスト又は圧延されていてもよく、かつ打ち抜き又は機械加工されていてもよい。
セルはそれぞれ、交互の正極板と負極板とを有してもよく、電解質は、正極板と負極板との間の容積部分に配置されてもよい。加えて、電解質は、正極板及び負極板に含まれる材料中の細孔空間の一部又は全てを占めることができる。一実施形態では、電解質は、その中に正極板及び負極板が浸され得る電解質水溶液を含む。電解質溶液組成物は、特定の電池化学作用に対応するように選択され得る。例えば、鉛酸電池では、電解質は硫酸及び蒸留水の溶液を含み得る。しかしながら、他の酸を使用して、本開示の電池の電解質溶液を形成してもよい。
別の実施形態では、電解質はシリカゲルを含んでもよい。このシリカゲル電解質は、ゲルが、セルの正極板と負極板（複数可）との間の容積を少なくとも部分的に満たすように、電池に添加できる。
【０１４５】
いくつかの他の変形では、各セルの正極板及び負極板は、化学的活物質で充満又はコーティングされた集電体を備えてもよい。電池の集電体上に配置された活物質中の化学反応により、電気的エネルギーの貯蔵及び放出が可能になる。集電体材料ではなく、この活物質の組成が、特定の集電体が正極板として機能するか負極板として機能するかを決定する。
化学的活物質の組成はまた、装置の化学作用にも依存する。例えば、鉛酸電池は、例えば鉛の酸化物又は塩を含む化学的活物質を含み得る。特定の実施形態では、化学的活物質は、二酸化鉛（ＰｂＯ2）を含み得る。化学的活物質は、例えば、様々な割合の遊離鉛、構造繊維、導電性材料、炭素、及び電池寿命にわたる容積変化に適応するための増量剤等の様々な添加剤も含み得る。特定の実施形態では、鉛酸電池用の化学的活物質の構成要素は、硫酸及び水と混合されて、ペースト、スラリー、又は任意の他の種類のコーティング材料を形成し得る。
ペースト又はスラリーの形態の化学的活物質は、例えば、正及び負の極板の集電体に塗布され得る。化学的活物質は、浸漬、塗布、又は任意の他の好適なコーティング技術を介することにより、集電体に適用され得る。
特定の実施形態では、電池の正及び負の極板は、極板を作製するのに対応する集電体に最初に化学的活物質を堆積することにより形成される。全ての用途に必要なわけではないが、特定の実施形態では、集電体に堆積された化学的活物質に、硬化及び／又は乾燥プロセスが施されてもよい。例えば、硬化プロセスは、化学的活物質の化学的及び／又は物理的特性における変化を促進するために、化学的活物質を昇温及び／又は湿潤状態に曝露することを含み得る。
正極板と負極板を組み立ててセルを形成した後、電池に、充電（即ち、形成）プロセスが施され得る。この充電プロセス中に、化学的活物質の組成は、セルの正極板と負極板との間に電気化学電位をもたらす状態に変化し得る。例えば、鉛酸電池では、正極板のＰｂＯ活物質は、電気的に二酸化鉛（ＰｂＯ2）へと変化する場合があり、負極板の活物質は、スポンジ鉛へと変換し得る。逆に、後の鉛酸電池の放電中に、正極板及び負極板の両方の化学的活物質は、硫酸鉛へと変換する。
【０１４６】
本開示の実施形態によって調製される炭素材料を含むブレンドは、細孔のネットワークを含み、これは各集電体に大きな表面積を提供できる。例えば、上記のデバイスの特定の実施形態では、炭素材料はメソ細孔性であり、他の実施形態では、炭素材料はミクロ細孔性である。更に、炭素層は、上記の物理的特性の任意の組合せを呈するように製作され得る。
活物質用の基材（即ち、支持体）は、いくつかの異なる材料及び物理的構成を含み得る。例えば、特定の実施形態では、基材は、導電性材料、ガラス、又はポリマーを含み得る。特定の実施形態では、基材は、鉛又はポリカーボネートを含み得る。基材は材料の単一シートとして形成され得る。あるいは、基材は、クロスメンバー及びストラットを有するグリッドパターン等の開放構造を備え得る。
基材は、集電体との電気的接続を確立するためのタブも備え得る。あるいは、特に、基材が低伝導性のポリマー又は材料を含む実施形態では、炭素材料層は、集電体との電気的接続を確立するための材料のタブを備えるように構成され得る。かかる実施形態では、タブ及び炭素材料層を形成するために使用される炭素材料に、炭素材料層に対する良好な機械的及び電気的接触を補佐又は提供するための鉛、銀、又は任意の他の好適な金属等の金属を注入してもよい。
【０１４７】
本開示の実施形態によって調製される炭素材料を含むブレンドは、基材がブレンドへの支持を提供できるように、基材に物理的に結合されていてもよい。一実施形態では、ブレンドは基材に積層されてもよい。例えば、ブレンド及び基材には、ブレンドが物理的に基材と結合するように、熱及び／又は圧力の印加を含み得る任意の好適な積層プロセスが施されてもよい。特定の実施形態では、積層プロセスを補助するために、感熱性及び／又は感圧性の積層フィルム又は接着剤が使用されてもよい。
他の実施形態では、ブレンドは、機械的ファスナーシステムを介して、基材に物理的に結合されてもよい。このファスナーシステムは、炭素材料層を支持体に固定することができる任意の好適な種類のファスナーを備えてもよい。例えば、ブレンドは、ステープル、ワイヤ又はプラスチック面ファスナー、リベット、カシメファスナー、ねじ等を使用して支持体に接合されてもよい。或いは、ブレンドは、ワイヤ糸、又は他の種類の糸を使用して、支持体に縫い付けられてもよい。いくつかの実施形態では、ブレンドは、ブレンドの基材への結合を促進するために、更にバインダー（例えば、テフロン等）を含んでもよい。
【０１４８】
別の実施形態は、金属空気電池を調製するための方法を提供する。例えば、金属空気電池は、
ａ）二官能性触媒を含む開示されるメソ細孔性炭素材料を含む空気カソード；
ｂ）金属アノード；及び
ｃ）電解質、を含む。
別の実施形態では、本開示は、
ａ）金属を含む開示されるメソ細孔炭素材料を含む空気カソードであって、当該金属が、鉛、スズ、アンチモン、ビスマス、ヒ素、タングステン、銀、亜鉛、カドミウム、インジウム又はこれらの組合せを含む、空気カソード；
ｂ）金属アノード；及び
ｃ）電解質
を含む、金属空気電池を提供する。
上記電池の具体的な一実施形態では、金属は銀を含む。
本開示の範囲内の活物質には、電気を貯蔵及び／又は伝導する能力がある材料が含まれる。活物質は、当該技術分野で公知であって鉛酸電池に有用な任意の活物質であってよく、例えば、活物質は鉛、酸化鉛（ＩＩ）、酸化鉛（ＩＶ）、又はこれらの組合せを含んでよく、ペースト状であってもよい。
一実施形態では、本開示は、
ａ）二官能性触媒を含む開示されるメソ細孔性炭素材料を含む空気カソード；
ｂ）金属アノード；
ｃ）二次炭素アノード；及び
ｄ）電解質
を含む、金属空気電池を提供する。
上記の実施形態では、二次炭素アノードはウルトラキャパシタ又は電気二重層コンデンサ（ＥＤＬＣ）アノードとして作用する。特定の実施形態では、この二次アノードに使用される炭素は、ミクロ細孔性であり、高い静電容量を提供する。特定の実施形態では、炭素は高純度であるか又は最適化されたブレンドのミクロ細孔とメソ細孔を含む。
上記デバイスのいずれかの別の実施形態では、炭素材料は、ミクロ細孔対メソ細孔の分布は同じであるが、より低い表面積領域にある。この実施形態は、熱分解後（ただし活性化せず）の表面官能性が低く、同じ最適化されたミクロ細孔対メソ細孔容積分布を生じる同じベース高純度ポリマー組成物及び／又は硬化ポリマー組成物を合成することによって、炭素材料を調製するステップを含む。鉛酸電池のような電池用途において、表面積が低く最適化された細孔構造は、高い導電性ネットワークを有する電極配合物を最大限にもたらす。大きなメソ細孔容積が、多くの他のエネルギー貯蔵システム（鉛酸、リチウムイオン等）で高いイオン移動度を可能にする優れた構造になりうることも理論化されている。
上記の金属空気電池のいくつかの他の実施形態では、金属アノードは、リチウム、亜鉛、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、フランシウム、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウムバリウム、ラジウム、アルミニウム、ケイ素、又はこれらの組合せを含む。他の実施形態では、電解質は、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジエチルカーボネート、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル又はこれらの混合物を、１つ以上の溶質と組合せて含み、この溶質は、リチウム塩、ＬｉＰＦ6、ＬｉＢＦ4、ＬｉＣｌＯ4テトラアルキルアンモニウム塩、ＴＥＡＴＦＢ（テトラエチルアンモニウムテトラフルオロボラート）、ＭＴＥＡＴＦＢ（メチルトリエチルアンモニウムテトラフルオロボラート）、ＥＭＩＴＦＢ（１−エチル−３−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボラート）、テトラエチルアンモニウム又はトリエチルアンモニウム系の塩である。
【０１４９】
上記電池の更に他の実施形態では、二官能性触媒は、鉄、ニッケル、コバルト、マンガン、銅、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、金、ハフニウム、白金、チタン、レニウム、タンタル、タリウム、バナジウム、ニオブ、スカンジウム、クロム、ガリウム、ジルコニウム、モリブデン又はこれらの組合せを含む。例えば、いくつかの具体的な実施形態では、二官能性触媒はニッケルを含む。他の実施形態では二官能性触媒は鉄を含み、他の実施形態では二官能性触媒はマンガンを含む。
他の実施形態では、二官能性触媒はカーバイド化合物を含む。例えば、いくつかの態様では、カーバイド化合物は、リチウムカーバイド、マグネシウムカーバイド、ナトリウムカーバイド、カルシウムカーバイド、ボロンカーバイド、シリコンカーバイド、チタンカーバイド、ジルコニウムカーバイド、ハフニウムカーバイド、バナジウムカーバイド、ニオブカーバイド、タンタルカーバイド、クロムカーバイド、モリブデンカーバイド、タングステンカーバイド、鉄カーバイド、マンガンカーバイド、コバルトカーバイド、ニッケルカーバイド又はこれらの組合せを含む。特定の実施形態では、カーバイド化合物はタングステンカーバイドを含む。
【０１５０】
カソードは、電解質をメソ細孔炭素の表面の湿潤特性に基づいて制御できる環境を作るように加工できる。例えば、メソ細孔炭素を製造できるのは、メソ細孔炭素の外表面は電解質を撥いてガス拡散を可能にする傾向があるが、内部細孔表面は電解質を引き付け、細孔内の良好なイオン拡散を促進する場合である。いくつかの実施形態では、メソ細孔炭素の細孔の内表面は電解質で湿潤されるが、メソ細孔炭素の外表面は電解質でそれほど湿潤されない。更に他の実施形態では、メソ細孔炭素の細孔の内表面は電解質で湿潤されないが、メソ細孔炭素の外表面は電解質で湿潤される。いくつかの実施形態では、一部の粒子が電解質で湿潤されず、ガス拡散チャネルとして作用し、他の粒子は優先的に電解質で湿潤されてイオン拡散チャネルとして作用する、粒子の混合物が存在する。
電解質は当業者に公知の任意の電解質でよいが、いくつかの例では、電解質はプロピレンカーボネートを含む。他の実施形態では、電解質はジメチルカーボネートを含む。更に他の実施形態では、電解質はエチレンカーボネートを含む。また更に他の実施形態では、電解質はジエチルカーボネートを含む。他の実施形態では、電解質はイオン液体を含む。多種多様なイオン液体が当業者に公知であり、その例としては、イミダゾリウム塩、例えば、ヘキサフルオロリン酸エチルメチルイミダゾリウム（ＥＭＩＰＦ６）及び１，２−ジメチル−３−プロピルイミダゾリウム［（ＤＭＰＩＸ）Ｉｍ］（例えば、ＭｃＥｗｅｎ  ｅｔ  ａｌ，“Ｎｏｎａｑｕｅｏｕｓ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅｓ  ａｎｄ  Ｎｏｖｅｌ  Ｐａｃｋａｇｉｎｇ  Ｃｏｎｃｅｐｔｓ  ｆｏｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃａｐａｃｉｔｏｒｓ，”  Ｔｈｅ  ７ｔｈ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｅｍｉｎａｒ  ｏｎ  Ｄｏｕｂｌｅ  Ｌａｙｅｒ  Ｃａｐａｃｉｔｏｒｓ  ａｎｄ  Ｓｉｍｉｌａｒ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｓｔｏｒａｇｅ  Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｄｅｅｒｆｉｅｌｄ  Ｂｅａｃｈ，ＦＬ（Ｄｅｃｅｍｂｅｒ  ８−１０，１９９７）参照）が挙げられるがこれらに限定されない。
再充電可能なＬｉ−空気電池の場合、一般的に、酸素放出及び酸素還元を援助するために二官能性触媒（又は特定の実施形態では、別の金属）が組み込まれる。メソ細孔炭素処理は、メソ細孔炭素の内部細孔表面上に所望の触媒構造を生じるように変更できる。
本開示のメソ細孔炭素は、リチウム電極の高速充放電能力を補佐するために使用できる。メソ細孔炭素は、電解質二重層キャパシタの電極として使用できる。本発明のメソ細孔炭素は、リチウム電極との電気的接触において分離コンポーネントとして添加できる。いくつかの実施形態では、空気電極の二重層容量は、この二次炭素アノードによって少なくとも部分的に適合される。他の実施形態では、二重層は、メソ細孔炭素上に構築される。かかる構成は高速充放電を可能にし、急速なパルスも可能である。かかるパルスは高速充放電が電池寿命に与える悪影響を最小限に抑えると考えられる。メソ細孔炭素がリチウムと物理的に接触していること又はセパレータの同じ側にあることは、リチウム空気電池の高速放電能力に寄与するために必要ではない。上記の他の実施形態では、電気接点（例えば、電極）における分離コンポーネントはミクロ細孔炭素である。
【実施例】
【０１５１】
以下の実施例において開示される炭素材料は、本明細書において開示される方法に従って調製した。化学物質は商業的供給者から試薬級以上の純度で入手し、供給者から受領したままの状態で、更なる精製を行わずに使用した。
【０１５２】
実施例１
炭素材料の調製
例示の炭素材料は、水／酢酸溶媒中で、酢酸アンモニウム触媒の存在下、レゾルシノールとホルムアルデヒドとから調製したポリマーを使用して合成した。試薬は、下の表１に示す量で、反応混合物に添加した。
【表１】
2021512190.tif 000008
【０１５３】
水、酢酸（氷酢酸）、レゾルシノール及び酢酸アンモニウムをケトル反応器内で混合し、３０℃に加熱した。得られた混合物にホルムアルデヒド溶液を添加した。得られた反応混合物の温度を、３９〜５０℃に０〜６時間維持した。次いで、反応混合物を２０〜３０℃に冷却し、デカンテーションにより２５０ｍＬ〜１Ｌのポリプロピレンボトルに移した。
移した後の反応混合物の屈折率（ＲＩ）を測定した結果、１．４２５５〜１．４３６９の範囲であった。反応混合物のＲＩは、温度が一定（例えば、３９〜４０℃）に保持されているとき、混合が完了した時間（例えば、０〜６時間）の関数として変化することが明らかになった。各試料の屈折率を下の表２に示す。
【表２】
2021512190.tif 000009
【０１５４】
デカンテーションした反応混合物をドラフト内に置くか、又は熱電対を取り付けた断熱箱内に固定する。この保持ステップの間にポリマー組成物が生成するにつれて、発熱共重合反応による発熱が、その後０．１〜１０時間にわたり、温度上昇を引き起こした。下の表３に示すように、温度上昇の度合、温度上昇の平均速度、及び温度上昇の最大速度は、デカンテーション時のＲＩ測定と相関した。加熱の度合いも、デカンテーションした反応混合物を受け取る反応容器の表面積対容積比の関数として変化した。
【表３】
2021512190.tif 000010
【０１５５】
保持環境（例えば、断熱箱）で約２４時間後、ポリマー組成物を取り出し、オーブンに入れて硬化した。オーブンは、３０℃から９５℃まで２４〜７２時間かけて昇温し、更に９５℃で２４時間保持するように設定した。得られた硬化ポリマー組成物を破断し、ポリプロピレンボトルから取り出して、管状炉に入れ、窒素雰囲気下で熱分解した。
硬化ポリマー組成物の熱分解の間、窒素は管状炉内を流れるように設定し、炉は２０℃から９００℃まで４５分かけて加熱し、更に９００℃で６０分保持するように設定した。熱分解の間に、硬化ポリマー組成物は乾燥及び熱分解され、それによって、水分、酸素及び水素が除去されて、純粋な炭素材料を生じた。
得られた炭素材料を試験して、メソ細孔容積、孔径分布、及び表面積をガス吸着により決定した。得られたメソ細孔容積及び孔径分布は、保持ステップ中に到達した最大温度及び昇温速度の関数であった。下の表４のデータに示すように、最終的な細孔容積は、最大保持温度と対比できる。
【表４】
2021512190.tif 000011
【０１５６】
更に、相対的細孔完全性を、本明細書に開示の方法の特定の実施形態を用いて得られた硬化ポリマー組成物について比較した。表５のデータは、最大保持温度と、硬化ポリマー組成物におけるポリマーの相対的細孔完全性との比較を示す。データが示すように、開示される方法及び組成物の実施形態は、意外にも、いかなる従来の乾燥ステップも行うことなく、所望の全細孔容積を維持する。更に、所望のポリマー組成物は、約０．４０〜約１．００以上の範囲の相対的細孔完全性を生じ得る。結果を、図９にも示す。
【表５】
2021512190.tif 000012
【０１５７】
実施例２
炭素材料のメソ細孔容積変動と保持時間との関係−試験１
例示の炭素材料の試料調製品４点を、実施例１に記載の手順及び以下のパラメータに従って合成した。試薬は、下の表６に示す量で添加した。
【表６】
2021512190.tif 000013
【０１５８】
ホルムアルデヒドを除く全ての試薬を合わせ、４０℃まで加熱した。温度を３９〜４０℃に維持しながら、ホルムアルデヒド溶液を１４５分かけて反応器内にポンプ輸送した。得られた反応混合物を２２℃まで冷却した後、デカンテーションした。４点の試料調製品を、２０℃〜２５℃で０、３、６、及び１２時間保持した。
上記の各保持時間の後、試料を初期温度２５℃に設定し、その後９５℃まで１℃／時の昇温速度で昇温し、９５℃で更に２４時間保持したオーブン内で硬化した。試料を冷却、破断し、管状炉内に入れ、窒素雰囲気下で乾燥及び熱分解した。
試料の熱分解は、窒素流下、２０℃で開始して９００℃まで４５分かけて昇温し、９００℃で更に６０分間保持して実施した。熱分解の間に、硬化ポリマー組成物は乾燥及び熱分解され、それによって、水分、酸素及び水素が除去されて、純粋な炭素材料を生じる。各試料について、得られたメソ細孔容積をガス吸着によって試験した。結果を下の表７及び図１に示す。
【表７】
2021512190.tif 000014
【０１５９】
上記の結果に示すように、保持時間が長いほど試料のメソ細孔容積が低くなり、試料１（保持時間０時間）は０．６１ｃｍ3／ｇという相対的に高いメソ細孔容積を有した。細孔容積分布を図２に示す。
【０１６０】
実施例３
炭素材料のメソ細孔容積変動と保持時間との関係−試験２
例示の炭素材料の試料調製品４点を、実施例１及び２に記載の手順及び以下のパラメータに従って合成した。試薬は、下の表８に示す量で添加した。
【表８】
2021512190.tif 000015
【０１６１】
ホルムアルデヒドを除く全ての試薬を合わせ、５０℃まで加熱した。温度を４９〜５０℃に維持しながら、ホルムアルデヒド溶液を１４５分かけて反応器内にポンプ輸送した。得られた反応混合物を２５℃まで冷却した後、デカンテーションした。４点の試料調製品を、２０℃〜２５℃で０、１．７、３、及び５日間保持した。
上記の各保持時間の後、試料を９０℃に設定したオーブン内で硬化し、４８時間保持した。次いで、試料を冷却、破断し、管状炉内に入れ、窒素雰囲気下で乾燥及び熱分解した。
試料の熱分解は、窒素流下、２０℃で開始して９００℃まで４５分かけて昇温し、９００℃で更に６０分間保持して実施した。熱分解の間に、硬化ポリマー組成物は乾燥及び熱分解され、それによって、水分、酸素及び水素が除去されて、純粋な炭素材料を生じた。各試料について、得られたメソ細孔容積をガス吸着によって試験した。結果を下の表９及び図３に示す。
【表９】
2021512190.tif 000016
【０１６２】
上記の結果に示すように、保持時間が長いほど試料のメソ細孔容積が低くなり、試料５及び６（それぞれ保持時間０日及び１．７日）は、それぞれ０．７８ｃｍ3／ｇ及び０．６５３ｃｍ3／ｇという相対的に高いメソ細孔容積を有した。各例示的炭素材料の細孔容積分布を図４に示す。
【０１６３】
実施例４
様々な硬化昇温速度で調製した炭素材料
例示の炭素材料の試料調製品４点を、実施例１〜３に記載の手順及び以下のパラメータに従って合成した。試薬は、下の表１０に示す量で添加した。
【表１０】
2021512190.tif 000017
【０１６４】
ホルムアルデヒドを除く全ての試薬を合わせ、５０℃まで加熱した。温度を４９〜５０℃に維持しながら、ホルムアルデヒド溶液を１４５分かけて反応器内にポンプ輸送した。得られた混合物を、ホルムアルデヒド添加完了後、更に９５分間反応器内に維持した。得られた反応混合物を２５℃まで冷却した後、試料をデカンテーション及び保持し、温度を２０℃〜２５℃に１日維持した。
保持ステップの後、試料をオーブンに入れて硬化した。オーブンを２５℃の初期温度に設定し、１、３、１０及び１１０℃／時の昇温速度で９５℃まで昇温した。９５℃に達すると、各試料を９５℃で更に２４時間保持した。次いで、試料を冷却、破断し、管状炉内に入れ、窒素雰囲気下で乾燥及び熱分解した。
試料の熱分解は、窒素流下、２０℃で開始して９００℃まで４５分かけて昇温し、９００℃で更に６０分間保持して実施した。熱分解の間に、硬化ポリマー組成物は乾燥及び熱分解され、それによって、水分、酸素及び水素が除去されて、純粋な炭素材料を生じた。各試料について、得られたメソ細孔容積をガス吸着によって試験した。結果を下の表１１及び図５に示す。
【表１１】
2021512190.tif 000018
【０１６５】
上記の結果に示すように、昇温速度が遅いほど試料のメソ細孔容積が低くなり、試料１１（昇温速度１１０℃／時）は０．６３１８ｃｍ3／ｇという相対的に高いメソ細孔容積を有した。昇温速度が３℃／時より低い場合（即ち、試料９及び１０）、２Å〜２００Åの範囲には細孔性がほとんど残らなかった。各例示的炭素材料の細孔容積分布を図６に示す。
【０１６６】
実施例５
相対的細孔完全性の比較
試料を上記実施例３に下記の変更を加えて調製した。試料５及び８を、保持ステップ及び熱分解の後に回収した。試料５調製品を、それぞれ試料５Ａ及び５Ｂの２つの試料に分けた。試料８を同様に分けて試料８Ａ及び８Ｂを得た。
試料の熱分解の前に、試料５Ａを凍結乾燥して硬化ポリマー組成物から溶媒を除去したが、試料５Ｂについては行わなかった。いずれの試料も、その後、上記のように熱分解した。試料５Ａから得られた炭素材料は全細孔容積が０．８１ｃｍ3／ｇであったが、試料５Ｂから得られた炭素材料は全細孔容積が０．７８ｃｍ3／ｇであった。即ち、試料５Ｂは、相対的細孔完全性が０．９６であった。更に、試料５Ｂの細孔容積分布は、試料５Ａ（即ち、凍結乾燥あり）の細孔容積分布と比較して有意差を示さない。試料パラメータ及びメソ細孔容積の結果を下の表１２に示し、細孔容積分布を図７に示す。
【表１２】
2021512190.tif 000019
【０１６７】
試料８Ａを凍結乾燥して硬化ポリマー組成物から溶媒を除去したが、試料８Ｂは乾燥しなかった。いずれの試料も、その後、上記のように熱分解した。試料８Ａから得られた炭素材料は全細孔容積が０．５６ｃｍ3／ｇであったが、試料５Ｂから得られた炭素材料は全細孔容積が０．０２２ｃｍ3／ｇであった。即ち、試料８Ａは、相対的細孔完全性が０．０４であった。試料パラメータ及びメソ細孔容積の結果を下の表１３に示し、細孔容積分布を図８に示す。
【表１３】
2021512190.tif 000020
【０１６８】
実施例６
活性炭の製造
実施例１〜４に従って調製した熱分解炭素材料を、９００℃のバッチロータリーキルンで、ＣＯ2下、６６０分間活性化した。活性炭の表面積を、表面積及び多孔度分析装置を使用して、窒素表面分析により評価した。比表面積は、通常はＢＥＴ法を用いて測定し、通常はｍ2／ｇとして報告し、全細孔容積はｃｃ／ｇ又はｃｍ3／ｇとして報告し、タップ密度はｇ／ｃｃとして報告する。
活性炭材料の孔径分布は、熱分解炭素材料の孔径分布の測定に用いたＴｒｉｓｔａｒ  ３０２０より分解能が高い（より小さい孔径容積を検出する）ミクロ細孔対応アナライザであるｍｉｃｒｏｍｅｒｉｔｉｃｓ  ＡＳＡＰ２０２０で測定した。
活性炭材料についてのＤＦＴ累積容積プロットを使用して、ミクロ細孔に属する細孔容積とメソ細孔に属する細孔容積を決定できる。異なる特性（例えば、表面積、細孔構造等）を有する炭素材料は、上記の活性化条件（例えば、温度、時間等）を変えることで調製できる。
【０１６９】
実施例７
ジェットミルによる活性炭の微粉化
実施例５に従って調製した活性炭を、Ｊｅｔ  Ｐｕｌｖｅｒｉｚｅｒ  Ｍｉｃｒｏｎ  Ｍａｓｔｅｒ  ５０．８ｍｍ（２インチ）径ジェットミルを用いてジェットミル処理した。条件は、活性炭が毎時約０．３ｋｇ（０．７ｌｂ）、窒素ガス流が毎分約０．５６立方メートル（２０ｓｃｆ）、圧力が約０．７Ｍｐａ（１００ｐｓｉ）であった。ジェットミル後の平均粒径は、約８〜１０ミクロンである。
【０１７０】
実施例８
活性炭の純度分析
本明細書の一般的手順に従って調製した炭素試料の不純物含有量を、全反射蛍光Ｘ線（ＴＸＲＦ）によって調べた。ＴＸＲＦは、同時元素分析のための、業界標準で高感度かつ正確な測定法で、試料中の原子の励発によって特徴的なＸ線が発生し、これを検出し、その強度を確認しかつ定量化する。ＴＸＲＦは、１１〜９２（即ち、ナトリウムからウランまで）の範囲の原子番号を有する全ての元素の検出が可能である。
【０１７１】
実施例９
炭素材料の電気化学特性
炭素試料の電気化学性能（具体的には、ＥＤＬＣコインセルデバイスの電極材料としての特性）を分析した。電極の組み立て、ＥＤＬＣ、及びこれらの試験に関する具体的詳細を以下に記す。
キャパシタ電極は、９９質量部の炭素材料粒子（平均粒径５〜１５ミクロン）と１質量部のテフロンとを含む。この炭素とテフロンを、テフロンが十分に分散して複合物がある程度の物理的一体性を呈するまで、乳鉢と乳棒ですりつぶす。混合後、複合物を約５０ミクロン厚の平坦なシート状に圧延する。このシートから直径約１．５９ｃｍの電極ディスクを打ち抜く。電極を、ドライボックスに取り付けた真空オーブンに入れ、１９５℃で１２時間にわたって加熱する。これにより、電極調製中に大気から吸着された水を除去する。乾燥後、電極を室温まで冷まし、オーブン内の雰囲気をアルゴンで満たし、電極をドライボックスに入れて、そこでキャパシタを作製する。
炭素電極を、直径２．５４ｃｍ（１インチ）の炭素コーティングしたアルミホイルディスクと５０ミクロン厚のアルミニウムで熱融着したポリエチレンガスケットリングとで形成されたキャビティ内に入れる。次に、第２の電極を、同じ方法で調製する。アセトニトリル中に１．８Ｍのテトラエチレンアンモニウムテトラフルオロボラートを含む電解質２滴を各電極に加える。各電極を、直径約２．１０ｃｍ（０．８２５インチ）の多孔質ポリプロピレンセパレータで覆う。電極の半分２つを、対向するセパレータではさみ、構造全体を合わせてホットプレスする。
完成すると、キャパシタは、ポテンショスタット／関数発生器／周波数応答アナライザによる電気的試験ができる状態である。静電容量は、定電流放電法により測定した。この方法は電流パルスを既知の持続時間にわたって印加し、得られる電圧プロファイルを測定する。所与の時間及び終了電圧を選択し、Ｃ＝Ｉｔ／ΔＶ（式中、Ｃ＝静電容量、Ｉ＝電流、ｔ＝所望の電圧に到達するまでの時間、ΔＶ＝初期電圧と最終電圧との間の電圧差）から静電容量を計算する。この静電容量をそれぞれ質量及び容積で除算することにより、２つの炭素電極の質量及び容積に基づく比容量が得られる。
【０１７２】
実施例１０
炭素材料を含むキャパシタ電極の特性及び性能
上記の一般的手順に従って調製した炭素材料を、カーボネートベースの有機電解質を有する対称型電気化学キャパシタの電極としての特性及び性能について評価した。本材料を用いて組み立てた試験用キャパシタで、包括的な一連の特性及び性能の測定を実施した。
試料は、非常に粒状であり、比較的大きな粒子を含んでいた。結果として、評価のために形成したキャパシタの電極は、多孔質であり、非常に低密度（０．２９ｇ／ｃｍ3）である。本明細書に開示の方法の実施形態に従って調製した炭素材料は、質量ベースでは、市販デバイスと比べて非常に好ましい場合があり、これは主に、「ターンオン」周波数が比較的高いためである。本炭素材料の容積性能は、粉砕等の処理によって粒径を小さくすることで改善できると考えられる。
【０１７３】
試料調製は、６０℃で乾燥するステップと、炭素材料を約３．０質量％のテフロンバインダーと混合するステップとを含む。この混合物を十分に混ぜ合わせて、約０．０７６ｍｍ（０．００３インチ）厚の電極を形成する。この試料は、大きな粒子がかなりの割合を占め、多孔質で低密度の電極を生じるように見える場合がある。場合によっては、評価用として約０．０５ｍｍ（０．００２インチ）厚の電極を使用するが、この試料は、後続操作で要求される一体性を備えた状態ではこの薄さのシートに形成することができず、その結果、より厚みのある電極が調製される。このシート材料を鋼製ダイで打ち抜いて、直径約１．５８５ｃｍ（０．６２５インチ）のディスクを作製する。各材料の電極ディスク４つを、０．１ｍｇの精度で秤量する。最後の調製ステップとして、これらの電極を、真空条件下（機械式粗引きポンプ）で、１９５℃で１４時間にわたって乾燥する。
冷却後、（依然として真空下にある）電極を収容する真空容器を、ドライボックスに移す。その後の全ての組み立て作業をドライボックス内で実施する。電極ディスクを有機電解質に１０分間浸漬し、その後、セルに組み立てた。電解質は、１．０Ｍのテトラエチルアンモニウムテトラフルオロボラート（ＴＥＡＴＦＢ）塩を含む、プロピレンカーボネート（ＰＣ）とジメチルカーボネート（ＤＭＣ）との等体積混合物である。
２層の連続気泡発泡体型セパレータ材料を用いて、試験セルを作成した。この二重セパレータは、試験セル内で圧縮される前に約０．１ｍｍ（０．００４インチ）厚である。最初に、通常の単層のセパレータを使用して試験セルを作製するが、これらのセルは、おそらく電極内の微粒子が薄いセパレータに穴を開けるために漏れ電流が多かった。この試験セルの導電性フェースプレートは、（リチウムイオン電池業界で使用されているように）酸化を防止するための特殊な表面処理がなされたアルミニウム金属である。電解質適合性及び低水分透過性のために、熱可塑性エッジ封止材を選択し、ドライボックス内に直接配置したインパルスヒートシーラを用いて適用する。
実質的に同一の２つの試験セルを作製する。組み立てたセルを、試験のためにドライボックスから取り出す。金属板を各導電性フェースプレートにクランプで固定し、集電体として使用する。電極は各々約０．０７６ｍｍ（０．００３インチ）厚であり、セパレータは約０．１ｍｍ（０．００４インチ）厚（約０．０５ｍｍ（０．００２インチ）厚の材料の二重層）である。電極は、直径が約１．５８５ｃｍ（０．６２５インチ）である。キャパシタセルを１．０Ｖで１０分間コンディショニングしてから特性を測定し、次に、２．０Ｖで１０分間コンディショニングしてから特性を測定した。
【０１７４】
キャパシタセルの試験には、以下の試験機器を使用する。
１．周波数応答アナライザ（ＦＲＡ）、Ｓｏｌａｒｔｒｏｎ  ｍｏｄｅｌ  １２５０
ポテンショスタット／ガルバノスタット、ＰＡＲ２７３
２．デジタルマルチメーター、Ｋｅｉｔｈｌｅｙ  Ｍｏｄｅｌ  １９７
３．静電容量試験ボックス、Ｓ／Ｎ００５、５００Ω設定
４．ＲＣＬメーター、Ｐｈｉｌｉｐｓ  ＰＭ６３０３
５．電源、Ｈｅｗｌｅｔｔ−Ｐａｃｋａｒｄ  Ｍｏｄｅｌ  Ｅ３６１０Ａ
６．天秤、Ｍｅｔｔｌｅｒ  Ｈ１０
７．マイクロメーター、Ｂｒｏｗｎ／Ｓｈａｒｐ
８．漏れ電流計
９．電池／キャパシタ試験器、Ａｒｂｉｎ  Ｍｏｄｅｌ  ＥＶＴＳ
【０１７５】
全ての測定は、室温で実施する。試験用キャパシタを１．０Ｖでコンディショニングした後、短絡させて、以下の測定を実施する：ＲＣＬメーターを使用した１ｋＨｚ等価直列抵抗（ＥＳＲ）の測定、静電容量試験ボックスを使用した、５００Ω直列抵抗をつないで１．０Ｖにおける充電容量の測定、漏れ電流計を使用した０．５Ｖ及び１．０Ｖで３０分後の漏れ電流の測定、並びに電気化学インタフェース及びＦＲＡを１．０Ｖバイアス電圧で使用した電気化学インピーダンス分光法（ＥＩＳ）の測定。次に、試験用キャパシタを２．０Ｖでコンディショニングした後、短絡させて、以下の測定を実施する：ＲＣＬメーターを使用した１ｋＨｚ等価直列抵抗（ＥＳＲ）の測定、５００Ω直列抵抗をつないで２．０Ｖにおける充電容量の測定、漏れ電流計を使用した１．５Ｖ及び２．０Ｖで３０分後の漏れ電流の測定、２．０Ｖバイアス電圧におけるＥＩＳの測定。最後に、Ａｒｂｉｎを使用して、充放電測定を実施する。これらの測定は、１ｍＡ、５ｍＡ、及び１５ｍＡの電流での０．１Ｖと２．０Ｖとの間の定電流充放電サイクル、及び０．０１Ｗ〜０．２Ｗの電力レベルでの２．０Ｖと０．５Ｖとの間の定電流充電／定電力放電を含む。
【０１７６】
実施例１１
フェノール−レゾルシノール−ホルムアルデヒド細孔性炭素材料
下の表１４に記載の成分のうち、ホルムアルデヒド溶液を除く全てを２０ｃｍ3試験管に投入し、この混合物を３７℃に加熱し、撹拌して、プレポリマー組成物を調製することによって、５ｇのバッチのポリマー組成物を調製した。次いで、プレポリマー溶液成分が全て溶解した後、ホルムアルデヒド溶液を試験管に一度に添加した。溶液を３７℃で３時間保持し、３０分間かけて２０℃まで冷却し、２０℃で２０分間保持し、６時間かけて９５℃まで昇温し、９５℃で１２時間保持した。次いで、試験管から硬化ポリマー組成物を取り出し、管状炉内で熱分解した。
【表１４】
2021512190.tif 000021
【０１７７】
窒素は管状炉内を流れるように設定し、炉は２０℃から９００℃まで４５分かけて加熱し、その後９００℃で６０分間保持するように設定した。このステップの間に、硬化ポリマー組成物は乾燥及び熱分解され、水分、酸素及び水素が硬化ポリマー組成物から除去されて、炭素のみが残る。
比細孔容積は０．５５２ｃｍ3／ｇと測定され、表面積は６３８ｍ2／ｇであった。この孔径分布の結果は、窒素吸着によって求められたものであり、図１０に示す。
【０１７８】
実施例１２
活性メソ細孔炭素材料
ホルムアルデヒド溶液を除く全ての成分を１０ｍ3ケトルに投入し、撹拌しながら３７℃に加熱することによって、ポリマー組成物の７２００ｋｇのバッチを調製した。ホルムアルデヒド溶液は、１２０分かけて反応器にポンプ輸送し、その間、ケトルの冷却コイル内に冷水を流すことで反応器の温度を３６℃〜３８℃に維持した。ホルムアルデヒド添加の完了後、冷却の前に、得られた溶液をケトル内に更に５時間保持した。
溶液を２０℃まで冷却した後、２００Ｌドラムにデカンテーションした。
ドラムを室温で２．５日間保持した後、硬化オーブンに入れ、７５℃〜８０℃に自己加熱（即ち、発熱反応により加熱）した。
ドラムを９５℃に設定した硬化オーブン内に移動し、４８時間加熱した。硬化後、硬化ポリマー組成物を破砕し、ドラムから取り出し、回転式管状炉に供給して、窒素下で熱分解した。
【表１５】
2021512190.tif 000022
【０１７９】
比細孔容積は０．６３２ｃｍ3／ｇ（σ＝０．１７；測定数６）で、表面積は６６５ｍ2／ｇ（σ＝２１；測定数６）と求められた。炭素材料の孔径分布を窒素吸着によって決定した。その結果を図１１に示す。
次いで、炭素材料を、ＣＯ2流動床内で、８９０℃で３０時間活性化した。活性炭材料の比細孔容積は１．１７ｃｍ3／ｇ（σ＝０．１０；測定数６）で、表面積は１６４４ｍ2／ｇ（σ＝１１；測定数６）と求められた。炭素材料の孔径分布を窒素吸着によって決定した。その結果を図１２に示す。
【０１８０】
実施例１３
活性メソ細孔炭素材料
全ての成分（下の表１６に示す）をケトル内で混合し、３５℃に加熱した。温度を３５℃で１５５分間保持した。
【表１６】
2021512190.tif 000023
【０１８１】
反応混合物を、３５℃で、保持用の２５０ｍＬポリプロピレンボトルにデカンテーションした。デカンテーション時の反応混合物の屈折率（ＲＩ）は１．４２７１８であった。反応混合物が入ったポリプロピレンボトルを断熱箱に入れ、反応混合物の温度を、断熱箱とボトルとの間に挟んだ熱電対で観測した。反応混合物がポリマー組成物へと変換する間に、断熱箱内の反応混合物の温度は３時間かけて１１５℃まで上昇した。
約２４時間断熱箱内に置いた後、試料を破砕し、ポリプロピレンボトルから取り出して、１３ａと１３ｂの２つの試料に分けた。試料１３ａは管状炉に入れて窒素下で熱分解し、試料１４ｂは凍結乾燥機に入れて乾燥した後、管状炉に入れた。
これらの炭素の比細孔容積、孔径分布、及び表面積を、ガス吸着により試験した。試料１３ｂから得た炭素材料は、細孔容積が１．１１ｃｍ3／ｇであった。試料１３ａから得た炭素材料は、硬化ポリマー組成物の全質量に対する溶媒含有量が５９質量％の硬化ポリマー組成物から誘導されたもので、細孔容積が１．０７ｃｍ3／ｇ（即ち、細孔容積保持率９６％）であった。
【表１７】
2021512190.tif 000024
【０１８２】
図１３は、凍結乾燥した試料と凍結乾燥しなかった試料とを比較したときに、孔径分布の有意な移動はないことを示す。
【０１８３】
実施例１４
凍結乾燥なしの高細孔容積及び低細孔容積のポリマー
脱イオン水、レゾルシノール、酢酸アンモニウム、氷酢酸及びホルムアルデヒド（３７質量％ＤＩ水溶液、メタノール０％）を、下の表１８に記載の量で混合した。
【表１８】
2021512190.tif 000025
【０１８４】
試料１４ａは、４０℃で４時間保持し、その後４５℃／時の速度で９５℃まで昇温した。次いで、試料を９５℃で４時間保持した。
試料１４ｂは、４０℃で４時間保持し、次いで３０分かけて２０℃まで昇温した。これを２０℃で６３時間保持した。次いで、試料を３℃／時の昇温速度で９５℃まで加熱した。
完了後、試料を試験管から取り出して破砕した。次いで、これらの硬化ポリマー組成物の比細孔容積、孔径分布、及び表面積を、ガス吸着により測定した。試料１４ａは、細孔容積が１．１８ｃｍ3／ｇであった。試料１４ｂは、細孔容積が０．２７ｃｍ3／ｇであった。
【表１９】
2021512190.tif 000026
【０１８５】
図１４は、試料１４ａと１４ｂとの間の窒素吸着の差を示す。
【０１８６】
上記のさまざまな実施形態は、組合せてさらなる実施形態を提供することができる。本明細書に記載される及び／又は出願データシートに列記される全ての米国特許、米国特許出願公開、米国特許出願、外国特許、外国特許出願及び非特許刊行物は、２０１８年１月２４日出願の米国仮特許出願第６２／６２１，４６７号明細書を含めて、その全容が参照により本明細書に組み込まれている。実施形態の態様は、様々な特許、出願及び出版物の概念を用いて更なる実施形態を提供するために必要であれば、変更できる。上記の詳細な記述に照らして、実施形態にこれらの変更及びその他の変更を加えることができる。一般に、以下の特許請求の範囲において、使用される用語は、特許請求の範囲を、本明細書及び特許請求の範囲に開示される具体的な実施形態に限定するとみなされるべきではなく、全ての可能な実施形態を、かかる特許請求の範囲内の等価物の全範囲と共に包含するとみなされるべきである。従って、特許請求の範囲は開示によって制限されない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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