(57)【要約】低ガス発生特性を有するカーボン材料ならびにこれを含む電極および電気的エネルギー貯蔵装置、特に鉛−酸電池が提供される。本出願は、鉛酸電池および他の関連するエネルギー貯蔵システムに添加するためのカーボン系添加剤に関する。本明細書に開示されるカーボンは、既に記載されたカーボン系およびこの目的のために利用される他の添加剤にとって公知の問題であるガス発生に関して、非常に低いガス発生性を提供する一方で、例えば電荷受容性およびサイクル寿命の改善などの電気化学的特性を改善する。
2018536268.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉛を含む基材上の作用電極として、かつ硫酸を含む電解液の存在下で白金対向電極を利用してサイクリックボルタンメトリーにより試験をすると、Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して−１．６Ｖにおいて絶対値１０ｍＡ／ｍｇ未満の電流を備える、カーボン材料。
【請求項２】
鉛を含む基材上の作用電極として、かつ硫酸を含む電解液の存在下で白金対向電極を利用してサイクリックボルタンメトリーにより試験をすると、Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して−１．６Ｖにおいて絶対値５ｍＡ／ｍｇ未満の電流を備える、請求項１に記載のカーボン材料。
【請求項３】
鉛を含む基材上の作用電極として、かつ硫酸を含む電解液の存在下で白金対向電極を利用してサイクリックボルタンメトリーにより試験をすると、Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して−１．６Ｖにおいて絶対値３ｍＡ／ｍｇ未満の電流を備える、請求項１に記載のカーボン材料。
【請求項４】
鉛を含む基材上の作用電極として、かつ硫酸を含む電解液の存在下で白金対向電極を利用してサイクリックボルタンメトリーにより試験をすると、Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して−１．６Ｖにおいて絶対値２．５ｍＡ／ｍｇ未満の電流を備える、請求項１に記載のカーボン材料。
【請求項５】
鉛を含む基材上の作用電極として、かつ硫酸を含む電解液の存在下で白金対向電極を利用してサイクリックボルタンメトリーにより試験をすると、Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して−１．６Ｖにおいて絶対値２ｍＡ／ｍｇ未満の電流を備える、請求項１に記載のカーボン材料。
【請求項６】
鉛を含む基材上の作用電極として、かつ硫酸を含む電解液の存在下で白金対向電極を利用してサイクリックボルタンメトリーにより試験をすると、Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して−１．６Ｖにおいて絶対値１．５ｍＡ／ｍｇ未満の電流を備える、請求項１に記載のカーボン材料。
【請求項７】
鉛を含む基材上の作用電極として、かつ硫酸を含む電解液の存在下で白金対向電極を利用してサイクリックボルタンメトリーにより試験をすると、Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して−１．６Ｖにおいて絶対値１．０ｍＡ／ｍｇ未満の電流を備える、請求項１に記載のカーボン材料。
【請求項８】
前記カーボン材料が、鉛を含む基材上の作用電極として、かつ硫酸を含む電解液の存在下で白金対向電極を利用してサイクリックボルタンメトリーにより試験をすると、Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して−１．５５Ｖにおいて１００（ｍＡ／ｍｇ）／（Ｖ）未満を生じる、カーボン材料。
【請求項９】
前記カーボン材料が、鉛を含む基材上の作用電極として、かつ硫酸を含む電解液の存在下で白金対向電極を利用してサイクリックボルタンメトリーにより試験をすると、Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して−１．５５Ｖにおいて５０（ｍＡ／ｍｇ）／（Ｖ）未満を生じる、請求項８に記載のカーボン材料。
【請求項１０】
前記カーボン材料が、鉛を含む基材上の作用電極として、かつ硫酸を含む電解液の存在下で白金対向電極を利用してサイクリックボルタンメトリーにより試験をすると、Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して−１．５５Ｖにおいて３０（ｍＡ／ｍｇ）／（Ｖ）未満を生じる、請求項８に記載のカーボン材料。
【請求項１１】
前記カーボン材料が、鉛を含む基材上の作用電極として、かつ硫酸を含む電解液の存在下で白金対向電極を利用してサイクリックボルタンメトリーにより試験をすると、Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して−１．５５Ｖにおいて２５（ｍＡ／ｍｇ）／（Ｖ）未満を生じる、請求項８に記載のカーボン材料。
【請求項１２】
前記カーボン材料が、鉛を含む基材上の作用電極として、かつ硫酸を含む電解液の存在下で白金対向電極を利用してサイクリックボルタンメトリーにより試験をすると、Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して−１．５５Ｖにおいて２０（ｍＡ／ｍｇ）／（Ｖ）未満を生じる、請求項８に記載のカーボン材料。
【請求項１３】
前記カーボン材料が、鉛を含む基材上の作用電極として、かつ硫酸を含む電解液の存在下で白金対向電極を利用してサイクリックボルタンメトリーにより試験をすると、Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して−１．５５Ｖにおいて１０（ｍＡ／ｍｇ）／（Ｖ）未満を生じる、請求項８に記載のカーボン材料。
【請求項１４】
前記カーボン材料が、鉛を含む基材上の作用電極として、かつ硫酸を含む電解液の存在下で白金対向電極を利用してサイクリックボルタンメトリーにより試験をすると、Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して−１．５５Ｖにおいて５（ｍＡ／ｍｇ）／（Ｖ）未満を生じる、請求項８に記載のカーボン材料。
【請求項１５】
鉛を含む基材上の作用電極として、かつ硫酸を含む電解液の存在下で白金対向電極を利用してサイクリックボルタンメトリーにより試験をすると、Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して−１．５２Ｖにおいて２００（ｍＡ／ｍｇ）２／（Ｖ）未満を生じる、カーボン材料。
【請求項１６】
前記カーボン材料が、鉛を含む基材上の作用電極として、かつ硫酸を含む電解液の存在下で白金対向電極を利用してサイクリックボルタンメトリーにより試験をすると、Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して−１．５２Ｖにおいて１００（ｍＡ／ｍｇ）２／（Ｖ）未満を生じる、請求項１５に記載のカーボン材料。
【請求項１７】
前記カーボン材料が、鉛を含む基材上の作用電極として、かつ硫酸を含む電解液の存在下で白金対向電極を利用してサイクリックボルタンメトリーにより試験をすると、Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して−１．５２Ｖにおいて５０（ｍＡ／ｍｇ）２／（Ｖ）未満を生じる、請求項１５に記載のカーボン材料。
【請求項１８】
前記カーボン材料が、鉛を含む基材上の作用電極として、かつ硫酸を含む電解液の存在下で白金対向電極を利用してサイクリックボルタンメトリーにより試験をすると、Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して−１．５２Ｖにおいて４０（ｍＡ／ｍｇ）２／（Ｖ）未満を生じる、請求項１５に記載のカーボン材料。
【請求項１９】
前記カーボン材料が、鉛を含む基材上の作用電極として、かつ硫酸を含む電解液の存在下で白金対向電極を利用してサイクリックボルタンメトリーにより試験をすると、Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して−１．５２Ｖにおいて２０（ｍＡ／ｍｇ）２／（Ｖ）未満を生じる、請求項１５に記載のカーボン材料。
【請求項２０】
前記カーボン材料が、鉛を含む基材上の作用電極として、かつ硫酸を含む電解液の存在下で白金対向電極を利用してサイクリックボルタンメトリーにより試験をすると、Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して−１．５２Ｖにおいて１０（ｍＡ／ｍｇ）２／（Ｖ）未満を生じる、請求項１５に記載のカーボン材料。
【請求項２１】
前記カーボン材料が、鉛を含む基材上の作用電極として、かつ硫酸を含む電解液の存在下で白金対向電極を利用してサイクリックボルタンメトリーにより試験をすると、Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して−１．５２Ｖにおいて５（ｍＡ／ｍｇ）２／（Ｖ）未満を生じる、請求項１５に記載のカーボン材料。
【請求項２２】
鉛を含む基材上の作用電極として、かつ硫酸を含む電解液の存在下で白金対向電極を利用してサイクリックボルタンメトリーにより試験をすると、５：１未満の（Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して−１．６ＶにおけるｍＡ／ｍｇ電流）：（Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して１．２ＶにおけるｍＡ／ｍｇ電流）を生じるカーボン材料。
【請求項２３】
前記カーボン材料が、鉛を含む基材上の作用電極として、かつ硫酸を含む電解液の存在下で白金対向電極を利用してサイクリックボルタンメトリーにより試験をすると、４：１未満の（Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して−１．６ＶにおけるｍＡ／ｍｇ電流）：（Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して１．２ＶにおけるｍＡ／ｍｇ電流）を生じる、請求項２２に記載のカーボン材料。
【請求項２４】
前記カーボン材料が、鉛を含む基材上の作用電極として、かつ硫酸を含む電解液の存在下で白金対向電極を利用してサイクリックボルタンメトリーにより試験をすると、３：１未満の（Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して−１．６ＶにおけるｍＡ／ｍｇ電流）：（Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して１．２ＶにおけるｍＡ／ｍｇ電流）を生じる、請求項２２に記載のカーボン材料。
【請求項２５】
前記カーボン材料が、鉛を含む基材上の作用電極として、かつ硫酸を含む電解液の存在下で白金対向電極を利用してサイクリックボルタンメトリーにより試験をすると、２：１未満の（Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して−１．６ＶにおけるｍＡ／ｍｇ電流）：（Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して１．２ＶにおけるｍＡ／ｍｇ電流）を生じる、請求項２２に記載のカーボン材料。
【請求項２６】
鉛を含む基材上の作用電極として、かつ硫酸を含む電解液の存在下で白金対向電極を利用してサイクリックボルタンメトリーにより試験をすると、０．７５：１〜１．２５：１の間の（Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して−１．４ＶにおけるｍＡ／ｍｇ電流）：（Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して１．２ＶにおけるｍＡ／ｍｇ電流）を生じる、カーボン材料。
【請求項２７】
前記カーボン材料が、鉛を含む基材上の作用電極として、かつ硫酸を含む電解液の存在下で白金対向電極を利用してサイクリックボルタンメトリーにより試験をすると、０．８５：１〜１．１５：１の間の（Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して−１．４ＶにおけるｍＡ／ｍｇ電流）：（Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して１．２ＶにおけるｍＡ／ｍｇ電流）を生じる、請求項２６に記載のカーボン材料。
【請求項２８】
前記カーボン材料が、鉛を含む基材上の作用電極として、かつ硫酸を含む電解液の存在下で白金対向電極を利用してサイクリックボルタンメトリーにより試験をすると、０．９：１〜１．１：１の間の（Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して−１．４ＶにおけるｍＡ／ｍｇ電流）：（Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して１．２ＶにおけるｍＡ／ｍｇ電流）を生じる、請求項２６に記載のカーボン材料。
【請求項２９】
少なくとも１５重量％の窒素を含む、請求項１から２８のいずれか一項に記載のカーボン材料。
【請求項３０】
少なくとも３００ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を備える、請求項１から２９のいずれか一項に記載のカーボン材料。
【請求項３１】
少なくとも１５重量％の窒素を含み、かつ少なくとも３００ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を備える、カーボン材料。
【請求項３２】
１５重量％〜３０重量％の間の窒素を含む、請求項２９から３１のいずれか一項に記載のカーボン材料。
【請求項３３】
最大２０重量％の窒素を含む、請求項２９から３１のいずれか一項に記載のカーボン材料。
【請求項３４】
最大２０重量％〜２５重量％の窒素を含む、請求項２９から３１のいずれか一項に記載のカーボン材料。
【請求項３５】
５００ＰＰＭ未満の全不純物を含む、請求項１から３４のいずれか一項に記載のカーボン材料。
【請求項３６】
前記不純物が、１０よりも大きい原子番号を有する元素である、請求項３５に記載のカーボン材料。
【請求項３７】
鉄のレベルが３０ｐｐｍ未満の鉄であり、銅のレベルが３０ｐｐｍ未満であり、２０ｐｐｍ未満のニッケルであり、２０ｐｐｍ未満のマンガンであり、および１０ｐｐｍ未満の塩素である、請求項３５または３６に記載のカーボン材料。
【請求項３８】
２０オングストローム未満の細孔に属する前記カーボン材料の全表面積が、２０％〜６０％の範囲である、請求項１から３７のいずれかに記載のカーボン材料。
【請求項３９】
２０オングストローム未満の細孔に属する前記カーボン材料の全表面積が、４０％〜６０％の範囲である、請求項１から３７のいずれか一項に記載のカーボン材料。
【請求項４０】
２０オングストロームよりも大きい細孔に属する前記カーボン材料の全表面積が、６０％〜９９％の範囲である、請求項１から３７のいずれか一項に記載のカーボン材料。
【請求項４１】
２０オングストローム未満の細孔に属する前記カーボン材料の全表面積が、８０％〜９５％の範囲である、請求項１から３７のいずれかに記載のカーボン材料。
【請求項４２】
前記カーボンの灰含有量が、０．０３％未満である、請求項１から４１のいずれか一項に記載のカーボン材料。
【請求項４３】
前記カーボンの灰含有量が、０．０１％未満である、請求項１から４１のいずれか一項に記載のカーボン材料。
【請求項４４】
前記カーボン材料が、熱分解ポリマークリオゲルを含む、請求項１から４３のいずれか一項に記載のカーボン材料。
【請求項４５】
前記カーボン材料が、熱分解および活性ポリマークリオゲルを含む、請求項１から４３のいずれか一項に記載のカーボン材料。
【請求項４６】
前記カーボン材料が、熱分解ポリマーを含む、請求項１から４３のいずれか一項に記載のカーボン材料。
【請求項４７】
前記カーボン材料が、熱分解および活性ポリマーを含む、請求項１から４３のいずれか一項に記載のカーボン材料。
【請求項４８】
前記カーボン材料が、少なくとも１０００ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を備える、請求項１から４７に記載のカーボン材料。
【請求項４９】
前記カーボン材料が、少なくとも１５００ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を備える、請求項４８に記載のカーボン材料。
【請求項５０】
前記カーボン材料が、０．１〜０．３ｃｃ／ｇの間の全細孔容積を備える、請求項１から４９のいずれか一項に記載のカーボン材料。
【請求項５１】
前記カーボン材料が、０．３〜０．５ｃｃ／ｇの間の全細孔容積を備える、請求項１から４９のいずれか一項に記載のカーボン材料。
【請求項５２】
前記カーボン材料が、０．５〜０．７ｃｃ／ｇの間の全細孔容積を備える、請求項１から４９のいずれか一項に記載のカーボン材料。
【請求項５３】
前記カーボン材料が、０．７〜１．０ｃｃ／ｇの間の全細孔容積を備える、請求項１から４９のいずれか一項に記載のカーボン材料。
【請求項５４】
前記カーボン材料が、前記カーボン材料中の細孔容積の、０．６ｇ  Ｈ２Ｏ／ｃｃよりも大きい水吸収率を備える、請求項１から５３のいずれか一項に記載のカーボン材料。
【請求項５５】
前記カーボン材料が、前記カーボン材料中の細孔容積の、１．０ｇ  Ｈ２Ｏ／ｃｃよりも大きい水吸収率を備える、請求項１から５３のいずれか一項に記載のカーボン材料。
【請求項５６】
前記カーボン材料が、前記カーボン材料中の細孔容積の、２．０ｇ  Ｈ２Ｏ／ｃｃよりも大きい水吸収率を備える、請求項１から５３のいずれか一項に記載のカーボン材料。
【請求項５７】
前記カーボン材料が、０．４ｃｃ／ｇ〜１．４ｃｃ／ｇの範囲の細孔容積および約１０％〜１００％の範囲の相対湿度における０．２またはそれ未満のＲ因子を備える、請求項１から５６のいずれか一項に記載のカーボン材料。
【請求項５８】
前記カーボン材料が、０．６またはそれ未満のＲ因子を備える、請求項５７に記載のカーボン材料。
【請求項５９】
前記カーボン材料が、０．６ｃｃ／ｇ〜１．２ｃｃ／ｇの範囲の細孔容積を備える、請求項５７または５８に記載のカーボン材料。
【請求項６０】
前記カーボン材料が、７．５未満のｐＨを有する、請求項１から５９のいずれか一項に記載のカーボン材料。
【請求項６１】
前記カーボン材料が、ｐＨ３．０〜７．５の間のｐＨを有する、請求項１から５９のいずれか一項に記載のカーボン材料。
【請求項６２】
前記カーボン材料が、ｐＨ５．０〜７．０の間のｐＨを有する、請求項１から５９のいずれか一項に記載のカーボン材料。
【請求項６３】
１．０〜１０．０ｕｍの間のＤｖ，５０を備える、請求項１から６２のいずれか一項に記載のカーボン材料。
【請求項６４】
１０．０〜２０．０ｕｍの間のＤｖ，５０を備える、請求項１から６２のいずれか一項に記載のカーボン材料。
【請求項６５】
２０．０〜５０．０ｕｍの間のＤｖ，５０を備える、請求項１から６２のいずれか一項に記載のカーボン材料。
【請求項６６】
４０．０〜８０．０ｕｍの間のＤｖ，５０を備える、請求項１から６２のいずれか一項に記載のカーボン材料。
【請求項６７】
前記カーボン材料が、８５％よりも多いミクロ細孔、１５％未満のメソ細孔、および１％未満のマクロ細孔を含む、請求項１から６６のいずれか一項に記載のカーボン材料。
【請求項６８】
前記カーボン材料が、５０％未満のミクロ細孔、５０％よりも多いメソ細孔、および０．１％未満のマクロ細孔を含む、請求項１から６６のいずれか一項に記載のカーボン材料。
【請求項６９】
前記カーボン材料が、３０％未満のミクロ細孔および７０％よりも多いメソ細孔を含む、請求項１から６６のいずれか一項に記載のカーボン材料。
【請求項７０】
請求項１から６９のいずれか一項に記載のカーボン材料を含む、電気的エネルギー貯蔵装置。
【請求項７１】
前記装置が、
ａ）第１の集電体と電気的に接触している、第１の活物質を備える少なくとも１個の正電極；
ｂ）第２の集電体と電気的に接触している、第２の活物質を備える少なくとも１個の負電極；および
ｃ）電解液；
を備える電池であり、
前記正電極および前記負電極が、不活性多孔質のセパレータにより分離され、かつ前記第１または第２の活物質の少なくとも１つが、請求項１から６９のいずれか一項に記載のカーボン材料を含む、請求項７０に記載の装置。
【請求項７２】
前記カーボン材料が、前記負電極の０．１〜２％を構成する、請求項７１に記載の装置。
【請求項７３】
前記カーボン材料が、前記負電極の０．２〜１％を構成する、請求項７１に記載の装置。
【請求項７４】
前記カーボン材料が、前記負電極の０．３〜０．７％を構成する、請求項７１に記載の装置。
【請求項７５】
前記電解液が、硫酸および水を含む、請求項７１または７２に記載の装置。
【請求項７６】
前記電解液が、シリカゲルを含む、請求項７１から７４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項７７】
少なくとも１個の電極が、増量剤を更に含む、請求項７１から７６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項７８】
電気的エネルギー貯蔵装置における、請求項１から６９のいずれか一項に記載のカーボン材料の使用。
【請求項７９】
前記電気的エネルギー貯蔵装置が、電池である、請求項７８に記載の使用。
【請求項８０】
前記電気的エネルギー貯蔵装置が、ミクロハイブリッド、始動−停止ハイブリッド、マイルドハイブリッド車両、電気ターボチャージを備えた車両、回生制動を備えた車両、ハイブリッド車両、電気車両、例えばフォークリフト、電気二輪車、ゴルフ用カート、航空宇宙用途などの産業用動力、電力貯蔵および分配グリッド、太陽光または風力発電システム、例えば携帯型軍事用バックアップのための緊急時バックアップ、病院または軍事インフラストラクチャー、および製造バックアップなどの電力バックアップシステムまたはセルラータワー発電システムにある、請求項７８もしくは７９に記載の使用または請求項７０から７８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項８１】
電気的エネルギーの貯蔵および分配用の、請求項１から６９のいずれか一項に記載のカーボン材料を含む装置の使用。
【請求項８２】
前記装置が、電池である、請求項８１に記載の使用。
【請求項８３】
前記装置が、ミクロハイブリッド、始動−停止ハイブリッド、マイルドハイブリッド車両、電気ターボチャージを備えた車両、回生制動を備えた車両、ハイブリッド車両、電気車両、例えばフォークリフト、電気二輪車、ゴルフ用カート、航空宇宙用途などの産業用動力、電力貯蔵および分配グリッド、太陽光または風力発電システム、例えば携帯型軍事用バックアップのための緊急時バックアップ、病院または軍事インフラストラクチャー、および製造バックアップなどの電力バックアップシステムまたはセルラータワー発電システムにある、請求項８１または８２に記載の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
背景
技術分野
本出願は、鉛酸電池および他の関連するエネルギー貯蔵システムに添加するためのカーボン系添加剤に関する。本明細書に開示されるカーボンは、既に記載されたカーボン系およびこの目的のために利用される他の添加剤にとって公知の問題であるガス発生に関して、非常に低いガス発生性を提供する一方で、例えば電荷受容性およびサイクル寿命の改善などの電気化学的特性を改善する。
【背景技術】
【０００２】
関連技術の説明
鉛酸電池用途に関する現代の需要に応じるために、より高レベルの電荷受容性を達成し、システム効率を高め、かつ硫酸化またはデンドライト成長などの一般的な故障機構を遅らせるための解決策が必要とされる。現代の自動車では、多くの進歩したシステム（ナビゲーション、暖房装置、空調設備など）が、通常時にオルタネータが満充電することができるのを超えて、電気的エネルギー消費を増大させることがあり得る。部分充電状態（ＳＯＣ）において電池を維持し、かつ負極活物質（ＮＡＭ）における不可逆の硫酸化を回避するために、より高表面積および電荷受容性の増加が必要であり、カーボン系添加剤が解決策を提供することができる。
【０００３】
カーボンは、ペースト調製中に、カーボンナノチューブ、カーボンブラック、および活性カーボンを含む多様な形態でＮＡＭに添加されてきた。小重量百分率（例えば０．１〜５％）でＮＡＭに組み込まれると、カーボンは、２倍またはそれよりも大きく（２００％またはそれよりも大きく）、電荷受容性を増加させることができる。しかしながら、カーボンは、ガス発生傾向もまた増加させることがあり、この望ましくない結果は、カーボンが鉄などの不純物を含有する場合、これはより多くのガス放出および結果的に生じる水損失へとつながり得て、最終的に電池故障につながり更に深刻なものとなり得る。このカーボンのガス発生課題を解決することは、鉛−酸電池および関連する電池システムにおける添加剤としてのカーボンの有用性を改善するには欠くことのできないものである。本開示は、この必要性を満足させる。
【０００４】
従来の鉛−酸エネルギー貯蔵装置は、限られた活性寿命および電力性能を有し得る。カーボンまたは鉛−酸電極のいずれかを利用する複合型エネルギー貯蔵装置（しかし同一電極におけるそれらの組合せではない）は、従来の鉛−酸装置を超えるいくつかの改善および利点をもたらし得る；しかしながら、それらの活性寿命、エネルギー容量および電力性能も同じく制限される場合がある。例えば、二酸化鉛系正電極は、複数の充電／放電サイクル後に、活性二酸化鉛ペーストと集電体グリッドとの電子接触が失われることに起因して消耗することが多い。加えて、集電体（グリッドとも表される）の腐食により、正極板上の抵抗が増加し、電池故障へとつながる場合もある。
【０００５】
これらの装置の負電極もまた、複数の充電／放電サイクルに伴い劣化するが、正電極とは異なる機構による。放電の際に硫酸鉛結晶が形成され、これらの結晶の溶解がセル再充電可能性に不可欠である。電池は正常な電池機能のために部分充電状態を維持する必要があるため、これらの硫酸塩結晶の大きさが増加し、これが負極板の「高密度化」へとつながり、結果的に、電荷受容性の低下、電池抵抗の増加および容量の損失に至る。加えて、鉛電極の低表面積のために、より大きい硫酸塩結晶がもたらされ、このため、これらの装置の電力性能およびサイクル寿命が制限される。
【０００６】
カーボンは、電荷受容性を改善しかつサイクル寿命を改善する可能性を有する、鉛酸電池および他の関連するシステムに対する添加剤として、当技術分野で確立されてきた。しかし、添加剤として使用される全てのカーボン材料は、ガス発生の増加という否定的な副反応に苦慮している。鉛酸電池におけるガス発生は、水分解が熱力学的に好ましい電圧窓における電池作動の結果としての、負極板および正極板からのそれぞれ水素および酸素ガスの発生である。典型的には、鉛酸および関連する電池システムの作動は、例えばハイブリッド電気車両の状況において、部分充電および放電という状態で、高電流を伴い起きる。高率放電はエンジンクランキングに関連し、高率充電は回生制動に関連する。これらの高電流パルスは、ガス発生反応の著しい増加をもたらす場合がある。ガス発生により、硫酸電解液の水含有量の減少、酸濃度の増加−および結果としての充電効率の低下−につながり、かつ悪化状態において、完全に電池のドライアウトに至る。これは電池故障機構だけでなく、この状態の電池は発火する恐れがあるため、安全性の問題でもある。電池性能（特に部分充電状態適用における電荷受容性およびサイクル寿命）を改善する解決策を導入し、一方、低ガス発生性（したがって、電池からの水損失の低下）を維持することも、全ての電池製造業者の利益にかなうことである。
【０００７】
カーボン材料を負極ペーストに添加する主な理由は、極板の表面積を増加させることである。これにより、電荷受容性の増加およびサイクル寿命の延長が可能となるが、しかしながら、負極板での水素発生も増加する。極板の表面積増加により、電気化学的に活性の表面積の増加がもたらされ、これは水素ガスの生成のためのより大きい反応部位を可能にする。加えて、鉛表面におけるよりも、カーボン表面ではより低い電位で水素放出反応が起きる。そのため、カーボン添加の当然の結果として、負極板における水素発生は増加する。今日まで、カーボンは、負極板に添加されると、鉛酸電池のプラスの性能特質を高めることが証明されてきたが、電荷受容性の増加およびサイクル寿命の改善という利点を提供し得るが、一方、高ガス発生性を呈さないカーボン系添加剤を特定することは困難であると判明していた。
【０００８】
複合型鉛−カーボンエネルギー貯蔵装置に使用されるカーボン材料の改善に対する必要性が認識されてきたけれども、電荷受容性およびサイクル寿命を改善するが、一方、低ガス発生性をもたらすと確認されたカーボンベースの解決策は、これまでのところ存在しない。したがって、複合型鉛−カーボン電気的エネルギー貯蔵装置に使用される電極材料の改善、ならびにこれを作製する方法、およびこれを含む装置に対する当技術分野における必要性は継続して存在する。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】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
概要
概括的な言葉で、本発明は、カーボン粒子と鉛粒子との物理的ブレンドを利用し、鉛酸電池システムの状況における低ガス発生性ならびに高サイクル寿命および電荷受容性などの他の望ましい電気化学的特性を呈するエネルギー貯蔵および分配用の組成物ならびに装置に関する。鉛と低ガス発生性カーボン材料とのこれらのブレンドは、複合型カーボン−鉛エネルギー貯蔵装置における使用に好適な望ましい電気化学的特性を呈する。いくつかの実施形態では、低ガス発生性カーボン粒子は、熱分解カーボン粒子または活性カーボン粒子である。特定の実施形態では、低ガス発生性カーボン粒子は、超高純度である。他の実施形態では、低ガス発生性カーボン粒子は、１０００ＰＰＭよりも多い全ＰＩＸＥ不純物含有量を含む（すなわち、「非超高純度」）。低ガス発生性カーボン材料はまた、特定の添加剤も含み得る。
【００１０】
したがって、一実施形態では、本発明は、鉛酸電池システムおよび関連する電池システムにおいて利用するための低ガス発生性カーボン添加剤を提供し、前記カーボン材料は、既知の材料と比較して非常に低レベルのガス生成をもたらす一方、特定の電気化学的強化、詳細には電荷受容性の増加を提供する。これらの新規な、低ガス発生性カーボン系添加剤は、本明細書に記載される多様な方法により生成され得る。
【００１１】
低ガス発生性のカーボン−鉛ブレンドを含む負極活物質もまた提供する。更に、負極活物質を含むエネルギー貯蔵装置もまた提供する。加えて、新規な組成物および装置を使用する方法もまた提供する。
【００１２】
いくつかの実施形態では、本発明は、鉛を含む基材上の作用電極として、かつ硫酸を含む電解液の存在下で白金対向電極を利用してサイクリックボルタンメトリーにより試験をすると、Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して−１．６Ｖにおいて絶対値１０ｍＡ／ｍｇ未満の電流を備える、カーボン材料を提供する。
【００１３】
他の実施形態では、鉛を含む基材上の作用電極として、かつ硫酸を含む電解液の存在下で白金対向電極を利用してサイクリックボルタンメトリーにより試験をすると、Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して−１．５５Ｖにおいて１００（ｍＡ／ｍｇ）／（Ｖ）未満を生じる、カーボン材料を提供する。
【００１４】
いくつかの他の実施形態では、本発明は、鉛を含む基材上の作用電極として、かつ硫酸を含む電解液の存在下で白金対向電極を利用してサイクリックボルタンメトリーにより試験をすると、Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して−１．５２Ｖにおいて２００（ｍＡ／ｍｇ）２／（Ｖ）未満を生じる、カーボン材料を含む。
【００１５】
異なる実施形態では、鉛を含む基材上の作用電極として、かつ硫酸を含む電解液の存在下で白金対向電極を利用してサイクリックボルタンメトリーにより試験をすると、５：１未満の（Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して−１．６ＶにおけるｍＡ／ｍｇ電流）：（Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して１．２ＶにおけるｍＡ／ｍｇ電流）を生じる、カーボン材料を提供する。
【００１６】
より多くの実施形態では、鉛を含む基材上の作用電極として、かつ硫酸を含む電解液の存在下で白金対向電極を利用してサイクリックボルタンメトリーにより試験をすると、０．７５：１〜１．２５：１の間の（Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して−１．４ＶにおけるｍＡ／ｍｇ電流）：（Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して１．２ＶにおけるｍＡ／ｍｇ電流）を生じる、カーボン材料を提供する。
【００１７】
また異なる実施形態では、本発明は、少なくとも１５重量％の窒素を含みかつ少なくとも３００ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を備えるカーボン材料に関する。
【００１８】
本開示の任意のカーボン材料を含む電気的エネルギー貯蔵装置、ならびに電気的エネルギーの貯蔵および分配用の本開示のカーボン材料の使用もまた提供する。
【００１９】
本発明のこれらのおよび他の態様は、以下の詳細な説明に対する参照時に明白となる。この目的を達成するために、より詳細な特定の背景情報、手順、化合物および／または組成物を記載する様々な参照が本明細書に明示され、かつその全容が参照により本明細書に組み込まれている。
【００２０】
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および相対位置は、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、任意に拡大され位置している。更に、描かれた要素の特有の形状は、特有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、図を容易に認識するために単に選択されたものである。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、市販のカーボンブラックおよびカーボン１７−１の、電圧の関数としての正規化されたガス発生電流を比較する。
【００２２】
【図２】図２は、２．４および２．６７Ｖにおいて測定した、カーボン１７−１および市販のカーボンブラックに関する、時間の関数としての重量正規のガス発生電流の比較を示す。
【００２３】
【図３】図３は、カーボン１７−１および市販のカーボンブラックに関する、時間の関数としての正規化された電荷受容性のプロットである。
【００２４】
【図４】図４は、カーボン１７−９およびカーボン１７−２４の細孔サイズ分布を示す。
【００２５】
【図５】図５は、カーボン１７−２５、カーボン１７−２６、およびカーボン１７−２７を比較する熱重量分析（ＴＧＡ）結果である。
【００２６】
【図６】図６は、カーボン１７−１（小粒度）、カーボン１７−１０（微粉化、ふるい分けなし）、カーボン１７−２０（中間粒度）、およびカーボン１７−２３（２１２μｍふるいを通過）のカーボンスラリーに関する、サイクリックボルタンメトリー結果のプロットを示す。
【００２７】
【図７】図７は、硫酸を用いた処理後のカーボン１７−１５、熱処理後のカーボン１７−１６、および未処理のカーボン１７−２３のボルタモグラムを示す。
【００２８】
【図８】図８は、２Ｖセルを使用したサイクリックボルタンメトリーにより測定した、ガス発生レベルを表す。
【００２９】
【図９】図９は、熱分解の異なる方法を使用して調製したカーボン材料に関する、サイクリックボルタンメトリーにより測定したガス発生電流を例証する。
【００３０】
【図１０】図１０は、尿素を使用して調製したカーボンに関する、サイクリックボルタンメトリーにより測定した、ガス発生電流の比較を示す。
【００３１】
【図１１】図１１は、カーボンを過酸化物で処理したときの、ガス発生特性の増加を示すプロットである。
【００３２】
【図１２】図１２は、窒素に富むポリマーゲルを用いて調製した熱分解カーボンを比較する、サイクリックボルタンメトリー結果を示す。
【００３３】
【図１３】図１３は、サイクリックボルタンメトリーを使用した、窒素に富むポリマーゲルを使用して調製したカーボンに対する尿素処理の影響を例証する。
【００３４】
【図１４】図１４は、カーボン１７−９に関して、サイクリックボルタンメトリーを介して測定した低ガス発生性の一次導関数および二次導関数のプロットを表す。
【００３５】
【図１５】図１５は、カーボン１７−１６に関して、サイクリックボルタンメトリーを介して測定した低ガス発生性の一次導関数および二次導関数のプロットを表す。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
詳細な説明
以下の記載において、様々な実施形態の十分な理解をもたらすに、特定の明確な詳細を明示する。しかしながら、本発明はこれらの詳細なしに実施され得ることを、当業者は理解する。他の場合では、周知の構造は、実施形態の無用の不明瞭な記載を回避するために、示されないかまたは詳細は記載されない。文脈上他に要求されない限り、続く本明細書および特許請求の範囲の全体を通して、語「含む（comprise）」およびそれらの変形である「含む（comprises）」および「含んでいる（comprising）」などは、包括的に、すなわち、「含んでいるが、それに限定されない（including,  but  not  limited  to）」というオープンな意味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表題は、単に便宜上のものであり、特許請求された本発明の範囲または意味を解釈するものではない。
【００３７】
本明細書の全体を通して、「一実施形態（one  embodiment）」または「ある実施形態（an  embodiment）」の指示内容は、実施形態と関連して記載される特有の特色、構造または特徴が、少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、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」または「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示している必要はない。更に、特有の特色、構造、または特徴は、任意の好適な手法で、１つまたはそれより多くの実施形態と組み合わせられ得る。また、本明細書および添付の特許請求の範囲で使用するとき、単数形「ａ」「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、内容によってそうでない旨が明らかに示されない限り、複数の指示内容を含む。用語「または」は、内容によってそうでない旨が明らかに示されない限り、「および／または」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。
定義
【００３８】
本明細書で使用するとき、状況によってそうでない旨が明らかに示されない限り、以下の用語は下に規定される意味を有する。
【００３９】
「絶対値」とは、その符号を考慮に入れることなく、実数の大きさを指す。例えば、−５ｍＡ／ｍｇの電流は、５ｍＡ／ｍｇの絶対値に相当する。
【００４０】
「カーボン材料（ｃａｒｂｏｎ  ｍａｔｅｒｉａｌ）」とは、実質的に炭素からなる材料または物質を指す。カーボン材料は、超高純度ならびに非晶質および結晶性のカーボン材料を含む。カーボン材料の例として、活性カーボン、熱分解乾燥ポリマーゲル、熱分解ポリマークリオゲル、熱分解ポリマーキセロゲル、熱分解ポリマーエアロゲル、活性乾燥ポリマーゲル、活性ポリマークリオゲル、活性ポリマーキセロゲル、および活性ポリマーエアロゲルなどが挙げられるが、これらに限定されない。
【００４１】
「非晶質」とは、その構成原子、分子、またはイオンが、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、例えば非晶質カーボン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（すなわち、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。熱分解および／または活性カーボン材料は、一般に非晶質である。
【００４２】
「結晶性」とは、その構成原子、分子、またはイオンが、秩序ある繰り返しパターンに配置している材料を指す。結晶性カーボン材料の例として、ダイヤモンドおよびグラフェンが挙げられるが、これらに限定されない。
【００４３】
「合成（の）」とは、天然源からではなく、化学的手段により調製された物質を指す。例えば、合成カーボン材料は、前駆物質から合成されたものであり、天然源から単離されたものではない。
【００４４】
「不純物」または「不純物元素」とは、主材料の化学的組成物とは異なる、材料内の所望されない外来物質（例えば、化学元素）を指す。例えば、カーボン材料中の不純物とは、カーボン材料中に存在する、炭素以外の任意の元素また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。
【００４５】
「ＰＩＸＥ不純物」または「ＰＩＸＥ元素」は、１１〜９２（すなわち、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」および「全ＰＩＸＥ不純物レベル」は両方とも、例えばポリマーゲルまたはカーボン材料のような試料中に存在する全てのＰＩＸＥ不純物の総計を指す。電気化学的改質剤は、カーボン材料の所望の構成要素であるため、ＰＩＸＥ不純物とは考えられていない。例えば、いくつかの実施形態では、例えば鉛のような元素が意図的にカーボン材料に添加され得て、ＰＩＸＥ不純物とは考えられず、一方、他の実施形態では、同一の元素が所望され得ず、カーボン材料中に存在する場合は、ＰＩＸＥ不純物と考えられる。ＰＩＸＥ不純物濃度および固有情報は、プロトン励起ｘ線放射（ＰＩＸＥ）により決定され得る。
【００４６】
「ＴＸＲＦ不純物」または「ＴＸＲＦ元素」とは全反射蛍光Ｘ線分析（ＴＸＲＦ）により検出された任意の不純物または任意の元素を指す。語句「全ＴＸＲＦ不純物含有量」および「全ＴＧＸＲＦ不純物レベル」は両方とも、例えばポリマーゲルまたはカーボン材料のような試料中に存在する全てのＴＸＲＦ不純物の総計を指す。電気化学的改質剤は、カーボン材料の所望の構成要素であるため、ＴＸＲＦ不純物とは考えられていない。例えば、いくつかの実施形態では、例えば鉛のような元素が意図的にカーボン材料に添加され得て、ＴＸＲＦ不純物とは考えられず、一方、他の実施形態では、同一の元素が所望され得ず、カーボン材料中に存在する場合は、ＴＸＲＦ不純物と考えられる。
【００４７】
「超高純度（ｕｌｔｒａｐｕｒｅ）」とは、０．０１０％未満の全ＰＩＸＥ不純物含有量または全ＴＸＲＦ不純物含有量を有する物質を指す。例えば、「超高純度カーボン材料」は、０．０１０％未満の全ＰＩＸＥ不純物含有量または０．０１０％未満の全ＴＸＲＦ不純物含有量（すなわち、１０００ｐｐｍ）を有するカーボン材料である。
【００４８】
「灰含有量」とは、物質に高分解温度を施した後、残存する不揮発性無機物を指す。本明細書では、カーボン材料の灰含有量は、不揮発性要素が完全に予期される燃焼生成物（すなわち、酸化物）に変換したと仮定して、プロトン励起ｘ線放射により測定された全ＰＩＸＥ不純物含有量または全反射蛍光Ｘ線分析により測定された全ＴＸＲＦ不純物含有量から算出される。
【００４９】
「ポリマー」とは、２つまたはそれより多くの構造的繰り返し単位からなる巨大分子を指す。
【００５０】
「合成ポリマー前駆物質」または「ポリマー前駆体」とは、合成ポリマーの調製において使用される化合物を指す。本明細書に開示される調製の、特定の実施形態において使用され得るポリマー前駆体の例として、アルデヒド（すなわち、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；ベンズアルデヒドおよびシンナムアルデヒドなどが挙げられるが、これらに限定されない。他の例示的ポリマー前駆体として、フェノールなどのフェノール類化合物ならびにジヒドロキシベンゼンまたはトリヒドロキシベンゼンなどのポリヒドロキシベンゼン、例えば、レソルシノール（すなわち、１，３−ジヒドロキシベンゼン）、カテコール、ヒドロキノン、およ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つまたはそれより多くのポリヒドロキシベンゼンの混合物もまた、ポリマー前駆体の意味内に意図される。
【００５１】
「モノリシック」とは、本来は微粒子ではない固体の三次元構造を指す。
【００５２】
「ゾル」とは、前駆体粒子（例えば、ポリマー前駆体）のコロイド懸濁液を指し、用語「ゲル」とは、前駆体粒子の濃縮または反応により得られる湿性の三次元多孔質ネットワークを指す。
【００５３】
「ポリマーゲル」とは、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、合成前駆体またはポリマー前駆体から形成されるポリマーからなる、湿性（水性または非水性をベースとする）の三次元構造である。
【００５４】
「ゾルゲル」とは、ポリマーが、ポリマー前駆体の反応により得られる湿性の三次元多孔質ネットワークを形成するコロイド懸濁液である、ポリマーゲルのサブクラスを指す。
【００５５】
「ポリマーヒドロゲル」または「ヒドロゲル」とは、合成前駆体またはモノマー用の溶媒が、水または水と１つもしくはそれより多くの水混和性溶媒との混合物である、ポリマーゲルまたはゲルのサブクラスを指す。
【００５６】
「カーボンヒドロゲル」とは、合成ポリマー前駆体が、主として本来は有機物である、ヒドロゲルのサブクラスを指す。
【００５７】
「ＲＦポリマーヒドロゲル」とは、ポリマーが、水または水と１つもしくはそれより多くの水混和性溶媒との混合物中でのレソ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、ポリマーゲルのサブクラスを指す。
【００５８】
「酸」とは、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、ブレンステッド酸およびルイス酸を含む。「固体酸」とは、溶媒に溶解すると酸性溶液を生じる、乾燥しているかまたは細粒の化合物を指す。用語「酸性」とは、酸の特性を有することを意味する。
【００５９】
「塩基」とは、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およびルイス塩基を含む。「固体塩基」とは、溶媒に溶解すると塩基性溶液を生じる、乾燥しているかまたは細粒の化合物を指す。用語「塩基性」とは、塩基の特性を有することを意味する。
【００６０】
「混合溶媒系」とは、例えば２つまたはそれより多くの混和性溶媒のような、２つまたはそれより多くの溶媒からなる溶媒系を指す。ニ元溶媒系（すなわち、２つの溶媒を含有する）の例として、水および酢酸；水およびギ酸；水およびプロピオン酸；ならびに水および酪酸などが挙げられるが、これらに限定されない。三元溶媒系（すなわち、３つの溶媒を含有する）の例として、水、酢酸、およびエタノール；水、酢酸およびアセトン；水、酢酸、およびギ酸；ならびに水、酢酸、およびプロピオン酸；などが挙げられるが、これらに限定されない。本発明は、２つまたはそれより多くの溶媒を含む全ての混合溶媒系を意図する。
【００６１】
「混和性（ｍｉｓｃｉｂｌｅ）」とは、混合物が、特定の範囲の温度、圧力、および組成物にわたり、単一相を形成する混合物の特性を指す。
【００６２】
「触媒」とは、化学反応の速度を変える物質である。触媒は、触媒が循環的に再生されるような循環様式で反応に加わる。本開示は、ナトリウムを含まない触媒を意図する。本明細書に記載される超高純度ポリマーゲルの調製において使用される触媒は、超高純度ポリマーゲルを形成するポリマー前駆体の重合を促進する任意の化合物であり得る。「揮発性触媒」は、大気圧かまたはそれ未満において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、炭酸アンモニウム、水酸化アンモニウム、およびこれらの組合せなど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。一般に、このような触媒は、１０：１〜２０００：１のフェノール類化合物：触媒のモル比の範囲において使用される。典型的には、このような触媒は、２０：１〜２００：１のフェノール類化合物：触媒のモル比の範囲において使用され得る。例えば、このような触媒は、２５：１〜１００：１のフェノール類化合物：触媒のモル比の範囲において使用され得る。
【００６３】
「溶媒」とは、反応物（例えば、超高純度ポリマー前駆体）を溶解させるかまたは懸濁させ、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、超高純度ポリマーゲル、超高純度合成カーボン材料および超高純度合成非晶質カーボン材料の調製において有用な溶媒の例として、水、アルコールおよ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。例示的アルコールとして、エタノール、ｔ−ブタノール、メタノールおよびこれらの混合物が挙げられる。このような溶媒は、例えばフェノール類化合物またはアルデヒド化合物の溶解のような、合成超高純度ポリマー前駆物質の溶解に有用である。加えて、いくつかのプロセスでは、このような溶媒は、ポリマーヒドロゲルにおける溶媒交換に利用され（凍結および乾燥の前に）、例えばレソルシノールおよびホルムアルデヒドのような、前駆体の重合からの溶媒は、純粋アルコールと交換される。本出願の一実施形態では、クリオゲルは、溶媒交換を含まないプロセスにより調製される。
【００６４】
「乾燥ゲル」または「乾燥ポリマーゲル」とは、そこから溶媒、一般に水、または水と１つもしくはそれより多くの水混和性溶媒との混合物が実質的に除去された、それぞれ、ゲルまたはポリマーゲルを指す。
【００６５】
「熱分解乾燥ポリマーゲル」とは、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、一方、「活性乾燥ポリマーゲル」とは、活性化された乾燥ポリマーゲルを指す。
【００６６】
「クリオゲル」とは、フリーズドライにより乾燥された乾燥ゲルを指す。
【００６７】
「ＲＦクリオゲル」とは、ゲルが、レソ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、フリーズドライにより乾燥された乾燥ゲルを指す。
【００６８】
「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。
【００６９】
「活性クリオゲル」は、活性カーボン材料を得るために活性化されたクリオゲルである。
【００７０】
「キセロゲル」とは、例えば大気圧またはそれ未満において、空気乾燥により乾燥された乾燥ゲルを指す。
【００７１】
「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。
【００７２】
「活性キセロゲル」は、活性カーボン材料を得るために活性化されたキセロゲルである。
【００７３】
「エアロゲル」とは、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。
【００７４】
「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。
【００７５】
「活性エアロゲル」は、活性カーボン材料を得るために活性化されたエアロゲルである。
【００７６】
「活性化する（ａｃｔｉｖａｔｅ）」および「活性化（ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ）」とは、それぞれ、原材料または炭化／熱分解物質を、活性化滞留温度において酸化雰囲気（例えば、二酸化炭素、酸素、蒸気またはこれらの組合せ）に曝露中に、加熱して、「活性」物質（例えば、活性クリオゲルまたは活性カーボン材料）を生成するプロセスを指す。活性化プロセスは、一般に、結果的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、例えば、カーボン含有の前駆物質を、リン酸のような酸または水酸化カリウム、水酸化ナトリウムのような塩基または塩化亜鉛のような塩などの化学物質を用いて含浸することにより、続いて炭化により遂行され得る。「活性化（ａｃｔｉｖａｔｅｄ）」とは、活性化プロセスを経た、例えばカーボン材料のような材料または物質を指す。
【００７７】
「炭化すること（ｃａｒｂｏｎｉｚｉｎｇ）」、「熱分解すること（ｐｙｒｏｌｙｚｉｎｇ）」、「炭化（ｃａｒｂｏｎｉｚａｔｉｏｎ）」および「熱分解（ｐｙｒｏｌｙｓｉｓ）」とは、それぞれ、プロセスの最後に収集される目的とする材料が主にカーボンであるように、熱分解滞留温度において不活性雰囲気下で（例えば、アルゴン、窒素もしくはこれらの組合せ）または真空中で、カーボン含有の物質を加熱するプロセスを指す。「熱分解物」とは、熱分解プロセスを経た、例えばカーボン材料のような材料または物質を指す。
【００７８】
「滞留温度（ｄｗｅｌｌ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）」とは、相対的に一定の温度を維持するために保持される、プロセス部分中の炉の温度（すなわち、増加することも減少することもない温度）を指す。例えば、熱分解滞留温度とは、熱分解中の炉の相対的に一定の温度を指し、活性化滞留温度とは、活性化中の炉の相対的に一定の温度を指す。
【００７９】
「細孔」とは、表面における開口もしくはくぼみ、または例えば、活性カーボン、熱分解乾燥ポリマーゲル、熱分解ポリマークリオゲル、熱分解ポリマーキセロゲル、熱分解ポリマーエアロゲル、活性乾燥ポリマーゲル、活性ポリマークリオゲル、活性ポリマーキセロゲル、および活性ポリマーエアロゲルなどのカーボン材料中の貫通孔（tunnel）を指す。細孔は、単一の貫通孔か、また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。
【００８０】
「細孔構造」とは、活性カーボン材料などのカーボン材料内の内部細孔の表面のレイアウトを指す。細孔構造の成分として、細孔サイズ、細孔容積、表面積、密度、細孔サイズ分布および細孔長さが挙げられる。一般に、活性カーボン材料の細孔構造は、ミクロ細孔およびメソ細孔を含む。
【００８１】
「メソ細孔」とは、一般に、約２ナノメートル〜約５０ナノメートルの間の直径を有する細孔を指し、一方、用語「ミクロ細孔」とは、約２ナノメートル未満の直径を有する細孔を指す。メソ細孔カーボン材料は、その全細孔容積の５０％よりも多いメソ細孔を含み、一方、ミクロ細孔カーボン材料は、その全細孔容積の５０％よりも多いミクロ細孔を含む。
【００８２】
「表面積」とは、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、例えば窒素のような不活性ガスを利用して、材料上に吸着されたガスの量を測定し、材料の到達可能な表面積を決定するために、当技術分野で一般的に使用される。
【００８３】
「連結した（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」とは、メソ細孔およ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配列を指す。
【００８４】
「有効長さ」とは、電解液から塩イオンを受け取るのに利用できるように十分な直径である、細孔の長さ部分を指す。
【００８５】
「電極」とは、それを通して、電気が、物体、物質または区域に流れて入るかまたはそこから出ていく伝導体を指す。
【００８６】
「結合剤」とは、結合剤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、ディスクまたは他の形状に形成され得るように、物質（例えば、カーボン材料）の個々の粒子を共に保持することが可能な材料を指す。結合剤の非限定的な例として、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および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およびＣＴＦＥとして販売）、トリフルオロエタノールならびにこれらの組合せなどのフッ素ポリマーが挙げられる。
【００８７】
「増量剤（ｅｘｐａｎｄｅｒ）」とは、カーボン−鉛ブレンドの電気化学的および物理的特性を調整するために使用される添加剤を指す。増量剤は、カーボン−鉛ブレンドを含む電極中に含まれてもよい。好適な増量剤は、当技術分野で公知であり、Ｈａｍｍｏｎｄ  Ｅｘｐａｎｄｅｒｓ、ＵＳＡなどの商業的供給源から入手可能である。
【００８８】
「不活性（ｉｎｅｒｔ）」とは、電気的エネルギー貯蔵装置の電解液中で活性ではなく、すなわち、有意な量のイオンを吸収しないか、または化学的に変化しない、例えば、分解しない、材料を指す。
【００８９】
「伝導性（ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ）」とは、緩く保持された価電子の伝達を通して電子を伝える、材料の能力を指す。
【００９０】
「集電体」とは、電気的エネルギー貯蔵および／または分配装置の一部分を指し、該装置の中に入るか、または出ていく電気の流れを促進する電気的接続を提供する。集電体は、金属および／または他の伝導性材料を含むことが多く、電極に入りかつ出ていく電気の流れを促進する、電極のための裏打ち材として使用され得る。
【００９１】
「電解液（ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ）」とは、物質が電気伝導性であるように、自由イオンを含有する物質を意味する。電解液は、一般的に電気的エネルギー貯蔵装置に利用される。電解液の例として、硫酸が挙げられるが、これに限定されない。
【００９２】
「元素型（ｅｌｅｍｅｎｔａｌ  ｆｏｒｍ）」とは、酸化数ゼロを有する化学元素（例えば、金属鉛）を指す。
【００９３】
「酸化型（oxidized  form）」とは、ゼロよりも大きい酸化数を有する化学元素を指す。
【００９４】
「全細孔容積」とは、１点窒素収着を指す。
【００９５】
「ＤＦＴ細孔容積」とは、窒素収着データから密度汎関数理論により算出された、特定の細孔サイズ範囲内の細孔容積を指す。
【００９６】
「電荷受容性（charge  acceptance）」は、特に鉛酸電池および関連するシステムに関連して、「電荷受容性」は、一般に、定電位保持中に通過した電荷量を指す。
【００９７】
「低ガス発生性カーボン（low-gassing  carbon）」カーボンとは、鉛酸電池のＮＡＭに組み込まれると、低程度のガス生成を呈する新規なカーボン材料（本明細書に開示される）を指す。本開示の状況において、本明細書の新規な低ガス発生性カーボン材料は、カーボンブラックを含めて既に記載されたカーボン材料と比較して、より低いガス生成を提供する。
【００９８】
「サイクル寿命」とは、一般に、例えば鉛酸電池のような所与のエネルギー貯蔵システムに関する、エネルギー貯蔵力の望ましくない低下を呈する前の、前記装置のエネルギー貯蔵力の上限界と下限界との間の、エネルギー貯蔵および放電のサイクル数を指す。
【００９９】
Ａ．鉛酸電池システムおよび関連する電池システム用の低ガス発生性カーボン添加剤のブレンド
本開示は、鉛酸電池システムおよび関連する電池システムに使用されるカーボン添加剤に関する。これらのカーボン材料は、電荷受容性の増加およ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提供する一方で、この目的のため既に開示されたカーボン材料と比較して、非常に低いガス生成もまた提供する。低ガス発生性カーボンは、低ガス発生性カーボン粒子からなる粉末として提供され得て、この粉末は鉛粒子とブレンドされ得て、低ガス発生性カーボンと鉛粒子とのブレンドを生み出す。
【０１００】
本開示の低ガス発生性ブレンドは、複数の低ガス発生性カーボン粒子および複数の鉛粒子を含む。低ガス発生性カーボン粒子の重量パーセントは、低ガス発生性カーボン粒子および鉛粒子の全重量の百分率として、０．０１％〜９９．９％に変化し得る。他の様々な実施形態では、低ガス発生性カーボン粒子の重量パーセントは、低ガス発生性カーボン粒子および鉛粒子の全重量の百分率として、０．０１％〜２０％、例えば０．１％〜１０％または１．０％〜２．０％の範囲である。他の実施形態では、低ガス発生性カーボン粒子の重量パーセントは、低ガス発生性カーボン粒子および鉛粒子の全重量の百分率として、０．０１％〜２％、０．５％〜２．５％または０．７５％〜２．２５％、または０．１〜５．０、または０．５〜５．０の範囲である。いくつかの他の実施形態では、低ガス発生性カーボン粒子の重量パーセントは、低ガス発生性カーボン粒子および鉛粒子の全重量の百分率として、０．９％〜１．１％、１．１％〜１．３％、１．３％〜１．５％、１．５％〜１．７％、１．７％〜１．９％または１．９％〜２．１％の範囲である。いくつかの実施形態では、低ガス発生性カーボン粒子の重量パーセントは、低ガス発生性カーボン粒子および鉛粒子の全重量の百分率として、約５０％である。
【０１０１】
あるいは、他の実施形態では、低ガス発生性カーボン粒子の重量パーセントは、低ガス発生性カーボン粒子および鉛粒子の全重量の百分率として、０．１％〜５０％、０．１％〜１０％、１％〜１０％、１％〜５％または１％〜３％の範囲である。更に他の実施形態では、低ガス発生性カーボン粒子の重量パーセントは、低ガス発生性カーボン粒子および鉛粒子の全重量の百分率として、５０％〜９９．９％、９０％〜９９．９％または９０％〜９９％の範囲である。
【０１０２】
低ガス発生性カーボン粒子の体積パーセントは、低ガス発生性カーボン粒子および鉛粒子の全体積の百分率として、０．１％〜９９．９％に変化し得る。様々な実施形態では、低ガス発生性カーボン粒子の体積パーセントは、低ガス発生性カーボン粒子および鉛粒子の全体積の百分率として、１％〜９９％、２％〜９９％、３％〜９９％、４％〜９９％、５％〜９９％、６％〜９９％、７％〜９９％、８％〜９９％、９％〜９９％、１０％〜９０％、２０％〜８０％、２０％〜４０％、１％〜２０％、４０％〜８０％または４０％〜６０％の範囲である。いくつかの特定の実施形態では、低ガス発生性カーボン粒子の体積パーセントは、低ガス発生性カーボン粒子および鉛粒子の全体積の百分率として、約５０％である。
【０１０３】
他の代替の実施形態では、低ガス発生性カーボン粒子の体積パーセントは、低ガス発生性カーボン粒子および鉛粒子の全体積の百分率として、０．１％〜５０％、０．１％〜１０％または１％〜１０％の範囲である。他の実施形態では、低ガス発生性カーボン粒子の体積パーセントは、低ガス発生性カーボン粒子および鉛粒子の全体積の百分率として、５０％〜９９．９％、９０％〜９９．９％または９０％〜９９％の範囲である。
【０１０４】
低ガス発生性カーボン粒子の表面積パーセントもまた、低ガス発生性カーボン粒子および鉛粒子の全表面積の百分率として、例えば０．１％〜９９．９％に変化し得る。いくつかの実施形態では、低ガス発生性カーボン粒子の表面積パーセントは、低ガス発生性カーボン粒子および鉛粒子の全表面積の百分率として、１％〜９９％、１０％〜９０％、２０％〜８０％または４０％〜６０％の範囲である。別の実施形態では、低ガス発生性カーボン粒子の表面積パーセントは、低ガス発生性カーボン粒子および鉛粒子の全表面積の百分率として、約５０％である。
【０１０５】
関連する実施形態では、低ガス発生性カーボン粒子の表面積パーセントは、低ガス発生性カーボン粒子および鉛粒子の全表面積の百分率として、０．１％〜５０％、０．１％〜１０％または１％〜１０％の範囲である。他の実施形態では、低ガス発生性カーボン粒子の表面積パーセントは、低ガス発生性カーボン粒子および鉛粒子の全表面積の百分率として、８０％〜１００％、例えば８０％〜９９．９％、８０％〜９９％、８５％〜９９％または９０％〜９９％の範囲である。例えば、いくつかの実施形態では、低ガス発生性カーボン粒子の表面積パーセントは、低ガス発生性カーボン粒子および鉛粒子の全表面積の百分率として、９０％〜９２％、９２％から、９２％〜９４％、９４％〜９６％、９６％〜９８％または９３％〜９９％または更に９９．９％までの範囲である。あるいは、低ガス発生性カーボン粒子の表面積パーセントは、低ガス発生性カーボン粒子および鉛粒子の全表面積の百分率として、５０％〜９９．９％、９０％〜９９．９％または９０％〜９９％の範囲である。
【０１０６】
２０オングストローム未満の細孔に属する低ガス発生性カーボン粒子の表面積は、低ガス発生性カーボン粒子および鉛粒子の全表面積の百分率として、０．１％〜９９．９％に変化し得る。いくつかの実施形態では、２０オングストローム未満の細孔に属する低ガス発生性カーボン粒子の表面積は、低ガス発生性カーボン粒子および鉛粒子の全表面積の百分率として、１％〜９９％、１０％〜９０％、２０％〜８０％、２０％〜６０％または４０％〜６０％の範囲である。別の実施形態では、２０オングストローム未満の細孔に属する低ガス発生性カーボン粒子の表面積は、低ガス発生性カーボン粒子および鉛粒子の全表面積の百分率として、約５０％である。
【０１０７】
他の関連する実施形態では、２０オングストローム未満の細孔に属する低ガス発生性カーボン粒子の表面積は、低ガス発生性カーボン粒子および鉛粒子の全表面積の百分率として、０．１％〜５０％、０．１〜１０％または１％〜１０％の範囲である。あるいは、２０オングストローム未満の細孔に属する低ガス発生性カーボン粒子の表面積は、低ガス発生性カーボン粒子および鉛粒子の全表面積の百分率として、５０％〜９９．９％、９０％〜９９．９％または９０％〜９９％の範囲である。
【０１０８】
別の実施形態では、２０オングストロームよりも大きい細孔に属する低ガス発生性カーボン粒子の表面積は、低ガス発生性カーボン粒子および鉛粒子の全表面積の百分率として、０．１％〜９９．９％の範囲である。例えば、様々な実施形態では、２０オングストロームよりも大きい細孔に属する低ガス発生性カーボン粒子の表面積は、低ガス発生性カーボン粒子および鉛粒子の全表面積の百分率として、１％〜９９％、１０％〜９０％、２０％〜８０％または４０％〜６％の範囲である。特定の実施形態では、低ガス発生性カーボン粒子の表面積は、低ガス発生性カーボン粒子および鉛粒子の全表面積の百分率として、約５０％の範囲である。
【０１０９】
あるいは、異なる実施形態では、２０オングストロームよりも大きい細孔に属する低ガス発生性カーボン粒子の表面積は、低ガス発生性カーボン粒子および鉛粒子の全表面積の百分率として、０．１％〜５０％の範囲である。例えば、いくつかの実施形態では、２０オングストロームよりも大きい細孔に属する低ガス発生性カーボン粒子の表面積は、低ガス発生性カーボン粒子および鉛粒子の全表面積の百分率として、０．１％〜１０％または１％〜１０％の範囲である。別の実施形態では、２０オングストロームよりも大きい細孔に属する低ガス発生性カーボン粒子の表面積は、低ガス発生性カーボン粒子および鉛粒子の全表面積の百分率として、５０％〜９９．９％、９０％〜９９．９％または９０％〜９９％の範囲である。
【０１１０】
あるいは、異なる実施形態では、５００オングストロームよりも大きい細孔に属する低ガス発生性カーボン粒子の表面積は、低ガス発生性カーボン粒子および鉛粒子の全表面積の百分率として、０．１％〜３０％の範囲である。例えば、いくつかの実施形態では、５００オングストロームよりも大きい細孔に属する低ガス発生性カーボン粒子の表面積は、低ガス発生性カーボン粒子および鉛粒子の全表面積の百分率として、０．１％〜２０％または１％〜２０％の範囲である。別の実施形態では、５００オングストロームよりも大きい細孔に属する低ガス発生性カーボン粒子の表面積は、低ガス発生性カーボン粒子および鉛粒子の全表面積の百分率として、０．１％〜１０％または１％〜１０％の範囲である。別の実施形態では、２０オングストロームよりも大きい細孔に属する低ガス発生性カーボン粒子の表面積は、低ガス発生性カーボン粒子および鉛粒子の２０オングストロームよりも大きい細孔に属する全表面積の百分率として、５０％〜９９．９％、９０％〜９９．９％または９０％〜９９％の範囲である。
【０１１１】
いくつかの実施形態では、低ガス発生性カーボン粒子の体積平均粒度は、鉛粒子の体積平均粒度に対して、０．０００００１：１〜１０００００：１の範囲である。例えば、いくつかの実施形態では、低ガス発生性カーボン粒子の体積平均粒度は、鉛粒子の体積平均粒度に対して、０．０００１：１〜１００００：１、０．００１：１〜１０００：１、０．０１：１〜１００：１、０．０１：１〜１０：１、０．１：１〜２：１、０．１：１〜１０：１または１：１〜１０００：１の範囲である。一実施形態では、低ガス発生性カーボン粒子の体積平均粒度は、鉛粒子の体積平均粒度に対して、約１：１である。
【０１１２】
特定の実施形態では、粒子の組成物は、１集団よりも多い低ガス発生性カーボン粒子および／または１集団よりも多い鉛粒子からなる。異なる集団は、粒度、メソ細孔性またはミクロ細孔性の程度、および表面官能性などの様々な物理−化学的特質に関して異なり得る。例えば、いくつかの実施形態では、ブレンドは、マルチ−モードの低ガス発生性カーボン粒度分布および鉛粒子を含む。例えば、低ガス発生性カーボン粒子は、２サイズのモードからなり得る。例えば、いくつかの実施形態では、２サイズのモード間の比は、０．０００００１：１〜１０００００：１の範囲であり、例えば一実施形態では、２サイズのモード間の比は、約０．００１：１である。
【０１１３】
鉛粒子は、鉛を含む任意の種類の粒子であり得る。例えば、鉛粒子は、元素の鉛、酸化された鉛および／または鉛塩を含み得る。特定の実施形態では、鉛粒子は、酸化鉛（ＩＩ）、酸化鉛（ＩＶ）、酢酸鉛、炭酸鉛、硫酸鉛、オルトヒ酸鉛、ピロヒ酸鉛、臭化鉛、カプリン酸鉛、カプロン酸鉛、カプリル酸鉛、塩素酸鉛、塩化鉛、フッ化鉛、硝酸鉛、オキシ塩化鉛、オルトリン酸硫酸鉛（lead  orthophosphate  sulfate）、クロム酸鉛、塩基性クロム酸鉛（lead  chromate,  basic）、鉛フェライト、硫化鉛、タングステン酸鉛またはこれらの組合せを含む。
【０１１４】
本明細書に記載されるブレンドはまた、ブレンドおよび溶媒（例えば、電解液）、結合剤、ならびに増量剤またはこれらの組合せを含む組成物の形態でも提供され得る。特定の実施形態では、組成物はペースト形態である。組成物は、低ガス発生性カーボン粒子、鉛粒子および溶媒（例えば、電解液）、結合剤、増量剤またはこれらの組合せを混合することにより調製され得る。組成物の密度は、約２．０ｇ／ｃｃ〜約８ｇ／ｃｃ、約３．０ｇ／ｃｃ〜約７．０ｇ／ｃｃまたは約４．０ｇ／ｃｃ〜約６．０ｇ／ｃｃと変化する。更に他の実施形態では、組成物の密度は、約３．５ｇ／ｃｃ〜約４．０ｇ／ｃｃ、約４．０ｇ／ｃｃ〜約４．５ｇ／ｃｃ、約４．５ｇ／ｃｃ〜約５．０ｇ／ｃｃ、約５．０ｇ／ｃｃ〜約５．５ｇ／ｃｃ、約５．５ｇ／ｃｃ〜約６．０ｇ／ｃｃ、約６．０ｇ／ｃｃ〜約６．５ｇ／ｃｃ、または約６．５ｇ／ｃｃ〜約７．０ｇ／ｃｃである。
【０１１５】
低ガス発生性カーボン−鉛ブレンドの純度は、該ブレンドの電気化学的性能に寄与し得る。この点に関して、純度は当技術分野で公知の方法により決定される。純度を決定する例示的方法として、ＰＩＸＥ分析およびｔＸＲＦが挙げられる。本開示の目的上、不純物は、いかなる鉛含有量も除外したブレンドに関して記載される。以下の本開示および本開示を通して、不純物の全ての記載は、ＰＩＸＥ、ｔＸＲＦ、または当技術分野で公知の他の不純物決定方法にあてはまる。いくつかの実施形態では、不純物はＰＩＸＥにより測定される。他の実施形態では、不純物はｔＸＲＦにより測定される。
【０１１６】
いくつかの実施形態では、ブレンドは、５００ｐｐｍ未満の要素の全不純物含有量（鉛を除外する）および０．０８％未満の灰含有量（鉛を除外する）を含む。更なる実施形態では、ブレンドは、３００ｐｐｍ未満の全ての他の要素の全不純物含有量および０．０５％未満の灰含有量を含む。他の更なる実施形態では、ブレンドは、２００ｐｐｍ未満の全ての他の要素の全不純物含有量および０．０５％未満の灰含有量を含む。他の更なる実施形態では、ブレンドは、２００ｐｐｍ未満の全ての他の要素の全不純物含有量および０．０２５％未満の灰含有量を含む。他の更なる実施形態では、ブレンドは、１００ｐｐｍ未満の全ての他の要素の全不純物含有量および０．０２％未満の灰含有量を含む。他の更なる実施形態では、ブレンドは、５０ｐｐｍ未満の全ての他の要素の全不純物含有量および０．０１％未満の灰含有量を含む。
【０１１７】
本開示のブレンド中に存在する個々の不純物量は、プロトン励起ｘ線放射により決定され得る。個々の不純物は、本開示の低ガス発生性カーボン材料の電気化学的性能全般に異なる様式で寄与し得る。したがって、いくつかの実施形態では、ブレンド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、または１ｐｐｍ未満である。いくつかの実施形態では、ブレンド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、または１ｐｐｍ未満である。いくつかの実施形態では、ブレンド中に存在するアルミニウムのレベルは、１０００ｐｐｍ未満、１００ｐｐｍ未満、５０ｐｐｍ未満、１０ｐｐｍ未満、または１ｐｐｍ未満である。いくつかの実施形態では、ブレンド中に存在するケイ素のレベルは、５００ｐｐｍ未満、３００ｐｐｍ未満、１００ｐｐｍ未満、５０ｐｐｍ未満、２０ｐｐｍ未満、１０ｐｐｍ未満または１ｐｐｍ未満である。いくつかの実施形態では、ブレンド中に存在するリンのレベルは、１０００ｐｐｍ未満、１００ｐｐｍ未満、５０ｐｐｍ未満、１０ｐｐｍ未満、または１ｐｐｍ未満である。いくつかの実施形態では、ブレンド中に存在する硫黄のレベルは、１０００ｐｐｍ未満、１００ｐｐｍ未満、５０ｐｐｍ未満、３０ｐｐｍ未満、１０ｐｐｍ未満、５ｐｐｍ未満または１ｐｐｍ未満である。いくつかの実施形態では、ブレンド中に存在する塩素のレベルは、１０００ｐｐｍ未満、１００ｐｐｍ未満、５０ｐｐｍ未満、１０ｐｐｍ未満、または１ｐｐｍ未満である。いくつかの実施形態では、ブレンド中に存在するカリウムのレベルは、１０００ｐｐｍ未満、１００ｐｐｍ未満、５０ｐｐｍ未満、１０ｐｐｍ未満、または１ｐｐｍ未満である。他の実施形態では、ブレンド中に存在するカルシウムのレベルは、１００ｐｐｍ未満、５０ｐｐｍ未満、２０ｐｐｍ未満、１０ｐｐｍ未満、５ｐｐｍ未満または１ｐｐｍ未満である。いくつかの実施形態では、ブレンド中に存在するクロムのレベルは、１０００ｐｐｍ未満、１００ｐｐｍ未満、５０ｐｐｍ未満、１０ｐｐｍ未満、５ｐｐｍ未満、４ｐｐｍ未満、３ｐｐｍ未満、２ｐｐｍ未満または１ｐｐｍ未満である。他の実施形態では、ブレンド中に存在する鉄のレベルは、５０ｐｐｍ未満、２０ｐｐｍ未満、１０ｐｐｍ未満、５ｐｐｍ未満、４ｐｐｍ未満、３ｐｐｍ未満、２ｐｐｍ未満または１ｐｐｍ未満である。他の実施形態では、ブレンド中に存在するニッケルのレベルは、２０ｐｐｍ未満、１０ｐｐｍ未満、５ｐｐｍ未満、４ｐｐｍ未満、３ｐｐｍ未満、２ｐｐｍ未満または１ｐｐｍ未満である。いくつかの他の実施形態では、ブレンド中に存在する銅のレベルは、１４０ｐｐｍ未満、１００ｐｐｍ未満、４０ｐｐｍ未満、２０ｐｐｍ未満、１０ｐｐｍ未満、５ｐｐｍ未満、４ｐｐｍ未満、３ｐｐｍ未満、２ｐｐｍ未満または１ｐｐｍ未満である。また他の実施形態では、ブレンド中に存在する亜鉛のレベルは、２０ｐｐｍ未満、１０ｐｐｍ未満、５ｐｐｍ未満、２ｐｐｍ未満、または１ｐｐｍ未満である。また他の実施形態では、ブレンド中に存在する全ての他の不純物の総計（鉛を除外する）は、１０００ｐｐｍ未満、５００ｐｐｍ未満、３００ｐｐｍ未満、２００ｐｐｍ未満、１００ｐｐｍ未満、５０ｐｐｍ未満、２５ｐｐｍ未満、１０ｐｐｍ未満または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、酸素および／または窒素などの他の不純物は、１０％未満〜０．０１％未満の範囲のレベル中に存在し得る。
【０１１８】
いくつかの実施形態では、ブレンドは、プロトン励起ｘ線放射分析の検出限界付近またはそれ未満の所望されない不純物を含む。例えば、いくつかの実施形態では、ブレンドは、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、１．５ｐｐｍ未満のビスマス、２ｐｐｍ未満のトリウム、または４ｐｐｍ未満のウランを含む。
【０１１９】
いくつかの特定の実施形態では、ブレンドは、プロトン励起ｘ線放射により測定して、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未満のクロムおよび５ｐｐｍ未満の亜鉛を含む。他の特定の実施形態では、ブレンドは、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未満のクロムおよび２ｐｐｍ未満の亜鉛を含む。
【０１２０】
他の特定の実施形態では、ブレンドは、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未満のクロムおよび１ｐｐｍ未満の亜鉛を含む。
【０１２１】
いくつかの他の特定の実施形態では、ブレンドは、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未満のクロムおよび１ｐｐｍ未満のマンガンを含む。
【０１２２】
他の実施形態では、ブレンドは、プロトン励起ｘ線放射により測定して、５ｐｐｍ未満のクロム、１０ｐｐｍ未満の鉄、５ｐｐｍ未満のニッケル、２０ｐｐｍ未満のケイ素、５ｐｐｍ未満の亜鉛を含み、かつビスマス、銀、銅、水銀、マンガン、白金、アンチモンおよびスズは検出されない。
【０１２３】
他の実施形態では、ブレンドは、プロトン励起ｘ線放射により測定して、７５ｐｐｍ未満のビスマス、５ｐｐｍ未満の銀、１０ｐｐｍ未満のクロム、３０ｐｐｍ未満の銅、３０ｐｐｍ未満の鉄、５ｐｐｍ未満の水銀、５ｐｐｍ未満のマンガン、２０ｐｐｍ未満のニッケル、５ｐｐｍ未満の白金、１０ｐｐｍ未満のアンチモン、１００ｐｐｍ未満のケイ素、１０ｐｐｍ未満のスズおよび１０ｐｐｍ未満の亜鉛を含む。
【０１２４】
他の実施形態では、ブレンドは、プロトン励起ｘ線放射により測定して、プロトン励起ｘ線放射により測定して、５ｐｐｍ未満のクロム、１０ｐｐｍの鉄、５ｐｐｍ未満のニッケル、２０ｐｐｍ未満のケイ素、５ｐｐｍ未満の亜鉛を含み、かつビスマス、銀、銅、水銀、マンガン、白金、アンチモンおよびスズは検出されない。
【０１２５】
本発明の他の実施形態は、電気的エネルギー貯蔵装置における本開示の低ガス発生性カーボン−鉛ブレンドの使用を含む。いくつかの実施形態では、電気的エネルギー貯蔵装置は、電池である。他の実施形態では、電気的エネルギー貯蔵装置は、ミクロハイブリッド、始動−停止ハイブリッド、マイルドハイブリッド車両、電気ターボチャージを備えた車両、回生制動を備えた車両、ハイブリッド車両、電気車両、例えばフォークリフト、電気二輪車、ゴルフ用カート、航空宇宙用途などの産業用動力、電力貯蔵および分配グリッド、太陽光または風力発電システム、例えば携帯型軍事用バックアップのための緊急時バックアップ、病院または軍事インフラストラクチャー、および製造バックアップなどの電力バックアップシステムまたはセルラータワー発電システムにある。電気的エネルギー貯蔵装置は、より詳細を以下に記載する。
【０１２６】
Ｂ．低ガス発生性カーボン材料
本開示のカーボン材料に関して低ガス発生性を達成するために、多様な取り組みが想定される。特定の実施形態では、ガス発生の程度は、例えば、カーボン粒子の表面に存在する酸素および酸素を含む異なる化学種の含有量のような、カーボンの表面官能基に関連する。この表面酸素を最小化することは、鉛酸電池または他の関連するエネルギー貯蔵システムにおいて添加剤として使用されるときに、遂にはカーボンに関するガス発生傾向も低下する。特定の実施形態では、活性酸素は、例えば黒鉛端部面のような端部位、またはカーボン表面に存在する他の欠損部に存在する。特定の実施形態では、低ガス発生性カーボンは、１０％未満の酸素含有量、例えば５％未満の酸素、例えば３％未満の酸素、例えば２％未満の酸素、例えば１％未満の酸素、例えば０．５％未満の酸素、例えば０．３％未満の酸素、例えば０．２％未満の酸素、例えば０．１％未満の酸素、例えば０．０５％未満の酸素、例えば０．０２％未満の酸素、例えば０．０１％未満の酸素を有する。いくつかの実施形態では、低ガス発生性カーボンは、例えば１０％未満の酸素、例えば５％未満の酸素、例えば３％未満の酸素、例えば２％未満の酸素、例えば１％未満の酸素、例えば０．５％未満の酸素、例えば０．３％未満の酸素、例えば０．２％未満の酸素、例えば０．１％未満の酸素、例えば０．０５％未満の酸素、例えば０．０２％未満の酸素、例えば０．０１％未満の酸素を含む、端部位に存在する酸素の含有量を有する。いくつかの実施形態では、カーボンの表面官能基は、ｐＨによりかつｐＨに関連して確認され得る。そのような実施形態に関して、カーボンのｐＨは、ｐＨ６．０よりも大きく、例えばｐＨ７．０よりも大きく、例えばｐＨ８．０よりも大きく、例えばｐＨ９．０よりも大きく、例えばｐＨ１０．０よりも大きく、例えばｐＨ１１．０よりも大きくてもよい。特定の実施形態では、低ガス発生性カーボンは、ｐＨ６．０〜ｐＨ１１．０、例えばｐＨ６．０〜ｐＨ１０．０、例えばｐＨ７．０〜ｐＨ９．０、例えばｐＨ８．０〜ｐＨ１０．０、例えばｐＨ７．０〜ｐＨ９．０、例えばｐＨ８．０〜ｐＨ９．０の間のｐＨを呈する。
【０１２７】
好ましい実施形態では、低ガス発生性カーボンのｐＨは、７．５未満、例えばｐＨ７．０〜ｐＨ７．４、例えばｐＨ６．５〜ｐＨ７．０、例えばｐＨ６．０〜ｐＨ６．５、例えばｐＨ５．５〜ｐＨ６．０、例えばｐＨ５．０〜ｐＨ５．５である。
【０１２８】
特定の実施形態では、カーボン上の表面酸素は、鉛酸電池または他の関連するエネルギー貯蔵システムにおいて添加剤として使用されるときに、表面酸素を除去する特定の構成部分（複数可）と反応するかまたはそうでない場合は低ガス発生性カーボン材料をもたらす化学種に表面酸素を変換する。カーボン上の酸素官能基を除去するかまたは変換するような構成部分として、アミン（ジエチレントリアミン、ジエチルアミン、およびトリエチルアミンなどが挙げられるが、これらに限定されない）、ならびにポリピロール（および酸素反応が可能な他のポリマー系）が挙げられるが、これらに限定されない。
【０１２９】
別の実施形態では、カーボン上のカーボン酸素基は、取り除かれるか、または他に、カーボン粒子上にその表面を覆うようにカーボンの第２のコーティングを加えることにより、ガス発生に寄与することができないようにする。この状況では、第２のカーボン層は、当技術分野で公知のように、例えば化学蒸着（ＣＶＤ）により塗布され得る。
【０１３０】
いくつかの実施形態では、低ガス発生性カーボンは、滑らかな表面、すなわち、ガス発生の可能性に寄与し得る表面粗さが低減された表面を備える。例えば、表面粗さの代表長さの、代表粒度に対する比は、１：１０未満、例えば１：２０未満、例えば１：３０未満、例えば１：４０未満、例えば１：５０未満、例えば１：６０未満、例えば１：８０未満、例えば１：１００未満、例えば１：２００未満、例えば１：２５０未満、例えば１：５００未満、例えば１：１０００未満、例えば１：２５００未満、例えば１：５０００未満、例えば１：１０，０００未満、例えば１：１００，０００未満、例えば１：１，０００，０００未満、例えば１：１０，０００，０００未満、例えば１：１００，０００，０００未満、例えば１：１，０００，０００，０００未満であり得る。
【０１３１】
いくつかの実施形態では、低ガス発生性カーボンは、加熱処理または不動態化手法により生成される。例えば、カーボンは、ある一定の期間、非酸化（または還元）気体の存在下で、昇温状態に曝露され得る。滞留時間は多様であり得て、例えば、滞留時間は、約１０分、または約３０分、約６０分、または約１２０分であり得る。いくつかの実施形態では、滞留時間は１２０分よりも長い。気体は多様であり得て、例示的な気体として、窒素、水素、アンモニア、およ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。昇温状態は、５５０〜６５０Ｃ、例えば６５０〜７５０Ｃ、例えば７００〜８００Ｃ、例えば７５０〜８５０Ｃ、例えば８５０〜９５０Ｃ、例えば９５０〜１０５０Ｃの間であり得る。特定の実施形態では、加熱処理は、１０５０Ｃを超えて、例えば１１００Ｃを超えて、例えば１２００Ｃを超えて、例えば１３００Ｃを超えて、例えば１４００Ｃを超えて、例えば１６００Ｃを超えて、例えば１８００Ｃを超えて、例えば２０００Ｃを超えて、例えば２２００Ｃを超えて、例えば２４００Ｃを超える温度で実行され得る。多くのこれらの実施形態では、加熱処理は、表面酸素官能基の減少およびｐＨ上昇（上の例示的範囲を参照されたい）をもたらすだけでなく、ある特定の程度の黒鉛化もまたもたらす。黒鉛化の程度は、例えば、ラマン分光法のＸ線回折によるような、当技術分野で公知の方法により定量化され得る。黒鉛化の程度は多様であり得て、例えば黒鉛化の程度は１％〜５％の間であり得る。他の実施形態では、黒鉛化の程度は、５％〜１５％の間であり得る。代替の実施形態では、黒鉛化の程度は、１５％〜２５％の間であり得る。代替の実施形態では、黒鉛化の程度は、２０％〜４０％の間であり得る。代替の実施形態では、黒鉛化の程度は、３０％〜７０％の間であり得る。代替の実施形態では、黒鉛化の程度は、６０％〜９０％の間であり得る。代替の実施形態では、黒鉛化の程度は、９０％よりも大きくあり得る。
【０１３２】
特定の実施形態では、低ガス発生性カーボンは、窒素含有化合物の存在下で加熱処理される。窒素含有化合物は気相であり得て、この目的に好適な窒素含有気体の例として、アンモニアガスが挙げられるが、これに限定されない。窒素含有化合物はまた、固体または液体でもあり得て、窒素含有の固体または液体はカーボンと混合され得て、該混合物は、ある特定の温度および時間、非酸化（または還元）気体の存在下で、上で述べた様々な例示的範囲に基づき加熱処理され得る。この目的に好適な窒素含有化合物として、尿素、メラミン、シアヌル酸、アンモニウム塩、およ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。
【０１３３】
カーボン上の特定の表面官能基は、Ｂｏｅｈｍ滴定法などの当技術分野で公知の技術により測定され、多様であり得る。
【０１３４】
特定の実施形態では、全カルボキシル基は、１ｍＭｏｌ／ｇカーボン未満、例えば０．１ｍＭｏｌ／ｇカーボン未満、例えば０．０１ｍＭｏｌ／ｇカーボン未満で存在する。特定の実施形態では、全ラクトン基は、１ｍＭｏｌ／ｇカーボン未満、例えば０．１ｍＭｏｌ／ｇカーボン未満、例えば０．０１ｍＭｏｌ／ｇカーボン未満で存在する。特定の実施形態では、全フェノール基は、１ｍＭｏｌ／ｇカーボン未満、例えば０．１ｍＭｏｌ／ｇカーボン未満、例えば０．０１ｍＭｏｌ／ｇカーボン未満で存在する。特定の実施形態では、全酸性基は、１ｍＭｏｌ／ｇカーボン未満、例えば０．１ｍＭｏｌ／ｇカーボン未満、例えば０．０１ｍＭｏｌ／ｇカーボン未満で存在する。
【０１３５】
いくつかの実施形態では、カーボンは疎水性である。疎水性の程度は、例えばｎ−ブタノール吸着と組み合わせた熱量測定法のような、当技術分野で公知の方法により測定され得る。カーボンの非極性表面積は多様であり得て、例えば、非極性表面積は、全表面積の３０％よりも多く、例えば全表面積の４０％よりも多く、例えば全表面積の５０％よりも多く、例えば全表面積の６０％よりも多く、例えば全表面積の７０％よりも多く、例えば全表面積の８０％よりも多く、例えば全表面積の９０％よりも多くを構成し得る。特定の実施形態では、カーボンは、ある程度の疎水性と組み合わせて、ミクロ細孔およびメソ細孔からなる。いくつかの実施形態では、カーボンは、８０％よりも多いミクロ細孔、２０％未満のメソ細孔からなり、かつ非極性表面積は、全表面積の５０％よりも多くを構成する。他の実施形態では、カーボンは、８０％よりも多いミクロ細孔、２０％未満のメソ細孔からなり、かつ非極性表面積は、全表面積の８０％よりも多くを構成する。他の実施形態では、カーボンは、８０％よりも多いミクロ細孔、２０％未満のメソ細孔からなり、かつ非極性表面積は、全表面積の９０％よりも多くを構成する。いくつかの実施形態では、カーボンは、８０％未満のミクロ細孔、２０％よりも多いメソ細孔からなり、かつ非極性表面積は、全表面積の５０％よりも多くを構成する。他の実施形態では、カーボンは、８０％未満のミクロ細孔、２０％よりも多いメソ細孔からなり、かつ非極性表面積は、全表面積の８０％よりも多くを構成する。他の実施形態では、カーボンは、８０％未満のミクロ細孔、２０％よりも多いメソ細孔からなり、かつ非極性表面積は、全表面積の９０％よりも多くを構成する。
【０１３６】
いくつかの実施形態では、カーボンは、カーボン表面に薄原子層を置くために原子層堆積（ＡＬＤ）を施される。堆積用の構成部分の選択、および堆積条件（時間および温度）は、当技術分野で公知である。堆積用の構成部分として例示的な化合物として、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、ＴｉＮ、酸化鉛および他の鉛含有化合物が挙げられるが、これらに限定されない。したがって、ＡＬＤがカーボンに施用されて原子の厚層を達成し得、ここでカーボンのコーティング用の例示的原子として、アルミニウム、亜鉛、チタン、および鉛が挙げられるが、これらに限定されない。ＡＬＤ層の厚さは多様であり得て、例えばＡＬＤ層は、１００ｎｍ未満、例えば５０ｎｍ未満、例えば４０ｎｍ未満、例えば３０ｎｍ未満、例えば２０ｎｍ未満、例えば１０ｎｍ未満、例えば５ｎｍ未満であり得る。特定の実施形態では、ＡＬＤ層は本質的に単層である。他の実施形態では、ＡＬＤ層は１００〜１０００ｎｍ、例えば２００〜５００ｎｍの間である。
【０１３７】
あるいは、カーボン粒子の表面は、当技術分野で公知の加工条件を介して、電着によりコーティングされ得る。このような電気化学堆積の例示的化合物として、ハロゲン化鉛、硝酸鉛などの鉛化合物、およびニッケル化合物が挙げられるが、これらに限定されない。
【０１３８】
他の実施形態では、カーボン表面は、例えば硫酸バリウムのようなスルフェート化合物でコーティングされる。硫酸バリウムの表面層はコーティングにより達成され得て、ここで硫酸バリウムは固体形態であるか、または代替的に例えば水のような好適な液体に溶解される。硫酸バリウムを含有する固体または液体は、スピンコーティング、スプレーコーティング、蒸気コーティング、静電粉体コーティング、スパッタコーティング、および熱可塑性粉体コーティングが挙げられるが、これらに限定されない、当技術分野で公知の多様な方法によりカーボン表面へのコーティングに利用され得る。
【０１３９】
あるいは、例えば硫酸バリウムのようなスルフェート化合物は、カーボン材料内の細孔内に存在し得る。硫酸バリウムまたは他のスルフェート化合物の含浸は、当技術分野で公知の方法により、例えば硫酸バリウムのカーボン細孔内への拡散を果たすのに十分な条件で、硫酸バリウム溶液の存在するところに、カーボン粒子を浸漬することにより達成され得る。
【０１４０】
いくつかの実施形態では、カーボン表面はケイ素で改質される。カーボンは、当技術分野で公知の様々な技術に基づき、ケイ素でコーティングされ得る。好ましい実施形態では、ケイ素コーティングは、化学蒸着（ＣＶＤ）を介してケイ素堆積を達成するために、昇温時にかつケイ素含有の気体、好ましくはシランの存在下で、カーボン粒子にシランガスを施すことにより塗布される。シランガスは、例えば窒素ガスのような、他の不活性ガスと混合され得る。加工の温度および時間は多様であり得て、例えば温度は、３００〜４００Ｃ、例えば４００〜５００Ｃ、例えば５００〜６００Ｃ、例えば６００〜７００Ｃ、例えば７００〜８００Ｃ、例えば８００〜９００Ｃの間であり得る。気体の混合物は、０．１〜１％の間のシランおよび残留不活性ガスを含み得る。あるいは、気体の混合物は、１％〜１０％の間のシランおよび残留不活性ガスを含み得る。あるいは、気体の混合物は、１０％〜２０％の間のシランおよび残留不活性ガスを含み得る。あるいは、気体の混合物は、２０％〜５０％の間のシランおよび残留不活性ガスを含み得る。あるいは、気体の混合物は、５０％よりも多くのシランおよび残留不活性ガスを含み得る。あるいは、気体は本質的に１００％のシランガスであり得る。他のケイ素含有ガスは、上述の目的のために利用され得て、ジシラン、およびトリシランなどのより長鎖の分子、ならびにクロロシラン、ジクロロシラン、およびトリクロロシランなどの塩素化された化学種ならびにこれらの組合せが挙げられるが、これらに限定されない。
【０１４１】
ＣＶＤプロセスが実行される反応器は、例えば流動床反応器、固定床反応器、昇降式キルン、回転式キルン、箱型キルン、または他の好適な反応器型のように、当技術分野で公知の様々なデザインに基づき実行される。反応器材料は、当技術分野で公知のように、この作業に好適である。好ましい実施形態では、多孔質カーボン粒子は、ガス相への均一な到達をもたらす条件下で、例えば前記均一なガス到達をもたらすために、多孔質カーボン粒子が流動化されるか、またはそうでない場合は撹拌されるような反応器で加工される。
【０１４２】
いくつかの実施形態では、ＣＶＤプロセスは、プラズマ促進化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）プロセスである。このプロセスは、当技術分野で公知であり、基材上にガス状態（蒸気）から固体状態へと薄フィルムを堆積する有用性を提供する。プロセス中に、反応性ガスを含むプラズマの発生後に起きる化学反応を伴う。プラズマは、一般に、二電極間の空間が反応性ガスで満たされた、二電極間のＲＦ（ＡＣ）周波数またはＤＣの放電により発生する。特定の実施形態では、ＰＥＣＶＤプロセスは、例えば銅箔基材のような本目的に好適な基材上にコーティングされる多孔質カーボンに利用される。ＰＥＣＶＤは、様々な温度で、例えば３００〜８００Ｃ、例えば３００〜６００Ｃ、例えば３００〜５００Ｃ、例えば３００〜４００Ｃの間、例えば３５０Ｃにおいて実行され得る。電力は例えば２５Ｗ  ＲＦのように多様であり得て、かつ加工に必要とされるケイ素含有（例えば、シラン）ガス流は多様であり得て、かつ加工時間は当技術分野で公知のように多様であり得る。
【０１４３】
ケイ素に加えて、カーボンの表面ドーピング用の他の候補となる原子として、亜鉛、鉛、硫黄、ニッケル、ナトリウム、カルシウム、またはこれらの組合せが挙げられるが、これらに限定されず、前記ドーピングは当技術分野で公知の、かつ本開示に他で記載される様々な方法により遂行される。他の組込み方法もまた、溶融拡散（特に硫黄、鉛、またはリンの元素堆積の状況で）を含み、想定される。
【０１４４】
カーボンが、非カーボン性の構成部分（複数可）を導入することにより改質される上述の様々な実施形態に関して、前記非カーボン性の構成部分（複数可）は、カーボン内の様々な部位に位置し得る。例えば、非カーボン性の構成部分（複数可）は、カーボンの外表面に、カーボンバルク中に（例えば埋込粒子としてか、または分子的に組込まれて）、ミクロ細孔の表面または内部に、メソ細孔の表面または内部に、およびマクロ細孔の表面または内部に位置し得る。理論によって束縛されないが、非カーボン性の構成部分（複数可）の絶対量および分布の定量的記載が想定される。一実施形態では、カーボンは、０．１〜１％の間の非カーボン性の構成部分（複数可）を含有し、非カーボン性の構成部分（複数可）の少なくとも５０％は、全てのカーボン表面の全体（外表面、ならびにミクロ細孔、メソ細孔、およびマクロ細孔の表面）に位置する。別の実施形態では、カーボンは、１％〜１０％の間の非カーボン性の構成部分（複数可）を含有し、非カーボン性の構成部分（複数可）の少なくとも５０％は、全てのカーボン表面の全体（外表面、ならびにミクロ細孔、メソ細孔、およびマクロ細孔の表面）に位置する。また別の実施形態では、カーボンは、０．１％〜１０％の間の非カーボン性の構成部分（複数可）を含有し、非カーボン性の構成部分（複数可）の少なくとも５０％は、メソ細孔の表面または内部に位置する。また別の実施形態では、カーボンは、１０％〜３０％の間の非カーボン性の構成部分（複数可）を含有し、非カーボン性の構成部分（複数可）の少なくとも５０％は、メソ細孔の表面または内部に位置する。
【０１４５】
特定の実施形態では、カーボン表面は、炭化物層の生成により改質される。状況での例示的な炭化物として、炭化ケイ素（silicon  carbon）、炭化タングステン（tungsten  carbon）および炭化アルミニウムが挙げられるが、これらに限定されない。
【０１４６】
あるいは、カーボンは、非伝導性または低伝導性の材料でコーティングされて、鉛酸電池および他の関連するエネルギーシステムにおいて添加剤として利用されると、ガス発生傾向を低減し得る。この状況での例示的材料として、低伝導性または非伝導性ポリマー、およびそれらを熱分解または部分的熱分解したものが挙げられる。この状況でのポリマーとして、フェノール類樹脂、多糖類、およびリグニンが挙げられるが、これらに限定されない。
【０１４７】
Ｃ．低ガス発生を達成するためのカーボン組成物
低ガス発生性カーボン材料を達成するための、上で述べた手法に加えてかつ潜在的に組み合わせて、カーボンに関するガス発生の可能性は、鉛酸電池または他の関連するエネルギー貯蔵システムのＮＡＭに添加されるカーボン配合物である、カーボンの周囲の組成物により更に低減され得る。
【０１４８】
いくつかの実施形態では、ＮＡＭに添加するためのカーボン配合物は、水素取り込みが可能な化合物を含むか、またはそうでない場合は、分子型水素を有機化合物の水素化に変換する。例えば水素化を介した水素取り込みのような生物学的例は当技術分野で公知であり、水素の取り込みは、酸素、ニトレート、スルフェート、二酸化炭素、およびフマレートなどの電子受容体の還元と結び付けられる。低分子量化合物ならびにフェレドキシン（ferrodoxin）およびシトクロムなどのタンパク質は両方とも、ヒドロゲナーゼに対する生理学的な電子供与体または受容体として作用し得る。ヒドロゲナーゼの生物模倣型の例もまた、金属有機構造体を組み込んだ設計を含めて存在する。
【０１４９】
他の実施形態では、ＮＡＭに添加するためのカーボン配合物は、酸素取り込みが可能な化合物を含むか、またはそうでない場合は、分子型酸素を変換する。このような抗酸化剤の例として、アスコルビン酸、尿酸、リポ酸（lipocic  acid）、グルタチオン、カロテン、ユビキノール、およびα（a）−トコフェロールが挙げられるが、これらに限定されない。同一の目的の酵素からなる例もあり；例として、スーパーオキシドジスムターゼ、カタラーゼおよびペルオキシレドキシンが挙げられる。
【０１５０】
特定の実施形態では、様々な種類のカーボンのブレンドが、低ガス発生性カーボン粒子ブレンドを達成するために利用され得る。この状況で、複数の異なる種類のカーボンがブレンドされ得て、このブレンドは更にＮＡＭの他の成分にブレンドされる。この状況でのカーボンブレンドは、様々な種類のカーボン粒子を含む。ブレンド中のカーボンの種類として、活性カーボン、熱分解カーボン、カーボンブラック、非晶質カーボン、ガラス状カーボン、黒鉛、およびグラフェンが挙げられる。いくつかの実施形態では、カーボンブレンドは、５００ｍ２／ｇよりも大きい比表面積を有する熱分解カーボンおよび１５００ｍ２／ｇよりも大きい比表面積を有する活性カーボンからなる。この状況で、熱分解カーボンの活性カーボンに対する比は多様であり得て、例えば該比は１：１００〜１００：１、例えば該比は１：１００〜１：５０、例えば１：５０〜１：１０、例えば１：１０〜１：５、例えば１：５〜１：２、例えば１：２〜２：１、例えば２：１〜５：１、例えば５：１〜１０：１、例えば１０：１〜５０：１、例えば５０：１〜１００：１の間であり得る。
【０１５１】
別の実施形態では、カーボンブレンドは、５００ｍ２／ｇよりも大きい比表面積を有するカーボンブラックおよび熱分解カーボンからなる。この状況で、カーボンブラックの熱分解カーボンに対する比は多様であり得て、例えば該比は１：１００〜１００：１、例えば該比は１：１００〜１：５０、例えば１：５０〜１：１０、例えば１：１０〜１：５、例えば１：５〜１：２、例えば１：２〜２：１、例えば２：１〜５：１、例えば５：１〜１０：１、例えば１０：１〜５０：１、例えば５０：１〜１００：１の間であり得る。
【０１５２】
別の実施形態では、カーボンブレンドは、１５００ｍ２／ｇよりも大きい比表面積を有するカーボンブラックおよび活性カーボンからなる。この状況で、カーボンブラックの活性カーボンに対する比は多様であり得て、例えば該比は１：１００〜１００：１、例えば該比は１：１００〜１：５０、例えば１：５０〜１：１０、例えば１：１０〜１：５、例えば１：５〜１：２、例えば１：２〜２：１、例えば２：１〜５：１、例えば５：１〜１０：１、例えば１０：１〜５０：１、例えば５０：１〜１００：１の間であり得る。
【０１５３】
他の実施形態では、カーボンブレンドは、ミクロ細孔カーボンおよびメソ細孔カーボンからなる。この状況で、ミクロ細孔カーボンは８０％よりも多いミクロ細孔を有し得て、メソ細孔カーボンは７０％よりも多いメソ細孔を有し得る。更にこの状況で、ミクロ細孔カーボンのメソ細孔カーボンに対する比は多様であり得て、例えば該比は１：１００〜１００：１、例えば該比は１：１００〜１：５０、例えば１：５０〜１：１０、例えば１：１０〜１：５、例えば１：５〜１：２、例えば１：２〜２：１、例えば２：１〜５：１、例えば５：１〜１０：１、例えば１０：１〜５０：１、例えば５０：１〜１００：１の間であり得る。
【０１５４】
上述のミクロ細孔カーボンおよびメソ細孔カーボンのブレンド、ならびに熱分解カーボンおよび活性カーボンのブレンドに関して、このようなブレンドは、また上述の他の種類のカーボンのカーボンブラックと更にブレンドされ得ることが更に想定される。
【０１５５】
Ｄ．低ガス発生性カーボン材料の様々な特性
低ガス発生性カーボン粒子の様々な特性は多様であり、所望の電気化学的結果を得ることができる。上で述べたように、金属および／または金属化合物を含みかつ残留レベルの様々な不純物（例えば、ナトリウム、塩素、ニッケル、鉄など）を有する低ガス発生性カーボン材料を含む電極は、サイクル寿命、耐久性および性能を低下させたことは公知である。したがって、一実施形態は、他の公知のカーボン材料より著しく純粋であり、したがって、多くの電気的エネルギー貯蔵および／または分配装置の作動を改善することが期待される、複数の低ガス発生性カーボン粒子を含むブレンドを提供する。
【０１５６】
特定の実施形態における高純度の本開示のカーボン粒子は、本開示のゾルゲルプロセスに起因し得る。出願人らは、例えばフェノール類化合物およびアルデヒドのような１つまたはそれより多くのポリマー前駆体を、酸性条件下、揮発性の塩基性触媒の存在下で共重合させると、超高純度ポリマーゲルが結果的に得られることを発見した。これは、残留レベルの所望されない不純物を含むポリマーゲルをもたらすような、ポリマーゲルの調製に関して報告された他の方法と対照的である。超高純度ポリマーゲルは、不活性雰囲気（例えば、窒素）で加熱することにより熱分解され、高表面積および高細孔容積を備えるカーボン粒子を得ることができる。これらのカーボン材料は、化学的活性化技術の使用−これは不純物を導入する−を伴うことなく更に活性化されて、超高純度活性カーボン材料を得ることができる。カーボン粒子は活性カーボン材料から、または場合によっては熱分解されたが活性化されていないカーボン材料から調製される。
【０１５７】
特定の実施形態では、低ガス発生性カーボン粒子は、細孔内または低ガス発生性カーボン粒子の表面に鉛を含む。したがって、ブレンドは、鉛、および複数の鉛粒子を含む複数の低ガス発生性カーボン粒子を含み得る。鉛は、ゾルゲルプロセスの様々な段階で低ガス発生性カーボン材料に組み込まれ得る。例えば、鉛および／または鉛化合物は、重合段階中にポリマーゲルに、または熱分解もしくは活性化された低ガス発生性カーボン粒子に組み込まれ得る。低ガス発生性カーボン粒子の独自の多孔度および高表面積により、電極活物質と、例えば、鉛／酸電池中の電解液との最適な接触が提供される。本開示のブレンドから調製された電極は、公知の低ガス発生性カーボン材料から調製された電極と比較して、改善された活性寿命および電力性能を備える。
【０１５８】
いくつかの実施形態では、低ガス発生性カーボン粒子は、例えば、熱分解ポリマークリオゲル、熱分解ポリマーキセロゲルまたは熱分解ポリマーエアロゲルのような熱分解乾燥ポリマーゲルである。他の実施形態では、低ガス発生性カーボン粒子は、活性化される（すなわち、合成の活性低ガス発生性カーボン材料である）。例えば、更なる実施形態では、低ガス発生性カーボン粒子は、活性乾燥ポリマーゲル、活性ポリマークリオゲル、活性ポリマーキセロゲルまたは活性ポリマーエアロゲルである。
【０１５９】
低ガス発生性カーボン粒子は、純度が多様であり得る。例えば、いくつかの実施形態では、低ガス発生性カーボン粒子は、超高純度活性低ガス発生性カーボンであり得て、ここで低ガス発生性カーボン粒子は、１０００ｐｐｍ未満、例えば５００ｐｐｍ未満、例えば２００ｐｐｍ未満、例えば１００ｐｐｍ未満、例えば５０ｐｐｍ未満、または更に１０ｐｐｍ未満の不純物を含む。他の例では、低ガス発生性カーボンは、０．１〜１０００ｐｐｍの範囲の不純物レベルを有する。他の実施形態では、低ガス発生性カーボン粒子は、９００〜１０００ｐｐｍの範囲の不純物レベルを有する。他の実施形態では、低ガス発生性カーボン粒子は、８００〜９００ｐｐｍの範囲の不純物レベルを有する。他の実施形態では、低ガス発生性カーボン粒子は、７００〜８００ｐｐｍの範囲の不純物レベルを有する。他の実施形態では、低ガス発生性カーボン粒子は、６００〜７００ｐｐｍの範囲の不純物レベルを有する。他の実施形態では、低ガス発生性カーボン粒子は、５００〜６００ｐｐｍの範囲の不純物レベルを有する。他の実施形態では、低ガス発生性カーボン粒子は、４００〜５００ｐｐｍの範囲の不純物レベルを有する。他の実施形態では、低ガス発生性カーボン粒子は、３００〜４００ｐｐｍの範囲の不純物レベルを有する。他の実施形態では、低ガス発生性カーボン粒子は、２００〜３００ｐｐｍの範囲の不純物レベルを有する。他の実施形態では、低ガス発生性カーボン粒子は、１００〜２００ｐｐｍの範囲の不純物レベルを有する。他の実施形態では、低ガス発生性カーボン粒子は、０．１〜１００ｐｐｍの範囲の不純物レベルを有する。他の実施形態では、低ガス発生性カーボン粒子は、０．１〜５０ｐｐｍの範囲の不純物レベルを有する。他の実施形態では、低ガス発生性カーボン粒子は、０．１〜１０ｐｐｍの範囲の不純物レベルを有する。
【０１６０】
低ガス発生性カーボン粒子はまた、「非超高純度」（すなわち、１００ｐｐｍよりも多い不純物）でもあり得る。例えば、いくつかの実施形態では、非超高純度活性低ガス発生性カーボン中の全不純物レベル（プロトン励起ｘ線放射により測定）は、約１０００ｐｐｍまたはそれより多くの範囲、例えば２０００ｐｐｍである。非超高純度低ガス発生性カーボンの灰含有量は、約０．１％またはそれより多くの範囲、例えば０．４１％である。加えて、非超高純度低ガス発生性カーボン材料は、例えば鉛酸電池のようなエネルギー貯蔵および分配に好適な装置に組み込まれ得る。
【０１６１】
低ガス発生性カーボン粒子はまた、鉛粒子と物理的にブレンドされていることに加えて、鉛を含んでもよい。これは、鉛含有の低ガス発生性カーボン粒子および鉛粒子のブレンドをもたらす。このようなブレンドは、本明細書に記載される複合型装置において特有の有用性が見出される。この点に関して、低ガス発生性カーボン粒子は、任意の純度レベルであり得て、鉛は、低ガス発生性カーボン粒子の細孔中および／または低ガス発生性カーボン粒子の表面に組み込まれ得る。したがって、いくつかの実施形態では、低ガス発生性カーボン組成物は、複数の低ガス発生性カーボン粒子および複数の鉛粒子を含み、ここで低ガス発生性カーボン粒子は、鉛、例えば少なくとも１０００ｐｐｍの鉛を含む。前述の特定の他の実施形態では、低ガス発生性カーボン粒子は、鉛および５００ｐｐｍ未満の全ての他の不純物を含む。いくつかの他の実施形態では、低ガス発生性カーボン粒子は、少なくとも０．１０％、少なくとも０．２５％、少なくとも０．５０％、少なくとも１．０％、少なくとも５．０％、少なくとも１０％、少なくとも２５％、少なくとも５０％、少なくとも７５％、少なくとも９０％、少なくとも９５％、少なくとも９９％または少なくとも９９．５％の鉛を含む。例えば、いくつかの実施形態では、低ガス発生性カーボン粒子は、０．５％〜９９．５％の間の活性低ガス発生性カーボンおよび０．５％〜９９．５％の間の鉛を含む。鉛のパーセントは、重量パーセント基準（ｗｔ％）で算出される。
【０１６２】
本明細書に開示されるいかなる実施形態における鉛も、多くの形態であり得る。例えば、いくつかの実施形態では、鉛は、元素の鉛、酸化鉛（ＩＩ）、酸化鉛（ＩＶ）またはこれらの組合せの形態である。他の実施形態では、鉛は、酢酸鉛、炭酸鉛、硫酸鉛、オルトヒ酸鉛、ピロヒ酸鉛、臭化鉛、カプリン酸鉛、カプロン酸鉛、カプリル酸鉛、塩素酸鉛、塩化鉛、フッ化鉛、硝酸鉛、オキシ塩化鉛、オルトリン酸硫酸鉛、クロム酸鉛、塩基性クロム酸鉛、鉛フェライト、硫化鉛、タングステン酸鉛またはこれらの組合せの形態である。他の鉛塩もまた意図される。
【０１６３】
いくつかの実施形態では、低ガス発生性カーボン粒子は、少なくとも１，０００ｐｐｍの鉛を含む。他の実施形態では、低ガス発生性カーボン材料は、１１〜９２の範囲の原子番号を有する、合計５００ｐｐｍ未満の元素（意図的に添加されたあらゆる鉛を除外する）、例えば、２００ｐｐｍ未満、１００ｐｐｍ未満、５０ｐｐｍ未満、２５ｐｐｍ未満、１０ｐｐｍ未満、５ｐｐｍ未満または１ｐｐｍ未満を含む。特定の実施形態では、鉛含有量および／または不純物含有量は、プロトン励起ｘ線放射分析（ＰＩＸＥ）により測定される。他の実施形態では、純度決定は、全Ｘ線蛍光分析（ｔＸＲＦ）により遂行される。
【０１６４】
鉄、コバルト、ニッケル、クロム、銅、チタン、バナジウムおよびレニウムなどの特定の金属元素は、ブレンドを含む電極の電気的性能を低下させ得る。したがって、いくつかの実施形態では、低ガス発生性カーボン粒子は、低レベルの１つまたはそれより多くのこれらの元素を含む。例えば、特定の実施形態では、低ガス発生性カーボン粒子は、１００ｐｐｍ未満の鉄、５０ｐｐｍ未満の鉄、２５ｐｐｍ未満の鉄、１０ｐｐｍ未満の鉄、５ｐｐｍ未満の鉄または１ｐｐｍ未満の鉄を含む。他の実施形態では、低ガス発生性カーボン粒子は、１００ｐｐｍ未満のコバルト、５０ｐｐｍ未満のコバルト、２５ｐｐｍ未満のコバルト、１０ｐｐｍ未満のコバルト、５ｐｐｍ未満のコバルトまたは１ｐｐｍ未満のコバルトを含む。他の実施形態では、低ガス発生性カーボン粒子は、１００ｐｐｍ未満のニッケル、５０ｐｐｍ未満のニッケル、２５ｐｐｍ未満のニッケル、１０ｐｐｍ未満のニッケル、５ｐｐｍ未満のニッケルまたは１ｐｐｍ未満のニッケルを含む。他の実施形態では、低ガス発生性カーボン粒子は、１００ｐｐｍ未満のクロム、５０ｐｐｍ未満のクロム、２５ｐｐｍ未満のクロム、１０ｐｐｍ未満のクロム、５ｐｐｍ未満のクロムまたは１ｐｐｍ未満のクロムを含む。他の実施形態では、低ガス発生性カーボン粒子は、１００ｐｐｍ未満の銅、５０ｐｐｍ未満の銅、２５ｐｐｍ未満の銅、１０ｐｐｍ未満の銅、５ｐｐｍ未満の銅または１ｐｐｍ未満の銅を含む。他の実施形態では、低ガス発生性カーボン粒子は、１００ｐｐｍ未満のチタン、５０ｐｐｍ未満のチタン、２５ｐｐｍ未満のチタン、１０ｐｐｍ未満のチタン、５ｐｐｍ未満のチタンまたは１ｐｐｍ未満のチタンを含む。他の実施形態では、低ガス発生性カーボン粒子は、１００ｐｐｍ未満のバナジウム、５０ｐｐｍ未満のバナジウム、２５ｐｐｍ未満のバナジウム、１０ｐｐｍ未満のバナジウム、５ｐｐｍ未満のバナジウムまたは１ｐｐｍ未満のバナジウムを含む。他の実施形態では、低ガス発生性カーボン粒子は、１００ｐｐｍ未満のレニウム、５０ｐｐｍ未満のレニウム、２５ｐｐｍ未満のレニウム、１０ｐｐｍ未満のレニウム、５ｐｐｍ未満のレニウムまたは１ｐｐｍ未満のレニウムを含む。
【０１６５】
他の実施形態では、低ガス発生性カーボン粒子は、プロトン励起ｘ線放射により測定して、５ｐｐｍ未満のクロム、１０ｐｐｍ未満の鉄、５ｐｐｍ未満のニッケル、２０ｐｐｍ未満のケイ素、５ｐｐｍ未満の亜鉛を含み、かつビスマス、銀、銅、水銀、マンガン、白金、アンチモンおよびスズは検出されない。
【０１６６】
他の実施形態では、カーボン粒子は、プロトン励起ｘ線放射により測定して、７５ｐｐｍ未満のビスマス、５ｐｐｍ未満の銀、１０ｐｐｍ未満のクロム、３０ｐｐｍ未満の銅、３０ｐｐｍ未満の鉄、５ｐｐｍ未満の水銀、５ｐｐｍ未満のマンガン、２０ｐｐｍ未満のニッケル、５ｐｐｍ未満の白金、１０ｐｐｍ未満のアンチモン、１００ｐｐｍ未満のケイ素、１０ｐｐｍ未満のスズおよび１０ｐｐｍ未満の亜鉛を含む。
【０１６７】
他の実施形態では、カーボン粒子は、プロトン励起ｘ線放射により測定してプロトン励起ｘ線放射により測定して、５ｐｐｍ未満のクロム、１０ｐｐｍの鉄、５ｐｐｍ未満のニッケル、２０ｐｐｍ未満のケイ素、５ｐｐｍ未満の亜鉛を含み、かつビスマス、銀、銅、水銀、マンガン、白金、アンチモンおよびスズは検出されない。
【０１６８】
カーボン粒子の多孔度は、ブレンドの電気化学的性能に関する重要なパラメータである。したがって、一実施形態では、カーボン粒子は、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、少なくとも０．１０ｃｃ／ｇ、少なくとも０．０５ｃｃ／ｇまたは少なくとも０．０１ｃｃ／ｇのＤＦＴ細孔容積を備える。他の実施形態では、カーボン粒子は、任意の測定可能な細孔容積を持たない。他の実施形態では、カーボン粒子は、２０オングストロームよりも大きい細孔に関して、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または少なくとも０．６５ｃｃ／ｇのＤＦＴ細孔容積を備える。
【０１６９】
他の実施形態では、カーボン粒子は、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、少なくとも０．２０ｃｃ／ｇ、少なくとも０．１５ｃｃ／ｇ、または少なくとも０．１０ｃｃ／ｇのＤＦＴ細孔容積を備える。
【０１７０】
他の実施形態では、カーボン粒子は、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、少なくとも０．２０ｃｃ／ｇ、少なくとも０．１５ｃｃ／ｇ、または少なくとも０．１０ｃｃ／ｇのＤＦＴ細孔容積を備える。
【０１７１】
他の実施形態では、カーボン粒子は、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、少なくとも０．２０ｃｃ／ｇ、少なくとも０．１５ｃｃ／ｇ、または少なくとも０．１０ｃｃ／ｇのＤＦＴ細孔容積を備える。
【０１７２】
他の実施形態では、カーボン粒子は、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、少なくとも０．２０ｃｃ／ｇ、少なくとも０．１５ｃｃ／ｇ、または少なくとも０．１０ｃｃ／ｇのＤＦＴ細孔容積を備える。
【０１７３】
また他の実施形態では、カーボン粒子は、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、少なくとも０．２０ｃｃ／ｇ、少なくとも０．１５ｃｃ／ｇ、または少なくとも０．１０ｃｃ／ｇの全ＤＦＴ細孔容積を備える。
【０１７４】
特定の実施形態では、非常に小さいミクロ多孔度（例えば、３０％未満、２０％未満、１０％未満または５％未満のミクロ多孔度）を有するメソ細孔カーボン粒子を提供する。そのようなカーボン粒子の細孔容積および表面積は、特定の実施形態における鉛および電解液イオンの含有にとって有利である。例えば、メソ細孔カーボンは、熱分解されたが活性化されていないポリマーゲルであり得る。いくつかの実施形態では、メソ細孔カーボンは、少なくとも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または少なくとも７５０ｍ２／ｇの比表面積を備える。他の実施形態では、メソ細孔カーボン粒子は、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、少なくとも１．０ｃｃ／ｇまたは少なくとも１．１ｃｃ／ｇの全細孔容積を備える。また他の実施形態では、メソ細孔カーボン粒子は、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または少なくとも０．５５ｇ／ｃｃのタップ密度を備える。
【０１７５】
所望されないＰＩＸＥ不純物の低含有量に加えて、本開示のカーボン粒子は、高い全炭素含有量を含み得る。炭素に加えて、カーボン粒子は、酸素、水素、窒素および電気化学的改質剤も含み得る。いくつかの実施形態では、粒子は、重量／重量基準で、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％の炭素または少なくとも９９％の炭素を含む。いくつかの他の実施形態では、カーボン粒子は、重量／重量基準で、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％未満の酸素または０．５％未満の酸素を含む。他の実施形態では、カーボン粒子は、重量／重量基準で、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％未満の水素または０．１％未満の水素を含む。他の実施形態では、カーボン粒子は、重量／重量基準で、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％未満の窒素または０．０１％未満の窒素を含む。本開示のカーボン粒子の酸素、水素および窒素の含有量は、燃焼分析により決定され得る。燃焼分析による元素組成物を決定する技術は、当技術分野で周知である。
【０１７６】
いくつかの実施形態では、低ガス発生性カーボン材料の窒素含有量は、５％〜５０％の間の窒素である。例えば、低ガス発生性カーボンの窒素含有量は、５％〜１０％、例えば１０％〜２０％、例えば２０％〜３０％の間である。他の実施形態では、低ガス発生性カーボンの窒素含有量は、５％〜１５％、例えば１５％〜２５％、例えば２５％〜３５％の間である。好ましい実施形態では、低ガス発生性カーボンの窒素含有量は１５〜２０％である。
【０１７７】
カーボン粒子の全灰含有量は、場合によっては、ブレンドの電気化学的性能に影響を及ぼし得る。したがって、いくつかの実施形態では、カーボン粒子の灰含有量（意図的に添加されたあらゆる鉛を除外する）は、０．１％〜０．００１％の重量パーセントの灰の範囲であり、例えば、いくつかの特定の実施形態では、カーボン粒子の灰含有量は、０．１％未満、０．０８％未満、０．０５％未満、０．０３％未満、０．０２５％未満（than）、０．０１％未満、０．００７５％未満、０．００５％未満または０．００１％未満である。
【０１７８】
他の実施形態では、カーボン粒子は、５００ｐｐｍ未満の要素の全不純物含有量（意図的に添加されたあらゆる鉛を除外する）および０．０８％未満の灰含有量（意図的に添加されたあらゆる鉛を除外する）を含む。更なる実施形態では、カーボン粒子は、３００ｐｐｍ未満の全ての他の要素の全不純物含有量および０．０５％未満の灰含有量を含む。他の更なる実施形態では、カーボン粒子は、２００ｐｐｍ未満の全ての他の要素の全ＰＩＸＥ不純物含有量および０．０５％未満の灰含有量を含む。他の更なる実施形態では、カーボン粒子は、２００ｐｐｍ未満の全ての他の要素の全不純物含有量および０．０２５％未満の灰含有量を含む。他の更なる実施形態では、カーボン粒子は、１００ｐｐｍ未満の全ての他の要素の全不純物含有量および０．０２％未満の灰含有量を含む。他の更なる実施形態では、カーボン粒子は、５０ｐｐｍ未満の全ての他の要素の全不純物含有量および０．０１％未満の灰含有量を含む。
【０１７９】
本開示のカーボン粒子はまた、高表面積も備える。理論に束縛されることは望まないが、このような高表面積は、少なくともある程度、ブレンドのより優れた電気化学的性能に寄与し得ることが考えられる。したがって、いくつかの実施形態では、カーボン粒子は、少なくとも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７００ｍ２／ｇ、少なくとも８００ｍ２／ｇ、少なくとも９００ｍ２／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または少なくとも３０００ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を備える。例えば、前述のいくつかの実施形態では、カーボン粒子は活性化されている。
【０１８０】
別の実施形態では、カーボン粒子は、０．１〜１．０ｇ／ｃｃ、０．２〜０．８ｇ／ｃｃ、０．３〜０．５ｇ／ｃｃまたは０．４〜０．５ｇ／ｃｃの間のタップ密度を備える。別の実施形態では、カーボン粒子は、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または少なくとも１．６ｃｍ３／ｇの全細孔容積を備える。
【０１８１】
本開示のカーボン粒子の細孔サイズ分布は、ブレンド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。したがって、一実施形態では、カーボン粒子は、１００ｎｍまたはそれ未満の細孔の分画細孔容積を備え、それは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％または全細孔容積の少なくとも９９％を構成する。他の実施形態では、カーボン粒子は、２０ｎｍまたはそれ未満の細孔の分画細孔容積を備え、それは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％または全細孔容積の少なくとも９９％を構成する。
【０１８２】
別の実施形態では、カーボン粒子は、１００ｎｍまたはそれ未満の細孔の分画細孔表面積を備え、それは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％または全細孔表面積の少なくとも９９％を構成する。別の実施形態では、カーボン粒子は、２０ｎｍまたはそれ未満の細孔の分画細孔表面積を備え、それは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％または全細孔表面積の少なくとも９９％を構成する。
【０１８３】
別の実施形態では、カーボン粒子は、主に１０００オングストロームまたはそれ未満の範囲、例えば１００オングストロームまたはそれ未満、例えば５０オングストロームまたはそれ未満の細孔を含む。あるいは、カーボン粒子は、０〜２０オングストロームの範囲のミクロ細孔および２０〜１０００オングストロームの範囲のメソ細孔を含む。ミクロ細孔範囲のメソ細孔範囲と比較した、細孔容積または細孔表面の比は、９５：５〜５：９５の範囲であり得る。
【０１８４】
他の実施形態では、カーボン粒子はメソ細孔であり、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」とは、細孔サイズに関連して使用されるとき、一般にスパンを指し（更に（Ｄｖ９０−Ｄｖ１０）／Ｄｖ，５０と定義され、式中、Ｄｖ１０、Ｄｖ５０およびＤｖ９０とは、体積による分布の１０％、５０％および９０％における細孔サイズを指す）、約３またはそれ未満、典型的には約２またはそれ未満、約１．５またはそれ未満であることが多い。
【０１８５】
また他の実施形態では、カーボン粒子は、少なくとも０．２ｃｃ／ｇ、少なくとも０．５ｃｃ／ｇ、少なくとも０．７５ｃｃ／ｇ、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または少なくとも７ｃｃ／ｇの全細孔容積を備える。特有の一実施形態では、カーボン粒子は、０．５ｃｃ／ｇ〜１．０ｃｃ／ｇの細孔容積を備える。
【０１８６】
他の実施形態では、カーボン粒子は、５０Å〜５０００Åの範囲の直径を有する細孔に属する全細孔容積の少なくとも５０％を構成する。場合によっては、カーボン粒子は、５０Å〜５００Åの範囲の直径を有する細孔に属する全細孔容積の少なくとも５０％を構成する。更に他の場合には、カーボン粒子は、５００Å〜１０００Åの範囲の直径を有する細孔に属する全細孔容積の少なくとも５０％を構成する。また他の場合には、カーボン粒子は、１０００Å〜５０００Åの範囲の直径を有する細孔に属する全細孔容積の少なくとも５０％を構成する。
【０１８７】
いくつかの実施形態では、カーボン粒子に関する平均粒子直径は、１〜１０００ミクロンの範囲である。他の実施形態では、カーボン粒子に関する平均粒子直径は、１〜１００ミクロンの範囲である。更に他の実施形態では、カーボン粒子に関する平均粒子直径は、５〜５０ミクロンの範囲である。また他の実施形態では、カーボン粒子に関する平均粒子直径は、５〜１５ミクロンまたは３〜５ミクロンの範囲である。更に他の実施形態では、カーボン粒子に関する平均粒子直径は、約１０ミクロンである。
【０１８８】
いくつかの実施形態では、カーボン粒子は、２ｎｍ〜１０ｎｍの範囲のピーク細孔容積を有する細孔を含む。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。
【０１８９】
理論に束縛されることは望まないが、小細孔サイズ（すなわち、細孔長さ）を備えるカーボン粒子は、拡散距離の減少という利点を有して、鉛または鉛塩の含浸を促進し得る。例えば、メソ細孔範囲の（上で述べたような）有意な割合の細孔を有するカーボン粒子の利用により、例えばミクロンまたはミリメートルサイズの細孔のようなより大きい細孔サイズを含むカーボン粒子と比較して、著しい利点がもたらされると考えられている。
【０１９０】
特定の実施形態では、カーボン粒子の吸水特性（すなわち、カーボン粒子が吸収し得る水の全量）により、カーボン−鉛ブレンドに組み込まれたときのカーボンの電気化学的性能が予測される。水は、カーボン粒子中の細孔容積および／または個々のカーボン粒子間の空隙内に吸収され得る。水吸収が多くなるにつれ、なおさらより多くの表面積が水分子に曝露され、したがって、液体−固体の境界面において得られる鉛−スルフェートの核生成部位が増加する。水到達可能な細孔もまた、付加的な材料利用のための鉛ペ−スト極板の中心への電解液の輸送を可能にする。したがって、いくつかの実施形態では、カーボン粒子は活性カーボン粒子であり、０．２ｇ  Ｈ２Ｏ／ｃｃ（ｃｃ＝カーボン粒子中の細孔容積）よりも大きい、０．４ｇ  Ｈ２Ｏ／ｃｃよりも大きい、０．６ｇ  Ｈ２Ｏ／ｃｃよりも大きい、０．８ｇ  Ｈ２Ｏ／ｃｃよりも大きい、１．０ｇ  Ｈ２Ｏ／ｃｃよりも大きい、１．２５ｇ  Ｈ２Ｏ／ｃｃよりも大きい、１．５ｇ  Ｈ２Ｏ／ｃｃよりも大きい、１．７５ｇ  Ｈ２Ｏ／ｃｃよりも大きい、２．０ｇ  Ｈ２Ｏ／ｃｃよりも大きい、２．２５ｇ  Ｈ２Ｏ／ｃｃよりも大きい、２．５ｇ  Ｈ２Ｏ／ｃｃよりも大きいまたは更に２．７５ｇ  Ｈ２Ｏ／ｃｃよりも大きい水吸収率を有する。他の実施形態では、粒子は未活性粒子であり、０．２ｇ  Ｈ２Ｏ／ｃｃよりも大きい、０．４ｇ  Ｈ２Ｏ／ｃｃよりも大きい、０．６ｇ  Ｈ２Ｏ／ｃｃよりも大きい、０．８ｇ  Ｈ２Ｏ／ｃｃよりも大きい、１．０ｇ  Ｈ２Ｏ／ｃｃよりも大きい、１．２５ｇ  Ｈ２Ｏ／ｃｃよりも大きい、１．５ｇ  Ｈ２Ｏ／ｃｃよりも大きい、１．７５ｇ  Ｈ２Ｏ／ｃｃよりも大きい、２．０ｇ  Ｈ２Ｏ／ｃｃよりも大きい、２．２５ｇ  Ｈ２Ｏ／ｃｃよりも大きい、２．５ｇ  Ｈ２Ｏ／ｃｃよりも大きいまたは更に２．７５ｇ  Ｈ２Ｏ／ｃｃよりも大きい水吸収率を有する。例示的なカーボン粒子の水吸収率の決定方法は、当技術分野で公知であり、実施例２６に記載されている。
【０１９１】
カーボン粒子の水吸収率は、Ｒ因子という用語でも測定され得て、ここでＲは、カーボンのグラム当たりの吸収された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よりも大きく、１．８よりも大きく、１．６よりも大きく、１．４よりも大きく、１．２よりも大きく、１．０よりも大きく、０．８よりも大きく、または０．６よりも大きい。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。
【０１９２】
カーボン粒子のＲ因子はまた、長期間（例えば、２週間）多湿環境に曝露されたときの、カーボン粒子の水吸収能力に基づいて決定され得る。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、カーボン粒子は、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因子を備える。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未満または更に０．８未満である。前述の実施形態では、カーボン粒子は、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の間の全細孔容積を備える。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％もしくは約９０％〜約９９％の範囲または更に１００％である。上のＲ因子は、カーボン粒子を、室温で２週間、規定湿度に曝露することにより決定され得る。
【０１９３】
本開示の別の実施形態では、カーボン粒子は本明細書に開示される方法により調製され、例えば、いくつかの実施形態では、カーボン粒子は、本明細書に開示される乾燥ポリマーゲルを熱分解することを含む方法により調製される。いくつかの実施形態では、熱分解ポリマーゲルは更に活性化されて、活性カーボン材料を得る。いくつかの実施形態では、活性カーボン材料は、例えばジェット粉砕またはボール粉砕のような当技術分野で公知の手法を使用して、粒度が低減される。鉛を含むカーボン粒子もまた、以下に更に詳細に記載する多くの方法により調製され得る。
【０１９４】
Ｅ．カーボン材料の調製
カーボンの粒子は、本明細書、ならびに両方ともその全容が参照により本明細書に組み込まれている、米国特許出願第１２／９６５，７０９号および米国特許出願公開第２００１／００２０８６号に開示されるポリマーゲル法により作製され得る。鉛の粒子は、例えば粉砕、および摩砕などの、当技術分野で公知の方法により作製され得る。２つの異なる粒子のブレンドもまた、公知の方法により遂行され得る。複数集団のカーボン粒子と鉛粒子とのブレンドの場合では、ブレンドは選択的にまたはまとめて行われ得る。例えば、２つの粒子集団が最初にブレンドされ得て、第３の集団が、この混合物に添加され得る。一実施形態では、この最初の混合物は、双峰性のカーボン粒度を呈する。更なる実施形態では、最初の混合物は、カーボン粒子および鉛粒子の双峰性分布を示す。更なる実施形態では、最初の混合物は、同様のサイズのカーボン粒子および鉛粒子の混合物を示す。カーボン粒子の調製の詳細は、以下に記載される。
【０１９５】
ポリマーゲルは、ゾルゲルプロセスにより調製され得る。例えば、ポリマーゲルは、適切な溶媒中で１つまたはそれより多くのポリマー前駆体を共重合することにより調製され得る。一実施形態では、１つまたはそれより多くのポリマー前駆体は、酸性条件下で共重合される。いくつかの実施形態では、第１のポリマー前駆体はフェノール類化合物であり、第２のポリマー前駆体はアルデヒド化合物である。該方法の一実施形態では、フェノール類化合物は、フェノール、レソルシノール、カテコール、ヒドロキノン、フロログルシノール、また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、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、またはこれらの組合せである。更なる実施形態では、フェノール類化合物は、レソルシノール、フェノール、また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。また更なる実施形態では、フェノール類化合物は、レソルシノールであり、アルデヒド化合物は、ホルムアルデヒドである。
【０１９６】
多様な他のポリマー前駆体もまた入手可能であり、かつ当技術分野で記載されている。本明細書に開示される例示的なポリマー前駆物質として、（ａ）アルコール、フェノール類化合物、および他のモノ−またはポリヒドロキシ化合物、ならびに（ｂ）アルデヒド、ケトン、ならびにこれらの組合せが挙げられる。この状況で典型的なアルコールとして、直鎖および分枝の、飽和および不飽和のアルコールが挙げられる。好適なフェノール類化合物として、ジヒドロキシベンゼンまたはトリヒドロキシベンゼンなどのポリヒドロキシベンゼンが挙げられる。典型的なポリヒドロキシベンゼンとして、レソルシノール（すなわち、１，３−ジヒドロキシベンゼン）、カテコール、ヒドロキノン、およびフロログルシノールが挙げられる。２つまたはそれより多くのポリヒドロキシベンゼンの混合物もまた使用され得る。フェノール（モノヒドロキシベンゼン）もまた使用され得る。典型的なポリヒドロキシ化合物として、グルコースなどの糖、およびマンニトールなどの他のポリオールが挙げられる。この状況でアルデヒドとして、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）、およびブタナール（ブチルアルデヒド）などの直鎖飽和アルデヒド；エテノンおよび他のケテン、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）、および３ブテナールなどの直鎖不飽和アルデヒド；分枝の飽和および不飽和アルデヒド；ならびにベンズアルデヒド、サリチルアルデヒド、およびヒドロシンナムアルデヒドなど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、プロパノンおよび２ブタノンなどの直鎖飽和ケトン；プロペノン、２ブテノン、および３−ブテノン（メチルビニルケトン）などの直鎖不飽和ケトン；分枝の飽和および不飽和ケトン；ならびにメチルベンジルケトン（フェニルアセトン）、およびエチルベンジルケトンなどの芳香族型ケトンが挙げられる。興味深い他の前駆体として、ビスフェノール（ビスフェノールＡなど）などが挙げられる。ポリマー前駆物質はまた、上述の前駆体の組合せでもあり得る。
【０１９７】
いくつかの実施形態では、１つのポリマー前駆体はアルコール含有種であり、別のポリマー前駆体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、ケトンまたはこれらの組合せ）と反応するアルコール含有種（例えば、アルコール、フェノール類化合物およびモノ−もしくはポリ−ヒドロキシ化合物またはこれらの組合せ）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化学種に対する比は、アルコール含有種中の反応性アルコール基の全モルが、アルデヒド化学種中の反応性カルボニル基の全モルとほぼ同一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化学種に対する比は、アルコール含有種中の反応性アルコール基の全モルが、ケトン化学種中の反応性カルボニル基の全モルとほぼ同一であるように選択され得る。カルボニル含有種が、アルデヒド化学種およびケトン化学種の組合せを含むとき、同一の一般の１：１モル比は有効である。ホルムアルデヒドなどのアルデヒドに加えて、別の例示的な架橋剤はヘキサメチレンテトラミンである。
【０１９８】
ゾルゲル重合プロセスは、一般に触媒条件下で実施される。したがって、いくつかの実施形態では、ポリマーゲルの調製は、触媒の存在下での１つまたはそれより多くのポリマー前駆体の共重合を含む。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、また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。
【０１９９】
触媒のフェノール類化合物に対するモル比は、ポリマーゲルの最終的特性、ならびに例えばカーボン材料の最終的特性にも影響を及ぼし得る。したがって、いくつかの実施形態では、このような触媒は、５：１〜２０００：１のフェノール類化合物：触媒のモル比の範囲において使用される。いくつかの実施形態では、このような触媒は、２０：１〜２００：１のフェノール類化合物：触媒のモル比の範囲において使用され得る。例えば、他の実施形態では、このような触媒は、５：１〜１００：１の
フェノール類化合物：触媒のモル比の範囲において使用され得る。
【０２００】
反応溶媒は、ポリマーゲルおよびカーボン材料の所望の特性（例えば、表面積、多孔度、純度など）を得るために変化させ得る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、ポリマーゲルの調製用の溶媒は、水およ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、溶媒は水混和性酸を含む。水混和性酸の例として、プロピオン酸、酢酸、およ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、９９：１、９０：１０、７５：２５、５０：５０、２５：７５、１０：９０または１：９０の、水混和性酸の水に対する比を備える。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りもたらされる。
【０２０１】
前述のいくつかの他の実施形態では、ポリマーゲルの調製用の溶媒は酸性である。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。他の実施形態では、混合溶媒系が提供され、該溶媒の１つは酸性である。例えば、該方法の一実施形態では、溶媒は、酢酸および水を含む二元溶媒である。更なる実施形態では、溶媒は、９９：１、９０：１０、７５：２５、５０：５０、２５：７５、２０：８０、１０：９０または１：９０の、酢酸の水に対する比を備える。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りもたらされる。
【０２０２】
ポリマーゲル粒子は、両方ともその全容が参照により本明細書に組み込まれている、米国特許出願第１２／９６５，７０９号および米国特許出願公開第２００１／００２０８６号に記載される急速凍結、続いて凍結乾燥を含む、当技術分野で公知の様々な技術により乾燥され得る。同様に、これらの同一参照により、乾燥された（例えばフリーズドライされた）ポリマーゲルの熱分解および活性化の記載が提供される。
【０２０３】
Ｆ．カーボン材料のキャラクタリゼーション
低ガス発生性カーボン材料の特性は、例えば７７Ｋにおける窒素収着のような、当業者に公知の方法を使用して測定され得る。完成したカーボン材料の最終性能および特徴は重要であるが、中間生成物（乾燥ポリマーゲルおよび熱分解されたが活性化されていないポリマーゲルの両方）もまた、当業者に公知のように、詳細には品質管理の観点から評価され得る。Ｍｉｃｒｏｍｅｒｅｔｉｃｓ社のＡＳＡＰ２０２０が詳細なミクロ細孔およびメソ細孔分析を実施するために使用され、いくつかの実施形態では、０．３５ｎｍ〜５０ｎｍの細孔サイズ分布を明らかにする。該システムは、１ｎｍ未満範囲における高分解能細孔サイズ分布を可能にする、１０−７気圧の圧力から開始する窒素等温線を作成する。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、特定の細孔サイズ範囲内の細孔サイズ分布、表面積分布、全表面積、全細孔容積、および細孔容積などの特性を算出する。
【０２０４】
低ガス発生性カーボン粒子の不純物および鉛含有量は、当業者に公知の多くの分析技術により決定され得る。本開示の状況内で有用な１つの特有の分析方法は、プロトン励起ｘ線放射（ＰＩＸＥ）である。この技術は、低ｐｐｍレベルで、１１〜９２の範囲の原子番号を有する元素の濃度を測定することが可能である。したがって、一実施形態では、カーボン粒子またはブレンド中に存在する鉛、ならびに全ての他の元素の濃度を、ＰＩＸＥ分析により決定する。あるいは、純度測定は、ｔＸＲＦにより遂行され得る。
【０２０５】
本開示の低ガス発生性カーボン粒子は、多くの電気的エネルギー貯蔵および分配装置において電極材料として使用され得る。このような装置の１つは、例えばカーボン／鉛酸電池のような複合型カーボン／金属電池である。ブレンドの高い純度、表面積および多孔度により、同ブレンドから調製された電極に対して電気的特性の改善が付与される。したがって、本開示は、他のカーボン材料を含有する装置と比較して、より長い活性寿命および改善された電力性能を有する電気的エネルギー貯蔵装置を提供する。特に、低ガス発生性カーボン粒子の開放セル、多孔質ネットワーク、および相対的に小さい細孔サイズのため、電気的エネルギー貯蔵装置の正電極および負電極の化学的活物質は、集電体と根本的に一体化され得る。化学的活性カーボンにおける反応部位は、したがって、１つまたはそれより多くの伝導性カーボン構造要素に近接し得る。したがって、特有の反応部位において化学的活物質中に生じる電子は、特有の集電体の多くの伝導性構造要素の１つと遭遇する前に、活物質を通ってただ短距離を移動しなければならないだけである。
【０２０６】
加えて、本開示の低ガス発生性カーボン粒子の多孔度により、化学反応における充電および放電にとって必要である電解液イオン（例えば、硫酸イオン）の貯蔵所が提供される。活物質への電解液イオンの近接性は従来の電極におけるよりもかなり近く、結果的に、カーボン材料を組み込んだ電極を備える装置（例えば、電池）は、改善された比出力および比エネルギー値の両方をもたらす。言い換えれば、これらの装置は、負荷下に置かれると、鉛、黒鉛極板、鉛などを含まない活性カーボンから作製された従来の集電体を備える装置よりも、長期間、所定の閾値よりも高い電圧を維持する。
【０２０７】
本開示の装置によりもたらされる比出力値の増加もまた、結果的に充電回数の低減につながり得る。したがって、本開示の装置は、限られた時間のみでエネルギー充電が得られる用途に好適であり得る。例えば、車両において、通常の制動中に大量のエネルギーが失われる。この制動エネルギーは回生され、例えばハイブリッド車両の電池の充電に使用され得る。しかしながら、制動エネルギーは、短期間のみ（例えば、制動が行われている間）に得られる。したがって、制動エネルギーの電池へのいかなる移動も、制動中に行われなければならない。充電回数の低減を考慮して、本発明の装置は、そのような制動エネルギーの貯蔵に効率的な手段を提供することができる。
【０２０８】
本開示の低ガス発生性カーボン材料は、鉛酸電池に使用される電極に有用性が見出される。したがって、本開示の一実施形態は、少なくとも１個のセルを含む複合型鉛−カーボン−酸電気的エネルギー貯蔵装置であり、少なくとも１個のセルは、複数の低ガス発生性カーボンおよび鉛系の正電極ならびに１つまたはそれより多くの低ガス発生性カーボンおよび鉛系の負電極を備える。該装置は、更に、セル間のセパレータ、酸電解液（例えば、硫酸水溶液）、および装置を収容するケーシングを備える。
【０２０９】
複合型鉛−低ガス発生性カーボン−酸エネルギー貯蔵装置のいくつかの実施形態では、低ガス発生性カーボン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低ガス発生性カーボン−鉛ブレンド、および負電極または正電極の上端の上方に延在するタブ要素を備える。例えば、低ガス発生性カーボン−鉛系の正電極はそれぞれ、鉛系集電体および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、ならびに正電極の上端の上方に延在するタブ要素を備えてもよい。二酸化鉛系活物質は、任意の本開示のブレンドを含む。ブレンド中の鉛または酸化鉛は、陽極用のエネルギー貯蔵活物質としての役割を果たす。
【０２１０】
複合型鉛−低ガス発生性カーボン−酸エネルギー貯蔵装置の他の実施形態では、鉛系集電体の前面および後面はそれぞれ、鉛系集電体の中間平面に対して高くなった部分およ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隙間を更に備える。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。
【０２１１】
負電極は、伝導性集電体；低ガス発生性カーボン−鉛ブレンド；および側面から、例えば負電極の上端の上方から延在するタブ要素を備えてもよい。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得て、コネクタ構造を備え得る。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。粒子が、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、粒子は、ＰＴＦＥまたは超高分子量ポリエチレン（例えば、通例、約２００万〜約６００万の間の、数百万の分子量を有する）などの好適な結合剤物質と混合されてもよい。いくつかの実施形態では、結合剤材料は、熱可塑特性を呈さないかまたは最小限の熱可塑特性を呈する。
【０２１２】
特定の実施形態では、電池セルはそれぞれ、鉛系でありかつ二酸化鉛活物質を含む４個の正電極を備える。正電極はそれぞれ、正電極の各面に接着された多孔質カーボン材料（例えば、カーボン−鉛ブレンド）およびカーボン内に含有される二酸化鉛を含む高伝導性集電体を備える。また、この実施形態では、電池セルは、３個の負電極を備え、負電極のそれぞれは負電極の各面に接着された多孔質カーボン材料を含む高伝導性集電体を備え、この低ガス発生性カーボン材料は、カーボン内に鉛を含む。
【０２１３】
他の実施形態では、セルはそれぞれ、交互の順番で置かれる複数の正電極および複数の負電極を備える。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、酸電解液を用いた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、不織布もしくはフェルト製材料またはこれらの組合せなど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または圧延されていてもよく、かつ打ち抜きまたは機械加工されていてもよい。
【０２１４】
セルはそれぞれ、交互の正および負の極板を備えてもよく、電解液は、正および負の極板間の体積中に配されてもよい。加えて、電解液は、正および負の極板に含まれる材料中の細孔空隙のいくらかまたは全てを占めてもよい。一実施形態では、電解液は、その中に正および負の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、特有の電池化学作用に対応するように選択され得る。鉛酸電池では、例えば、電解液は硫酸および蒸留水の溶液を含み得る。しかしながら、本開示の電池の電解質溶液を形成するために、他の酸が使用されてもよい。
【０２１５】
別の実施形態では、電解液はシリカゲルを含んでもよい。このシリカゲル電解液は、ゲルが、セルの正および負の極板（複数可）間の体積を少なくとも部分的に満たすように、電池に加えられ得る。
【０２１６】
いくつかの他の変形では、各セルの正および負の極板は、化学的活物質で包まれるかまた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および解放が可能になる。この活物質の組成物で、かつ集電体材料ではない組成物が、特有の集電体が正極板としてかそれとも負極板として機能するかを決定する。
【０２１７】
化学的活物質の組成物はまた、装置の化学作用にも依存する。例えば、鉛酸電池は、例えば鉛の酸化物また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。化学的活物質はまた、例えば、多様な百分率の遊離鉛、構造繊維、伝導性材料、カーボン、および電池寿命にわたる体積変化に適応する増量剤を含む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、硫酸および水と混合されて、ペースト、スラリー、または任意の他の種類のコーティング材料を形成し得る。
【０２１８】
ペーストまたはスラリーの形態の化学的活物質は、例えば、正およ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、また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、集電体に塗布され得る。
【０２１９】
特定の実施形態では、電池の正および負の極板は、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は、硬化および／また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および／または物理的特性における変化を奨励するために、化学的活物質を昇温および／または湿潤状態に曝露することを含み得る。
【０２２０】
正および負の極板を組み立ててセルを形成した後、電池には、充電（すなわち、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物は、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）へと変化し得て、かつ負極板の活物質は、スポンジ状鉛へと変換し得る。逆に、それに続く鉛酸電池の放電中に、正極板および負極板の両方の化学的活物質は、硫酸鉛へと変換する。
【０２２１】
本開示の実施形態のブレンドは、細孔のネットワークを含み、これは各集電体に対して非常に大きい表面積を提供し得る。例えば、上述の装置の特定の実施形態では、低ガス発生性カーボン粒子はメソ細孔であり、他の実施形態では、低ガス発生性カーボン粒子はミクロ細孔である。ブレンドを含む集電体は、従来の集電体により提供される表面積量の２０００倍よりも多くの表面積量を呈し得る。更に、低ガス発生性カーボン層は、上述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。
【０２２２】
活物質用の基材（すなわち、支持体）は、いくつかの異なる材料および物理的立体配置を含み得る。例えば、特定の実施形態では、基材は、電気伝導性材料、ガラス、またはポリマーを含み得る。特定の実施形態では、基材は、鉛また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、クロスメンバーおよびストラットを有するグリッドパターンなどの開放構造を備え得る。
【０２２３】
基材はまた、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、基材がポリマーまたは低伝導性を有する材料を含む実施形態では、カーボン層は、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。そのような実施形態では、タブおよび低ガス発生性カーボン層を形成するために使用されるカーボンは、低ガス発生性カーボン層に対する良好な機械的および電気的接触に役立つかまたはそれらを提供するように、鉛、銀、または任意の他の好適な金属などの金属を導入され得る。
【０２２４】
ブレンドは、基材がブレンドに対して支持体と成り得るように、基材に物理的に結合されてもよい。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、ブレンドおよび基材には、ブレンドが物理的に基材と結合するように、熱および／また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、積層プロセスにおいて補助するために、熱および／または圧力を感受する積層フィルムまたは接着剤が使用されてもよい。
【０２２５】
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、カーボン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、ワイヤまた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、ねじなどを使用して支持体に接合されてもよい。あるいは、ブレンドは、ワイヤ糸、また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、更に結合剤（例えば、テフロン（登録商標）など）を含んでもよい。
【０２２６】
上述の二層集電体（すなわち、基材にブレンドを加える）に加えて、本開示の実施形態は、二層集電体と組み合わせて他の種類の集電体を含む。例えば、本開示の実施形態での使用に好適な集電体は、実質的にカーボン単独から形成され得る。すなわち、この実施形態と一致したカーボン集電体は、支持用裏打ち材がない。カーボン集電体は、しかしながら、カーボン集電体との電気的接触の確立を補助するために、カーボン表面の一部に堆積された金属などの他の材料を含み得る。
【０２２７】
他の集電体は、実質的に鉛などの電気伝導性材料から形成され得る。集電体は、鉛から作製され得て、かつクロスメンバーおよびストラットのグリッドパターンを備えるように形成され得る。一実施形態では、集電体は、ストラットがある角度でクロスメンバーと交差するように、放射状グリッドパターンを備え得る。集電体はまた、集電体との電気的接触を確立するのに有用なタブも備え得る。
【０２２８】
一実施形態では、集電体は鉛から製作され得て、かつ六角形のグリッドパターンを備えるように形成され得る。特に、集電体の構造要素は、六角形に密充填された配置中に、複数の六角形状の間隙を形成するように構成され得る。集電体はまた、集電体との電気的接触を確立するのに有用なタブも備え得る。
【０２２９】
本開示と一致して、セルは、いくつかの異なる集電体配置を備えるように構成され得る。一実施形態では、セルの１つまたはそれより多くの負極板は、基材上に配されたカーボン層を有する集電体を備え得る。この実施形態では、セルの１つまたはそれより多くの正極板は、カーボン集電体（例えば、基材を含まないカーボン層）または鉛グリッド集電体（例えば、カーボン層を含まない鉛グリッドコレクタ）を備え得る。
【０２３０】
別の実施形態では、セルの１つまたはそれより多くの正極板は、基材上に堆積されたカーボン層を備える集電体を備え得る。この実施形態では、セルの１つまたはそれより多くの負極板は、カーボン集電体（例えば、基材を含まないカーボンコレクタ）または鉛グリッド集電体（例えば、カーボン層を含まない鉛グリッドコレクタ）を備え得る。
【０２３１】
また別の実施形態では、１つまたはそれより多くの負極板および１つまたはそれより多くの正極板の両方は、基材上に堆積されたカーボン層を備える集電体を備え得る。したがって、この実施形態では、二層集電体は、正電極および負電極の両方の極板に組み込まれ得る。
【０２３２】
電池の正および／または負の極板にブレンドを組み込むことにより、集電体の腐食が抑制され得る。結果として、本開示と一致した電池は、著しく長い耐用寿命をもたらし得る。加えて、本開示のカーボン集電体は、柔軟であり得て、したがって、これらは黒鉛極板または他の脆弱な材料から作製された集電体と比較して、振動または衝撃から損傷を受けにくいこともあり得る。低ガス発生性カーボン集電体を備える電池は、振動および衝撃が一般的である車両用途、または他の用途において良好に作動し得る。
【０２３３】
別の実施形態では、低ガス発生性カーボンを含むブレンドはまた、電気化学的性能を高める特定の金属および金属酸化物添加剤も含み得る。この目的を達成するために、鉛および酸化鉛を含む陽極ペーストは、低ガス発生性カーボン粒子と密接に混合され得る。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、ケイ素、これらの酸化物、それらを含む化合物またはこれらの組合せなどの特定の他の元素の少量添加により、正極活物質の化学的エネルギー貯蔵効率を増大させる可能性がもたらされる。これらの金属元素およびその酸化物のいくつかは、二酸化鉛の結晶構造を再現するために作用し、かつ二酸化鉛活物質内で充電放電プロセスならびに付加的伝導性ネットワークのための付加的核生成部位を提供する。これらの材料は、鉛ペーストが塗布される前に、低ガス発生性カーボンの細孔内および低ガス発生性カーボン表面に位置し得る。これらの金属は、二酸化鉛正極活物質のための伝導性補助として作用し得て、ならびに陽極内でこの増大した伝導性ネットワークを通して、二酸化鉛活物質の効率を増大させる。特定の実施形態では、ヒ素、コバルト、ニッケル、鉄、クロムおよびテルルなどの不純物は、充電サイクル中に陽極での酸素放出を増加させるため、カーボンおよび電極中で最小化される。
【０２３４】
他の実施形態では、ブレンドは、極めて不溶性の硫酸塩を形成する、ナトリウム、カリウムおよび特にカルシウム、マグネシウム、バリウム、ストロンチウム、クロム、ニッケル、鉄および他の金属などの金属性不純物の有意な量を含有しない。これらの不純物は、カーボン材料の細孔内部に沈殿し、事実上その有効性を妨害する。ナトリウムおよびカリウムは、等モル量の水素イオンを中和し、それらを無効力にする。
【０２３５】
本開示の別の実施形態では、複合型カーボン鉛エネルギー貯蔵装置に使用されるブレンド中の低ガス発生性カーボン粒子は、２ｎｍ〜５０ｎｍのサイズの細孔であり、正電極または負電極中に混合されると電気化学的性能を高めるメソ細孔が優位であるように構造化され得る。理論によって束縛されないが、これらのメソ細孔カーボンは、流体電解液が電極内の活物質に十分に浸透するように促進する能力をもたらす。電極構造体内への流体浸透を増加させることにより、電解液イオン（例えば、硫酸イオン）と活物質との間の拡散距離が減少し、化学的充電および放電プロセスは、より効率的に進行することができる。加えて、この実施形態で使用される低ガス発生性カーボンはまた、メソ細孔と併せて、２ｎｍ未満のサイズの多くのミクロ細孔も含み得る。
【０２３６】
本明細書に記載される低ガス発生性カーボン材料は、キャパシタ、ウルトラキャパシタ（例えば、硫酸を含む水性電解液を用いた、リチウムイオン電池、および鉛酸電池ならびに関連するシステム）が挙げられるが、これらに限定されない、電気化学的システムを特徴とし得る。低ガス発生性カーボン材料は、例えば電気容量に関して（例えばキャパシタまたはウルトラキャパシタにおいて、例えば電解液として硫酸水溶液を使用するときに、Ｆ／ｇを定量化する）、定電流間欠滴定法（ＧＩＴＴ）、４点プローブ測定法、電気化学インピーダンス分光法（ＥＩＳ）、および他の当技術分野で公知の電気化学的技術のように、電気化学的に特徴付けられ得る。
【０２３７】
特定の実施形態では、低ガス発生性カーボンは、例えば高電荷受容性と組み合わせられた低ガス発生性のように、所望の特性の特定の組合せを呈する。いくつかの実施形態では、これらの特質は、例えば電荷受容性をガス発生電流単位当たりで示すように、比として表され得る。特定の実施形態では、ガス発生電流単位当たりの電荷受容性は、８Ａ／Ａｈよりも大きく、例えば１０Ａ／Ａｈよりも大きく、例えば１２Ａ／Ａｈよりも大きく、例えば１５Ａ／Ａｈよりも大きく、例えば２０Ａ／Ａｈよりも大きく、例えば２５Ａ／Ａｈよりも大きく、例えば３０Ａ／Ａｈよりも大きくあり得る。
【０２３８】
低ガス発生性カーボンに関する望ましい特質の他の組合せが想定される。いくつかの実施形態では、低ガス発生性カーボンは、８Ａ／Ａｈよりも大きく、例えば１０Ａ／Ａｈよりも大きく、例えば１２Ａ／Ａｈよりも大きく、例えば１５Ａ／Ａｈよりも大きく、例えば２０Ａ／Ａｈよりも大きく、例えば２５Ａ／Ａｈよりも大きく、例えば３０Ａ／Ａｈよりも大きくあり得るガス発生電流単位当たりの電荷受容性を呈し、かつ任意のこれらの例示的なガス発生電流値単位当たりの電荷受容性と組み合わせて、低ガス発生性カーボンはまた、５００ｍ２／ｇよりも大きく、例えば７００ｍ２／ｇよりも大きく、例えば１０００ｍ２／ｇよりも大きく、例えば１５００ｍ２／ｇよりも大きく、例えば２０００ｍ２／ｇよりも大きい比表面積も呈する。
【０２３９】
他の実施形態では、低ガス発生性カーボンは、８Ａ／Ａｈよりも大きく、例えば１０Ａ／Ａｈよりも大きく、例えば１２Ａ／Ａｈよりも大きく、例えば１５Ａ／Ａｈよりも大きく、例えば２０Ａ／Ａｈよりも大きく、例えば２５Ａ／Ａｈよりも大きく、例えば３０Ａ／Ａｈよりも大きくあり得るガス発生電流単位当たりの電荷受容性を呈し、かつ任意のこれらの例示的なガス発生電流値単位当たりの電荷受容性と組み合わせて、低ガス発生性カーボンはまた、０．５ｃｍ３／ｇよりも大きく、例えば０．７ｃｍ３／ｇよりも大きく、例えば１．０ｃｍ３／ｇよりも大きく、例えば１．２ｃｍ３／ｇよりも大きく、例えば１．５ｃｍ３／ｇよりも大きい全細孔容積も呈する。
【０２４０】
他の実施形態では、低ガス発生性カーボンは、８Ａ／Ａｈよりも大きく、例えば１０Ａ／Ａｈよりも大きく、例えば１２Ａ／Ａｈよりも大きく、例えば１５Ａ／Ａｈよりも大きく、例えば２０Ａ／Ａｈよりも大きく、例えば２５Ａ／Ａｈよりも大きく、例えば３０Ａ／Ａｈよりも大きくあり得るガス発生電流単位当たりの電荷受容性を呈し、かつ任意のこれらの例示的なガス発生電流値単位当たりの電荷受容性と組み合わせて、低ガス発生性カーボンはまた、ｐＨ３．０〜ｐＨ７．０の間のｐＨも呈する。あるいは、低ガス発生性カーボンは、８Ａ／Ａｈよりも大きく、例えば１０Ａ／Ａｈよりも大きく、例えば１２Ａ／Ａｈよりも大きく、例えば１５Ａ／Ａｈよりも大きく、例えば２０Ａ／Ａｈよりも大きく、例えば２５Ａ／Ａｈよりも大きく、例えば３０Ａ／Ａｈよりも大きくあり得るガス発生電流単位当たりの電荷受容性を呈し、かつ任意のこれらの例示的なガス発生電流値単位当たりの電荷受容性と組み合わせて、低ガス発生性カーボンはまた、ｐＨ６．０〜ｐＨ８．０の間のｐＨも呈する。あるいは、低ガス発生性カーボンは、８Ａ／Ａｈよりも大きく、例えば１０Ａ／Ａｈよりも大きく、例えば１２Ａ／Ａｈよりも大きく、例えば１５Ａ／Ａｈよりも大きく、例えば２０Ａ／Ａｈよりも大きく、例えば２５Ａ／Ａｈよりも大きく、例えば３０Ａ／Ａｈよりも大きくあり得るガス発生電流単位当たりの電荷受容性を呈し、かつ任意のこれらの例示的なガス発生電流値単位当たりの電荷受容性と組み合わせて、低ガス発生性カーボンはまた、ｐＨ７．０〜ｐＨ１０．０の間のｐＨも呈する。
【０２４１】
特定の実施形態では、低ガス発生性カーボンは、８Ａ／Ａｈよりも大きく、例えば１０Ａ／Ａｈよりも大きく、例えば１２Ａ／Ａｈよりも大きく、例えば１５Ａ／Ａｈよりも大きく、例えば２０Ａ／Ａｈよりも大きく、例えば２５Ａ／Ａｈよりも大きく、例えば３０Ａ／Ａｈよりも大きくあり得るガス発生電流単位当たりの電荷受容性を呈し、かつ任意のこれらの例示的なガス発生電流値単位当たりの電荷受容性と組み合わせて、低ガス発生性カーボンはまた、１ｕｍ〜１０ミクロン、例えば３〜７ミクロンの間の粒度も呈する。
【０２４２】
特定の実施形態では、低ガス発生性カーボンは、８Ａ／Ａｈよりも大きく、例えば１０Ａ／Ａｈよりも大きく、例えば１２Ａ／Ａｈよりも大きく、例えば１５Ａ／Ａｈよりも大きく、例えば２０Ａ／Ａｈよりも大きく、例えば２５Ａ／Ａｈよりも大きく、例えば３０Ａ／Ａｈよりも大きくあり得るガス発生電流単位当たりの電荷受容性を呈し、かつ任意のこれらの例示的なガス発生電流値単位当たりの電荷受容性と組み合わせて、低ガス発生性カーボンはまた、８５％よりも多いミクロ細孔、１５％未満のメソ細孔、および１％未満のマクロ細孔も呈する。あるいは、低ガス発生性カーボンは、８Ａ／Ａｈよりも大きく、例えば１０Ａ／Ａｈよりも大きく、例えば１２Ａ／Ａｈよりも大きく、例えば１５Ａ／Ａｈよりも大きく、例えば２０Ａ／Ａｈよりも大きく、例えば２５Ａ／Ａｈよりも大きく、例えば３０Ａ／Ａｈよりも大きくあり得るガス発生電流単位当たりの電荷受容性を呈し、かつ任意のこれらの例示的なガス発生電流値単位当たりの電荷受容性と組み合わせて、低ガス発生性カーボンはまた、５０％未満のミクロ細孔、５０％よりも多いメソ細孔、および０．１％未満のマクロ細孔も呈する。あるいは、低ガス発生性カーボンは、８Ａ／Ａｈよりも大きく、例えば１０Ａ／Ａｈよりも大きく、例えば１２Ａ／Ａｈよりも大きく、例えば１５Ａ／Ａｈよりも大きく、例えば２０Ａ／Ａｈよりも大きく、例えば２５Ａ／Ａｈよりも大きく、例えば３０Ａ／Ａｈよりも大きくあり得るガス発生電流単位当たりの電荷受容性を呈し、かつ任意のこれらの例示的なガス発生電流値単位当たりの電荷受容性と組み合わせて、低ガス発生性カーボンはまた、３０％未満のミクロ細孔、および７０％よりも多いメソ細孔も呈する。
【実施例】
【０２４３】
（実施例１）
乾燥ポリマーゲルの調製
【０２４４】
ポリマーゲルを、水および酢酸（７５：２５）ならびに酢酸アンモニウム（特に明記されない限り、ＲＣ＝２５）中で、レソルシノールおよびホルムアルデヒド（０．５：１）を重合することにより調製した。反応混合物を、昇温下（４５℃で約６時間のインキュベーション続いて８５℃で約２４時間のインキュベーション）に置き、ゲル化させて、ポリマーゲルを生成した。ポリマーゲル粒子をポリマーゲルから生成し、４７５０ミクロンのメッシュふるいを通過させた。篩過した粒子を液体窒素に浸すことにより凍結し、３〜７ｇ／インチ２の充填量で凍結乾燥トレーに入れ、凍結乾燥した。乾燥時間（生成物が棚温度の２℃内に到達する時間から推測）は、凍結乾燥機棚上の生成物充填量に伴い変化した。
【０２４５】
乾燥ポリマーゲルの表面積を、Ｍｉｃｒｏｍｅｔｒｉｃｓ社の表面積および多孔度分析装置（ＴｒｉＳｔａｒ  ＩＩ型）を使用して、窒素表面分析により評価した。ＢＥＴ手法を使用して測定された比表面積は、約５００〜７００ｍ２／ｇの範囲であった。
【０２４６】
乾燥ポリマーゲルの調製用の付加的手順は、当技術分野において見出され得る。これらの付加的手順として、噴霧乾燥、空気乾燥、炉乾燥、キルン乾燥、熱分解、棚式凍結または瞬間凍結を使用したフリーズドライ、および約２００〜５００ｍ２／ｇの比表面積を有する乾燥ポリマーゲルを得るための条件下でのフリーズドライが挙げられるが、これらに限定されない。
【０２４７】
（実施例２）
メラミンホルムアルデヒドからのポリマーゲルの調製
【０２４８】
ポリマーゲルを、メラミンホルムアルデヒドとレソルシノール（８５：１５）との重合により調製した。反応混合物を、昇温下（９０Ｃで２４〜４８時間のインキュベーション）に置き、ゲル化させて、窒素に富むポリマーゲルを生成した。
【０２４９】
（実施例３）
Ｐｌｕｒｏｎｉｃ  Ｆ１２７の添加を伴うメラミンホルムアルデヒドからのポリマーゲルの調製
【０２５０】
ポリマーゲルを、メラミンホルムアルデヒドとレソルシノールおよびＰｌｕｒｏｎｉｃ  Ｆ１２７との重合により調製した。メラミンホルムアルデヒドは材料の基礎を構成し、レソルシノールを１０％〜３０％の範囲の百分率で添加し、Ｐｌｕｒｏｎｉｃ  Ｆ１２７を３％〜１５％の範囲の百分率で添加した。反応混合物を、昇温下（９０Ｃで２４〜７２時間のインキュベーション）に置き、ゲル化させて、メソ細孔レジームのより大きい細孔容積を有する、窒素に富むポリマーゲルを生成した。
【０２５１】
（実施例４）
尿素ホルムアルデヒドからのポリマーゲルの調製
【０２５２】
ポリマーゲルを、尿素ホルムアルデヒドとビスフェノール−Ａ（５０：５０〜９５：５の範囲）との重合により調製した。反応混合物を、昇温下（９０Ｃで２４〜４８時間のインキュベーション）に置き、ゲル化させて、窒素に富むポリマーゲルを生成した。
【０２５３】
（実施例５）
乾燥ポリマーゲルからの熱分解カーボン材料の調製
【０２５４】
実施例２に基づいて調製された乾燥ポリマーゲルを、８５０℃で、２００Ｌ／時間の窒素ガス流を用いて回転式キルンを通過させることにより熱分解した。熱分解の際の重量損失は、約５２％〜５４％であった。
【０２５５】
熱分解乾燥ポリマーゲルの表面積を、表面積およ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。標準ＢＥＴ手法を使用して測定された比表面積は、約６００〜７００ｍ２／ｇの範囲であった。
【０２５６】
熱分解カーボンの調製用の付加的手順は、当技術分野において見出され得る。これらの付加的手順は、約１００〜６００ｍ２／ｇの比表面積を有する熱分解カーボンを得るために利用され得る。
【０２５７】
（実施例６）
尿素を用いた、ポリマーの前処理を介した窒素に富むポリマーゲルの調製
【０２５８】
ポリマーゲルを、水および酢酸（７５：２５）ならびに酢酸アンモニウム（特に明記されない限り、ＲＣ＝２５）中で、レソルシノールおよびホルムアルデヒド（０．５：１）を重合することにより調製した。反応混合物を、昇温下（４５℃で約６時間のインキュベーション、続いて８５℃で約２４時間のインキュベーション）に置き、ゲル化させて、ポリマーゲルを生成した。
【０２５９】
次に、ポリマーゲルを、尿素水溶液（特に明記されない限り、１：１の尿素：水）に２４時間浸漬した。このゲルを１００℃で２４時間乾燥して、過剰の水を除去した。ポリマーゲル粒子をポリマーゲルから生成し、４７５０ミクロンのメッシュふるいを通過させた。篩過した粒子を液体窒素に浸すことにより凍結し、３〜７ｇ／インチ２の充填量で凍結乾燥トレーに入れ、凍結乾燥した。乾燥時間（生成物が棚温度の２℃内に到達する時間から推測）は、凍結乾燥機棚上の生成物充填量に伴い変化した。
【０２６０】
（実施例７）
窒素に富むポリマーゲルからの窒素に富む熱分解カーボン材料の調製
【０２６１】
実施例２、３、および４に基づいて調製された窒素に富むポリマーゲルを、７５０℃で、２００Ｌ／時間の窒素ガス流を用いて、静的キルン中で熱分解した。他の実施形態では、窒素に富むポリマーゲルを、７５０℃の温度で、２００Ｌ／時間の窒素ガス流を用いて、回転炉を通過させた。他の実施形態では、熱分解温度を、７５０℃〜９５０℃に変化させた。熱分解の際の重量損失は、約６５〜９０％であった。
【０２６２】
熱分解乾燥ポリマーゲルの表面積を、表面積およ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。標準ＢＥＴ手法を使用して測定された比表面積は、約３００〜７００ｍ２／ｇの範囲であった。
【０２６３】
（実施例８）
材料のｐＨを調整するための先行技術の化学的処理
【０２６４】
先行技術に記載されるカーボン（実施例２）を、窒素で処理して、窒素化学種をカーボンの表面に導入することができる。カーボンを、室温で尿素溶液に浸漬することを介して処理し、続いて乾燥により水を除去し、かつ６００℃〜８００℃の間の低温熱分解工程により、窒素官能基をカーボン表面に結合させることを確実にした。他の実施形態では、カーボンを、昇温時に気体状態のアンモニアで処理する。他の実施形態では、カーボンを、固体尿素または他の窒素系固体を用いて、固体尿素と既存技術に記載されるカーボンとの混合物を、６００℃〜８００℃の間の熱分解温度まで加熱することにより処理する。
【０２６５】
先行技術でこの手法により尿素で処理すると、材料のｐＨは、表２において分かり得るように上昇する。材料１７−２３は未処理カーボン材料であり、一方、材料１７−１４は尿素で処理された。
【０２６６】
他の実施形態では、カーボンを、尿素処理に関して記載したように、室温で尿素に浸漬し、続いて乾燥および熱分解によるものと同一の手法で、硫酸溶液に浸漬した。得られたカーボン材料は、表２において立証されるように、未処理カーボンより低いｐＨを有した。材料１７−２３は未処理カーボンであり、一方、１７−１５は硫酸で処理したカーボンである。
【０２６７】
当技術分野の他の実施形態では、尿素溶液へのカーボン浸漬は、異なる窒素官能基を生成するために、還流条件下で起こり得る。
【０２６８】
（実施例９）
活性カーボンの生成
【０２６９】
実施例２に記載される熱分解カーボンを、回転式キルン（内径２．７５ｉｎを有するアルミナ管）中で、９００℃で、３０Ｌ／分のＣＯ２流量下で活性化し、約３７％の全重量損失がもたらされた。続いて、この材料を、９００℃でバッチ様式において、シリカ管（内径３．７５インチ）中で、１５Ｌ／分のＣＯ２流量を用いて更に活性化し、約４２〜４４％の最終重量損失（出発熱分解カーボンと比較して）を達成した。
【０２７０】
乾燥ゲルの表面積を、表面積およ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。ＢＥＴ手法を使用して測定された比表面積は、約１６００〜２０００ｍ２／ｇの範囲であった。
【０２７１】
活性カーボンの調製用の付加的手順は、当技術分野において見出され得る。これらの付加的手順は、約１００〜６００ｍ２／ｇの比表面積を有する乾燥ポリマーゲルを得るために利用され得る。
【０２７２】
（実施例１０）
ジェット粉砕を介した活性カーボンの微粉化
【０２７３】
実施例３からの活性超高純度カーボンを、直径２インチのジェット粉砕機を使用してジェット粉砕した。条件は、毎時約０．７ポンド（ｌｂ）の超高純度活性カーボン、分速約２０標準立方フィート（ｓｃｆ）の窒素ガス流および約１００重量ポンド毎平方インチ（ｐｓｉ）の圧力であった。ジェット粉砕後の平均粒度は、約８〜１０ミクロンであった。
【０２７４】
活性カーボンの微粉化粒子の調製用の付加的手順は、当技術分野において見出され得る。これらの付加的手順は、単分散または多分散系の粒度分布を有する微粉化粒子を得るために利用され得る。これらの付加的手順は、約１〜８ミクロンの平均径を有する微粉化粒子を得るために利用され得る。これらの付加的手順は、８ミクロンよりも大きい平均径を有する微粉化粒子を得るために利用され得る。
【０２７５】
（実施例１１）
活性カーボンおよび比較カーボンの純度分析
【０２７６】
実施例４に基づいて調製された活性カーボン試料を、プロトン励起ｘ線放射（ＰＩＸＥ）を介して、その不純物含有量に関して評価した。ＰＩＸＥは、同時元素分析用の業界標準で、高感度かつ正確な測定法であり、試料中の原子の励発により、特性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。ＰＩＸＥは、１１〜９２（すなわち、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。
【０２７７】
本明細書に開示される活性カーボンならびに比較目的の他の活性カーボンに関するＰＩＸＥ不純物（Ｉｍｐ．）データを、表１．１に示す。試料１、３、４および５は実施例３に基づいて調製された活性カーボンであり、試料２は実施例４に基づいて調製された微粉化活性カーボンであり、試料６および７は市販の活性カーボン試料である）。
【０２７８】
表１．１から分かるように、本開示に基づく合成活性カーボンは、他の公知の活性カーボン試料と比較して、より低いＰＩＸＥ不純物含有量およびより低い灰含有量を有する。
【表１．１】
2018536268.tif 000003
【０２７９】
実施例１７に基づいて調製された活性カーボン試料を、全反射蛍光Ｘ線分析（ＴＸＲＦ）を介して、その不純物含有量に関して評価した。ＴＸＲＦは、同時元素分析用の業界標準で、高感度かつ正確な測定法であり、試料中の原子の励発により、特性蛍光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、１３およびそれよりも大きい原子番号を有する全ての元素（アルミニウムおよびそれよりも重い元素）の検出が可能である。
【０２８０】
本明細書に開示される活性カーボンならびに比較目的の他の活性カーボンに関するＴＸＲＦ不純物（Ｉｍｐ．）データを、表１に示す。カーボン１および２は、比較の先行技術カーボンである。
【０２８１】
表１から分かるように、本開示に基づく合成活性カーボンは、他の公知の活性カーボン試料と比較して、より低いＴＸＲＦ不純物含有量およびより低い灰含有量を有する。
【表１．２】
2018536268.tif 000004
【０２８２】
（実施例１２）
低ガス発生性カーボンを含有するＮＡＭ極板の調製
【０２８３】
低ガス発生性カーボンは、当技術分野で公知の方法を使用して、鉛ペースト極板に組み込まれ得る。５００ｇの、鉛を含む酸化物粉末（３０％未満の金属鉛からなる鉛および酸化鉛の業界標準混合物）、１ｇの合成リグニン、３ｇのＢａＳＯ４および１ｇの低ガス発生性カーボンを、ガラス混合ボールおよびプラスチックへら撹拌付属装置を備えるスタンドミキサー中で混合する。これらを低速で混合し、全ての原料を混ぜ合わせる。これに６５ｍＬの蒸留水を添加し、混合して混ぜ合わせる。この混合物に、撹拌しながら、添加漏斗を介して３９ｍＬの４．８Ｍ硫酸を滴下添加する。この時点で、低ガス発生性カーボンが十分に組み込まれた、均質の灰色／オレンジ色のペーストが得られる。ペーストの密度を、体積が分かっている小カップを使用して測定した。
【０２８４】
いくつかの実施形態では、高表面積カーボンを、鉛を含む酸化物／リグニン／ＢａＳＯ４の混合物に添加する前に、水で湿らせるかまたはスラリーに形成する。他の実施形態では、ペーストを所望の／適合した密度とするために、多少の溶媒（水／酸）を使用する（例えば４１ｍＬの酸／６３ｍＬの水、３６ｍＬの酸／６８ｍＬの水など）。更に他の実施形態では、高表面積カーボンの含有量は、実施例１における含有量（例えば０．５ｗｔ％、２ｗｔ％、３ｗｔ％など）より、増加するかまたは減少するかのいずれかである。更に他の実施形態では、低ガス発生性カーボンを、少量の他の種類のカーボン材料（例えば、カーボンブラック、黒鉛、カーボンナノチューブ）と、様々な比（例えば９０：１０、７０：３０）で混合する。
【０２８５】
ペースト密度は、鉛−酸電池技術分野で公知のように、およそ４ｇ／ｃｃであるべきである。当業者は、最適なペースト密度を達成するために、水およびカーボン含有量を以下の表から変更することができる。
【０２８６】
ペーストを、プラスチックへらを使用して手動で鉛合金グリッドに塗布した。ペーストグリッドを、多湿環境で、６５℃で２４時間硬化し、次に十分な乾燥剤を備える炉内で、６５℃で２４時間乾燥し、この時点でこれらは試験可能であった。
【０２８７】
別の実施形態では、ペーストグリッドは、より低温で（例えば３０、４０、５０、６０℃）またはより高温で（例えば８０、９０、１００、１２０℃）、より長いかまたは短い時間で（例えば０、２、４、６、８、１０、１２、３６、４８時間）、より低パーセントの相対湿度で（例えば１、５、１０、２０％）、またはより高パーセントの相対湿度で（例えば６０、７５、９５、１００％）、乾燥される。
【０２８８】
（実施例１３）
鉛酸電極および低ガス発生性カーボン含有電極を備える装置
【０２８９】
エネルギー貯蔵装置は、酸化鉛陽極ならびに低ガス発生性カーボンおよび鉛含有陰極から構成され、試験目的で、２Ｖスケールのセルを作製するために使用される。陰極を上述のように調製する。陽極を同一の方法により調製するが、低ガス発生性カーボン、リグニン、およびＢａＳＯ４を除外する。
【０２９０】
この実施形態では、カーボン中および一般に電極からのヒ素、コバルト、ニッケル、鉄、アンチモンおよびテルルなどの低ガス発生性カーボン中の不純物の存在を除外することが重要であり、これらは充電サイクル中に陰極における水素放出を増加させるためである。
【０２９１】
低ガス発生性カーボンが、極めて不溶性である硫酸塩を形成する、ナトリウム、カリウムおよび特にカルシウム、マグネシウム、バリウム、ストロンチウム、鉄ならびに他の金属などの金属性不純物を含有しないことが重要である。これらは、カーボンの細孔内部に沈殿し、その有効性を妨害する。ナトリウムおよびカリウムは、等モル量の水素イオンを中和し、それらを無効力にする。
【０２９２】
上述の低ガス発生性カーボンが、陰極ペースト中に０．１〜１０ｗｔ％の濃度として存在する場合、サイクル寿命は、部分充電状態適用において２〜１０倍に改善される。電流およびエネルギー効率もまた改善される。低ガス発生性カーボンが０．１〜１０ｗｔ％の濃度で使用される場合、水素放出は深刻なものとはならない。
【０２９３】
（実施例１４）
鉛酸電極および低ガス発生性カーボン含有電極を備える装置の性能：ホフマン装置を介して測定したガス発生性
【０２９４】
既に記載された低ガス発生性カーボンのスラリーは、カーボン、伝導性結合剤（例えば、フッ化ポリビニリデン（polyvinylidine  fluoride））および有機溶媒（例えばジメチルスルホキシド）の混合物を混ぜ合わせることにより作製される。このスラリーは、続いて純鉛ワイヤ上にコーティングされ、真空中で乾燥される。低ガス発生性カーボン−コーティング鉛ワイヤを陰極として、かつＰｂＯ２シートを陽極として使用する際、両方の電極を３７ｗｔ％の硫酸溶液中に浸す。５Ｖの電位を印加し、深刻なガス発生が数時間生じる。装置内の水損失量を記録し、かつ水損失の相対量を比較する。本明細書に記載される低ガス発生性カーボンを利用すると、水損失は、既に記載されたカーボン系から著しく減少する。
【０２９５】
（実施例１５）
鉛酸電極および低ガス発生性カーボン含有電極を備える装置の性能：サイクリックボルタンメトリーを介して測定したガス発生性
【０２９６】
この実施形態では、既に記載された２Ｖ鉛／酸化鉛のセル構造を使用して、２．０Ｖから２．７Ｖまでサイクリックボルタンメトリー掃引を実施し、電流を記録し、ならびにＨｇ｜Ｈｇ２ＳＯ４参照電極を使用して陰極および陽極両方の電圧も記録する。この電流（陰極重量に対して正規化）により、異なるセルに関するガス発生性の相対測定値を得る。本明細書に記載される低ガス発生性カーボンを利用すると、ガス発生電流は、既に記載されたカーボン系から著しく減少する。
【０２９７】
（実施例１６）
鉛酸電極および低ガス発生性カーボン含有電極を備える装置の性能：定電位保持を介して測定したガス発生性
【０２９８】
この実施形態では、既に記載された２Ｖ鉛／酸化鉛のセル構造を使用して、一連の定電位保持が実施され得て、これらの所与の電位における電流を測定する。２．４０Ｖにおける４時間保持、一連の５０ｍＶ電位段階から開始し、それぞれ１時間の保持を伴い、２．４０Ｖ〜２．７０Ｖまで行った。各電位段階における平均電流を記録し、陰極重量に対して正規化する。この試験の結果は図１において見ることができる（重量正規化データを用いた編集図１？）。他の実施形態では、電位段階はより低い（例えば１０、２０、３０ｍＶ）。更に他の実施形態では、電位段階はより高い（例えば７５、１００ｍＶ）。２．６５Ｖにおいて測定された電流（陰極重量に対して正規化）により、異なるセルに関するガス発生性の相対測定値を得る。他の実施形態では、相対的ガス発生測定用の測定基準として、他の電位が使用され得る（例えば２．４０、２．６７、２．７０Ｖ）。この試験の結果は図２において見ることができる。本明細書に記載される低ガス発生性カーボンを利用すると、ガス発生電流は、既に記載されたカーボン系から著しく減少する。
【０２９９】
（実施例１７）
様々なカーボンの特性
【０３００】
多様な異なるカーボンを、窒素収着、レーザー光散乱による粒度分布、ｐＨを介して、その比表面積および細孔容積分布に関して（ミクロ細孔％、メソ細孔％、およびマクロ細孔％）分析した。データを表２に示す。
【表２−１】
2018536268.tif 000005
【表２−２】
2018536268.tif 000006
【表２−３】
2018536268.tif 000007
【表２−４】
2018536268.tif 000008
【表２−５】
2018536268.tif 000009
【表２−６】
2018536268.tif 000010
【表２−７】
2018536268.tif 000011
【０３０１】
（実施例１８）
鉛酸電極および低ガス発生性カーボン含有電極を備える装置の性能：水損失を介して測定したガス発生性
【０３０２】
当業者は、昇温時または室温における長時間のフロート保持中の水損失測定の一般的な業界標準が分かる。この実施形態では、１２Ｖ鉛酸セルは、電池製造業者によりその規格に基づいて構成される。陰極は、０．１〜１０ｗｔ％の低ガス発生性カーボン材料を含有する。当業者に公知の標準水損失試験を使用して、水損失に関して電池の試験を行う。一般的標準は、ＶＤＡ水損失規定であり、そこで１２Ｖ鉛酸セルは、６０℃において１２週間の１４．４Ｖ過充電を施される。電池の重量損失を記録し、セルが電池のＡｈ当たり３ｇより多くの水を失う場合は、試験に合格しない。他の実施形態では、２Ｖセルを１２Ｖセルの代用物として使用することができ、それに応じて水損失が増減する。
【０３０３】
（実施例１９）
鉛酸電極および低ガス発生性カーボン含有電極を備える装置の性能：サイクル寿命の測定
【０３０４】
当業者は、サイクル寿命の測定は、鉛酸電池の所望の性能用途（例えば牽引力、ＳＬＩ、自動推進）および電池製造業者規格に依存することが分かる。ＵＳ  ＤＯＥサイクル寿命試験、国際電気化学会議（International  Electrochemical  Commission）からの試験、ＳＡＥ規格、ＶＤＡ規格などを含む、サイクル寿命に関する多くの業界公認の試験がある。本明細書に記載される低ガス発生性カーボンを利用すると、サイクル寿命は、標準的なカーボン材料を含有するセルを超えて、２〜１０倍に延長される。
【０３０５】
（実施例２０）
鉛酸電極および低ガス発生性カーボン含有電極を備える装置の性能：静的電荷受容性の測定
【０３０６】
この実施形態では、既に記載した、陰極に低ガス発生性カーボンを含有する２Ｖ鉛酸セルを、５〜５０％の放電深度の規定の充電状態とする。この規定の充電状態において、２．０〜２．６Ｖの定電位を、１秒〜１５分の規定の期間印加する。この期間中に回復した電荷量（Ａｍｐにおける）を、電荷受容性と定義する。この電荷量は、静的電荷受容性に関する最終単位が時間当たりになるように、セル容量（Ａｍｐ時間における）に対して正規化される。静的電荷受容性試験の定電位保持段階中の２つのセルの例は、図２に見出され得る。本明細書に記載される低ガス発生性カーボンが陰極に組み込まれると、静的電荷受容性試験中に記録された電流は、該材料を含有しないセルより高くなる。
【０３０７】
（実施例２１）
鉛酸電極および低ガス発生性カーボン含有電極を備える装置の性能：動的電荷受容性の測定
【０３０８】
この実施形態では、既に記載した、陰極に低ガス発生性カーボンを含有する２Ｖ鉛酸セルを、ＶＤＡ動的電荷受容性試験プロトコルの修正プロトコルにおいて使用する。該セルを、９０％の規定の充電状態とする。この充電状態において、２．５Ｖの定電位を６０秒間印加し、充電電流を記載する。次に、該セルを８０％の充電状態として、２．５Ｖにおける同一の定電位パルスを６０秒間印加し、電流を記録する。この同じプロトコルを、７０％および６０％の充電状態で繰り返す。本明細書に記載される低ガス発生性カーボンが陰極に組み込まれると、動的電荷受容性試験中に記録された電流は、該材料を含有しないセルより高くなる。
【０３０９】
（実施例２２）
ペースト調製用カーボンの湿潤性
【０３１０】
負極活物質（ＮＡＭ）として適当なペースト鉛グリッドに必要とされる付加的な水量は、細孔容積および細孔型などのカーボンの物理的特性に依存する。カーボンが完全湿潤である時点は、カーボンへの水の滴定および機械的混合を通して決定される。カーボンの湿潤性は、以下のように決定される：２．４０９グラムのメソ細孔カーボンを、プラネタリーミキサー中で水と混ぜ合わせる。Ｒ因子は、カーボンを完全湿潤させるために必要とされる水量を検討するために使用され得る。４ｍＬ（Ｒ＝１．６６０３ｍＬ水／ｇカーボン）において、混合物は、部分的湿潤から完全湿潤へと明白に移行する。一実施形態では、カーボンは、Ｒ値＞１．６ｍＬ／ｇである、高細孔容積を有する。別の実施形態では、カーボンは、Ｒ値が１．２〜１．６ｍＬ／ｇの間である、中程度の細孔容積を有する。また別の実施形態では、カーボンは、Ｒ値が１．２ｍＬ／ｇ未満である、低細孔容積を有する。より多くの電解液が構造の内部へと接近するにつれて、より多くの活物質が活用される。いくつかの実施形態では、最高細孔容積のカーボンは、内部の鉛構造への電解液の最接近を可能にする。
【０３１１】
（実施例２３）
カーボンの酸滴定特性
【０３１２】
０．２５グラムのカーボンを、６０ｍＬのポリプロピレンボトルに測り取る。３７％硫酸水溶液の４５％をボトルに入れ、密封する。該ボトルを固定し、２４時間撹拌する。次に、液体を固体から濾過し、当技術分野で公知のようにＮａＯＨを使用して滴定する。硫酸溶液のモル濃度変化を、活性および活性前カーボンのｐＨに対してプロットし得る。カーボン当たりのモル濃度の正変化は、溶液が試験後により酸性であったことを示す。カーボン当たりのモル濃度の負変化は、溶液が試験後により塩基性であったことを示す。
【０３１３】
予期しなかった結果は、活性カーボンへの熱処理の影響であった。一度、活性カーボンをｐＨ＞７まで熱処理すると、カーボンのグラム当たりのモル濃度変化は、カーボンｐＨに非依存性になる。カーボン当たりのモル濃度変化とｐＨとの間に直接的な相関関係があるのは、非熱処理カーボンに関してのみである。カーボンが、中性ｐＨ（５〜７の間）に近いときは、カーボン当たりの溶液のモル濃度変化に、予期しなかった最大値（maxiuma）が存在する。これは、活性および活性前カーボンの両方に関してである。他の実施形態では、カーボン当たりのモル濃度変化は負であり、低ｐＨ（＜５）を有するカーボンから分かるように、対照からより塩基性であることを示している。また別の実施形態では、カーボン当たりのモル濃度変化として測定される酸吸着は、７よりも大きいｐＨ値に対するｐＨに依存しない。
【０３１４】
また別の驚くべき結果は、カーボン当たりの溶液のモル濃度変化は、細孔容積または細孔型（ミクロ細孔に対するメソ細孔）に依存しなかったことであった。実際、唯一の相関関係は、ｐＨとモル濃度変化との間である。また更に驚くべき結果では、より酸性のカーボンは、より酸性の溶液を生じることはなく、むしろ溶液は、実際に対照よりも塩基性であった。既に説明したように、この予期しなかった結果により、準中性カーボンｐＨに関して極大値が生じる。
【０３１５】
（実施例２４）
カーボン特徴の測定：表面化学的性質を決定するための、窒素に富むカーボンのＸ線光電子分光法
【０３１６】
Ｘ線光電子分光法を使用して、窒素に富むカーボンの表面化学的性質を決定した。Ｘ線光電子分光法は、元素組成および関与する各元素の化学結合の種類を同定するために使用される調査基準である。この場合は、窒素に富むカーボンを全表面窒素および酸素含有量に関して分析し、かつこれらの各元素の結合を分析した。より低温での熱分解条件下（約７００℃）よりも、より高温で（約９００℃）熱分解された試料に関して、表面窒素の種類および量において著しい差異があった。
【０３１７】
（実施例２５）
カーボン特徴の測定：バルクカーボンおよび窒素含有量を決定するための燃焼
【０３１８】
燃焼の業界標準を使用して、炭素、窒素および水素の元素比を定量化した。方法は、書籍「Methods  of  Soil  Analysis:Part  2.１９８２年出版」から得た。この方法により、試料の非金属成分のバルク量を得る。より低温範囲（６００℃〜８５０℃）で熱分解された試料は、より高温範囲（９００℃〜１１５０℃）で熱分解された試料より高い窒素含有量を有する。全ての試料は、窒素を全く含有しないかそれに近い含有量の標準カーボン材料または既存技術よりも高い窒素含有量を有する。
【０３１９】
（実施例２６）
窒素に富むポリマーゲルからの窒素に富む熱分解カーボン材料の物理的特性に対する熱分解条件の影響
【０３２０】
先述の実施例２に基づいて、窒素に富むカーボン材料を調製した。熱分解条件を変化させると、材料の物理的特性を制御することができる。
【０３２１】
実施例２に基づいて調製された樹脂を有する２つの窒素に富む材料の細孔構造の比較は、図４に見いだされ得る（高速熱分解）。材料１７−９は、回転式キルンで熱分解された試料であり、材料１７−２１は、管状炉で熱分解された同一の材料配合物である。熱分解方法（室温から熱分解温度まで緩やかな温度傾斜を用いる静的方法）は、材料のメソ細孔構造に劇的な影響を与える。緩やかな温度傾斜を用いた材料は、回転式キルンで熱分解された細孔構造より、はるかに大きいメソ細孔容積を有する。回転式キルンからの試料は、５５４ｍ２／ｇという有意な量の表面積を依然として有するが、メソ細孔容積の大部分は、回転キルン熱分解の急速な温度傾斜で崩壊する。
【０３２２】
（実施例２７）
窒素に富むポリマーゲルからの窒素に富む熱分解カーボン材料に対する熱分解温度の影響
【０３２３】
熱分解温度もまた、窒素に富むカーボン材料の特性に顕著な影響を及ぼす。これらの材料の窒素含有量および電荷受容性値（実施例２０に記載される電荷受容性法および実施例２５に記載される元素分析）の両方に関して、劇的な影響が観察される。
【０３２４】
表３は、全て実施例２に記載される方法により調製された、多様な窒素に富むカーボン材料を示す。熱分解カーボン材料中の、炭素の窒素に対する比は、３：１〜７：１の範囲であり、熱分解温度の上昇に伴い減少する。この影響は、熱分解温度が高くなるにつれて、より多くの窒素官能基が最終のカーボン化学種から除去されるため、予期されることである。
【０３２５】
熱分解温度（および推定されるように窒素含有量）の電荷受容性値への影響は、顕著でありかつ予期しないものであった。いくつかの異なる試料の組の間に、強固でかつ劇的な傾向がある。同一の窒素に富むメラミン−ホルムアルデヒド−レソルシノールゲルを低い温度（例えば７５０℃）で熱分解すると、その電荷受容性値は、高い温度（例えば９００℃）で熱分解したものより２５％〜３０％高い。この熱分解温度における変化において、細孔構造（細孔容積および表面積を含む）における著しい変化は観察されなかったが、電荷受容性数値は著しく変化した。
【０３２６】
表３は、この傾向を実証するいくつかの異なる試料を含む。３−の後に同じ数字を含む試料は、異なる熱分解温度におけるのみで、全く同一の窒素に富むポリマーゲル材料から調製されかつ同一の技術を使用して熱分解された試料を示す。
【表３】
2018536268.tif 000012
【０３２７】
（実施例２８）
窒素に富むポリマーゲルからの窒素に富む熱分解カーボン材料の物理的特性に対するＰｌｕｒｏｎｉｃ  Ｆ１２７添加剤の影響
【０３２８】
最後に、材料１７−２２をメラミンホルムアルデヒド、レソルシノールおよびｐｌｕｒｏｎｉｃ  Ｆ１２７から調製し、かつ静的管状炉で熱分解した。試料１７−２２は、メソ細孔域において著しく高い細孔容積を有することは注目すべきである。これは、ｐｌｕｒｏｎｉｃ  Ｆ１２７添加剤を含有する試料について一致してみられる。
【０３２９】
（実施例２９）
既存技術に対する熱分解温度の影響
【０３３０】
実施例１に基づいて調製された乾燥ポリマーゲルを、７５０℃で、２００Ｌ／時間の窒素ガス流を用いて、静的キルン中で熱分解した。他の実施形態では、熱分解温度を、７５０℃〜９５０℃に変化させた。熱分解の際の重量損失は、約６０％〜７０％であった。
【０３３１】
熱分解乾燥ポリマーゲルの表面積を、表面積およ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。標準ＢＥＴ手法を使用して測定された比表面積は、約５００〜７００ｍ２／ｇの範囲であった。
【０３３２】
（実施例３０）
鉛酸電極および低ガス発生性カーボン含有電極を備える装置の性能：ガス発生電流の単位当たりの電荷受容性という新しい測定基準
【０３３３】
この実施形態では、実施例１０および実施例１３に記載される得られたデータを組み合わせて、ガス発生電流の単位当たりの電荷受容性という新しい測定基準を作り出す。電荷受容性（Ａｍｐにおける）を、２．６５Ｖにおける平均ガス発生電流（Ａｍｐ時における）で除する。ガス発生単位当たりの電荷受容性というこの測定基準は、カーボンの全般的性能の指標である。高い数字は、低ガス発生性カーボンに関する少量のガス生成および高値の電荷受容性を示し、両方とも鉛酸電池におけるサイクル寿命の主要な指標である。２つのカーボン、市販のカーボンブラックおよび独自の高表面積カーボン（実施例１７の表２から抜き出し）の例の比較は、表３に見出される。得られた値は、実施例６および７に基づいて調製された鉛／カーボン陰極材料に関するものである。
【０３３４】
【表４】
2018536268.tif 000013
【０３３５】
（実施例３１）
鉛基材上に低ガス発生性カーボンを備えるエアブラシ電極の調製
【０３３６】
低ガス発生性カーボン電極は、鉛基材上に、エアブラシを使用して、低粘度カーボンインクを霧状にしかつ噴霧して製作され得る。インクは、８０重量％の低ガス発生性カーボン、１０重量％の伝導性−向上カーボンブラック、および１０重量％の結合剤水溶液を用いて製作される。結合剤溶液は、４部のスチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）の１部のカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）に対する、４：１の重量比である。１．０ｇスケールで、結合剤溶液を水で希釈して、所望の粘度を生み出した（例えば３．２５ｍＬの水／１００ｍｇの結合剤、３．５ｍＬの水／１００ｍｇの結合剤など）。１００ｍｇのカーボンブラックおよび８００ｍｇの低ガス発生性カーボンを、結合剤溶液中に混合して、均質のインクを生成する。
【０３３７】
電極接着力を改善するために、鉛基材の表面をサンドペーパーで粗面化する。カーボンインクの塗布中に、鉛基材を１００℃に加熱し、電極のサイズおよび形状をテープステンシルにより制御する。電極を１１０℃で３０分間硬化する前に、ステンシルを除去する。最終電極重量は、測定して１．０±０．１ｍｇであった。低ガス発生性カーボン電極を、試験測定を行う前に室温まで冷却する。
【０３３８】
鉛−カーボン電池における水素ガス発生性をより正確に試験するために、この技術は、鉛−カーボン電池と同様の作用条件を維持しながら、活性鉛重量に関してカーボン充填量を増大させる。エアブラシの使用により、電極塗布中の正確なサイズおよび形状制御が可能となり、再現可能な電極生成を確実にする。他の公知のガス発生測定基準は、鉛−カーボン電池の作用条件と同様ではなく、完成するのに多くの時間を必要とするプロセスである。
【０３３９】
（実施例３２）
低ガス発生性カーボン材料の性能：サイクリックボルタンメトリーを介して測定したエアブラシ電極のガス発生性
【０３４０】
この実施形態では、既に記載したエアブラシ低ガス発生性カーボン電極を、白金ワイヤ対向電極、Ｈｇ｜Ｈｇ２ＳＯ４参照電極、および１ｍＬの１．２７ｓ．ｇ．Ｈ２ＳＯ４電解液を備える当技術分野で公知の３電極テフロン（登録商標）試験セル内に配置する。サイクリックボルタンメトリー掃引を−０．６Ｖから−１．６Ｖまで２０ｍＶ／秒で実施し、電流を０．１５秒毎に記録する。この電流により、異なるカーボンに対するガス発生性の、電極重量の関数としての相対測定値が得られ、試験を行った全ての電極は１．０±０．１ｍｇである。ガス発生値は、任意の電圧において報告され得るが、特に明記されない限り、相対量は−１．６Ｖにおける電流を指す。本明細書に記載される低ガス発生性カーボンを利用すると、ガス発生電流は、既に記載されたカーボン系から著しく減少する。
【０３４１】
（実施例３３）
ガス発生を低減するための有益な元素を用いた既存技術のドーピング
【０３４２】
既存技術（ならびに実施例５および９）に記載される熱分解および活性カーボン材料は、カーボン材料のガス発生を低減するのに有益であると特定された元素をドーピングすることができる。そのような元素として、Ｂｉ、Ｃｄ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｐｂ、Ｉｎが挙げられ得るが、これらに限定されない。各材料の水性塩（例えばＺｎＳＯ４）を水に溶解し、溶液を形成する（５０：５０〜５：９５の間の塩：水）。次に、カーボンを塩混合物に浸し、高表面積構造内に可能な限り多くの塩を吸収するために一晩置く（５：１の水：カーボン比）。一晩の浸漬に続いて、材料をブフナー漏斗を通して濾過した。次に、それを炉中に置き、１１０Ｃで一晩乾燥した。最終材料を、実施例５に基づいて再熱分解（re-pyrolzed）した。
【０３４３】
（実施例３４）
窒素含有ポリマーゲルおよび乾燥ポリマーゲル（非窒素含有）の重量損失の測定
【０３４４】
熱重量分析（ＴＧＡ）を、窒素ガスをキャリアとして使用して当技術分野で公知のように行った。
【０３４５】
図５（樹脂のＴＧＡ）では、いくつかの異なるポリマーゲル材料を比較する。試料１７−２７は、実施例１に基づいて調製された非窒素含有乾燥ゲルである。試料１７−２５は、尿素−ホルムアルデヒド出発材料を用いた窒素含有樹脂であり、試料１７−２６は、メラミンホルムアルデヒドを出発材料として用いた窒素含有樹脂である。
【０３４６】
（実施例３５）
サイクリックボルタンメトリーにより測定した、カーボンガス発生に対する粒度の影響
【０３４７】
実施例３２に基づいて、４つのカーボンスラリーに関してサイクリックボルタンメトリーを実施した。１つの材料（１７−１０）は、微粉化材料として更に操作（例えば篩過）することなく使用し、一方、別の材料（１７−２３）は、ふるいを通り抜けるには大きすぎる直径を有する粒子を除去するために、２１２ｕｍふるいを通過させた。これらの材料は両方とも、５７．３ミクロンのＤｖ，５０を有した。材料１７−１は、６．２ミクロンのＤｖ，５０を有する、より小さい粒度を有する。材料１７−２０は、３３．７ミクロンのＤｖ，５０の中間粒度を有する。
【０３４８】
実施例３２に基づいて実施されたサイクリックボルタンメトリー走査を分析するときに、ガス発生の程度を決定するための様々な測定基準がある。例示的な測定基準は、本方法において測定される最大の負電位である−１．６Ｖにおける電流測定値である。本明細書で示される全ての電極は、１ｍｇ（実施例３１に記載される）であり、したがって、全ての走査は電極重量に対して正規化される。−１．６Ｖにおいて生じる電流のｍＡ測定値を、「ガス発生電流」と表す。例えば、図６では、−１．６Ｖにおける材料１７−１のガス発生電流は−４．２ｍＡであり、一方、材料１７−２３は、−１．６Ｖにおいて−１０．３ｍＡの電流を有する。この測定値から、材料１７−２３は、材料１７−１より高いガス発生性を呈することが推測され得る。
【０３４９】
本文書に既に記載されたエアブラシ電極に関するサイクリックボルタンメトリー走査におけるガス発生の程度を測定するための付加的な例示的測定基準は、規定された電圧におけるいくつかの電流比を測定することである。各走査に関して、−１．６Ｖ、−１．４Ｖ、および−１．２Ｖにおいて電流を測定し、これをＩ１．６、Ｉ１．４、およびＩ１．２と定義する。Ｉ１．６：Ｉ１．４、Ｉ１．６：Ｉ１．２、およびＩ１．４：Ｉ１．２の比を、各材料に関して算出する。水素ガス発生を呈さない材料は、この測定基準内で全てほぼ単一な比を有する。例えば、図６では、材料１７−１は、Ｉ１．２＝−１．５ｍＡ、Ｉ１．４＝−１．４ｍＡ、およびＩ１．６＝−４．２ｍＡを有する。Ｉ１．６：Ｉ１．４＝３．０、Ｉ１．６：Ｉ１．２＝２．８、およびＩ１．４：Ｉ１．２＝０．９という比である。材料１７−２３に関して、Ｉ１．２＝−２．０ｍＡ、Ｉ１．４＝−３．６ｍＡ、およびＩ１．６＝−１０．３ｍＡである。Ｉ１．６：Ｉ１．４＝２．９、Ｉ１．６：Ｉ１．２＝５．２、およびＩ１．４：Ｉ１．２＝１．８という比である。材料１７−１は、単一に近い比を呈し、これは一般により低いガス発生性カーボンに関連する。
【０３５０】
他のサイズのふるいが、ガス発生を低減する方法として想定され得る（例えば、既に記載したように、より高いガス発生性を有する粒子または鉛電極内に容易に分散しない粒子の除去）。これらのサイズは、２１２ｕｍ未満、例えば２５ｕｍ、３２ｕｍ、または３８ｕｍであり得る。これらのサイズは、２１２ｕｍよりも大きく、例えば４２５ｕｍ、または６５０ｕｍであり得る。篩過に加えて、上述のように特定のサイズレジームの粒子を除去するための他の方法が当技術分野で公知であり、これらの方法は、篩過の代替として適用され得る。
【０３５１】
（実施例３６）
水性カーボンｐＨ測定による表面化学的分析
【０３５２】
カーボン水溶液のｐＨにより、カーボンの表面化学的性質に関する情報が提供される。２．０００グラムのカーボンを、ポリプロピレンカップ中の５０ｍＬの水に懸濁させる。溶液をパラフィルムで覆い、２０分間室温で超音波処理する。カーボン水溶液のｐＨを、１０分間撹拌した後、当技術分野で公知のようにＭｅｔｔｌｅｒ  Ｔｏｌｅｄｏ社からのｐＨ電極（ＤＧ１１−ＳＣプローブおよびＴ７０ＫＦ滴定装置）を使用して測定する。
【０３５３】
（実施例３７）
熱加工による熱分解カーボンの表面処理
【０３５４】
例えば熱分解カーボンのようなカーボンの表面化学的性質は、昇温時に様々なガスの存在下で、熱加工により調節され得る。温度範囲およびガスの化学種は、本開示に他で記載される。そのような当技術分野で公知の表面処理は、例えば酸素および窒素化学種のような非炭素化学種を改質するのに有用である。カーボン中の例示的な窒素化学種として、ピリジン性（pyridinic）、ピリドン（pyrydones）および酸化物性（oxcidic）の窒素の化学種（Carbon  37、１１４３〜１１５０頁、１９９９年）が挙げられる。同じく、酸素化学種もまた当技術分野で公知である。
【０３５５】
（実施例３８）
サイクリックボルタンメトリーにより測定した、先行技術のガス発生特性の表面ｐＨに関する影響
【０３５６】
先行技術のｐＨを、実施例３７に基づいて、窒素下で９００Ｃにおける熱処理により調整した。カーボンに対するこの処理により、表１７において分かり得るように、熱分解カーボン材料のｐＨが上昇した（１７−１０は、熱分解カーボン材料であり、および１７−２３）。次に、同一の熱分解カーボン材料の表面ｐＨを、硫酸で処理することにより減少させた。
【０３５７】
実施例３２に基づいて、サイクリックボルタンメトリーを介して試験をすると、図７において実証されるように明らかな傾向が観察される。材料１７−２３は、未処理の熱分解カーボンである。硫酸で処理すると（１７−１５）、ガス発生は、表面ｐＨの低下に起因して減少する。最後に、熱的に処理してｐＨを上昇させると（１７−１６）、ガス発生が増加する。したがって、非窒素含有熱分解カーボンにおいて、より低いｐＨ（すなわち、７．５未満）は、低ガス発生性カーボンにとって望ましい。
【０３５８】
（実施例３９）
先行技術および窒素含有ポリマーゲルから調製されたカーボンのガス発生特性の比較
【０３５９】
実施例１に記載される先行技術（非窒素含有熱分解カーボン）ならびに実施例２および４に記載される窒素含有ポリマーゲルから調製されたカーボンのガス発生挙動を比較すると、劇的かつ再現性のある傾向が観察される。ガス発生レベルを、実施例１５に基づく２Ｖセル中でサイクリックボルタンメトリーにより測定し、図８に示す。先行技術（１７−２３）は、窒素含有ポリマーゲルから調製された材料（１７−９）より高いガス発生電流を示す。同一の影響が、実施例３２に基づいて試験を行ったエアブラシ電極のサイクリックボルタンメトリーにおいて見られた。図９は、材料１７−９（実施例２に基づいて調製され、かつ実施例５に基づいて熱分解された窒素含有ゲル）に関して、最も低いガス発生電流を示す。実施例４に基づいて調製され、かつ実施例７に基づいて熱分解された材料１７−２２に関して、わずかに高いガス発生電流が観察される。非窒素含有熱分解カーボン材料（１７−２３）は、窒素を含有する両方のカーボンより高かった。試験を行い、かつ窒素に富むポリマーゲル出発材料（実施例２および４）から調製された全ての材料は、試験を行った任意の他の材料処理より、著しく低いガス発生特徴という結果をもたらした。
【０３６０】
（実施例４０）
窒素含有ポリマーゲルから調製されたカーボンのガス発生性と比較した、窒素含有カーボンを生成するための尿素を用いた先行技術の処理のガス発生性に対する影響
【０３６１】
窒素含有ポリマーゲルから調製された材料について観察されるものと同一の望ましい結果を達成するために、先行技術を窒素表面官能基で処理し得るかどうかを判定するための試みでは（図９に示す）、先行技術を実施例８に基づいて尿素で処理した。この試料を、ガス発生挙動を決定するために、実施例３２に基づいて試験した。図１０は、先行技術（１７−２３）、先行技術の尿素処理（１７−１４）および窒素含有ポリマーゲルから調製された試料（１７−９）の間の比較を示す。窒素官能基を表面に加えることから、特定の電圧レジームのガス発生低減にいくらかの影響があり得るが、そのガス発生低減は、窒素含有ポリマーゲルから作製された材料に匹敵するものではない。材料を窒素含有ポリマーゲルから調製すると、ガス発生挙動における劇的な低減という明らかな、他と異なる影響がある。
【０３６２】
（実施例４１）
過酸化物材料を用いた処理を介して先行技術のｐＨを上昇させたときの、ガス発生特性の増加
【０３６３】
先行技術の表面官能基を、実施例８に記載される方法で改質したが、尿素または硫酸を使用する代わりに、過酸化水素を使用した。表面官能基におけるこの変化は、図１１において実証されるように、ガス発生電流の増加を結果的にもたらした。材料１７−１２は、未処理の熱分解カーボン試料であり、材料１７−１３は、過酸化物で処理された。
【０３６４】
（実施例４２）
窒素含有ポリマーゲルから調製されたカーボンに対する熱処理の影響
【０３６５】
窒素に富むポリマーゲル（実施例２）から調製された熱分解カーボンを、実施例３７に基づいて熱処理した。ガス生成に対する影響は、先行技術（非窒素含有カーボン）について観察されたものと同様であった。図１２は、材料１７−１８（熱処理した材料）が、熱処理されていないが窒素を含有する材料１７−９より高いガス発生電流を有することを示す。
【０３６６】
（実施例４３）
窒素含有ポリマーゲルから調製されたカーボンに対する尿素を用いた化学的処理の影響
【０３６７】
実施例８に記載されるように、尿素を用いた窒素含有カーボンの処理時に、ガス発生電流は増加する。図１３は、尿素で処理された試料（１７−１９）は、尿素処理をされなかった材料（１７−９）より、高いガス発生電流を有することを実証している。
【０３６８】
（実施例４４）
ボルタモグラムならびにその一次導関数および二次導関数の分析により決定されたガス発生の程度
【０３６９】
実施例３２に基づいて実施されたサイクリックボルタンメトリー走査を分析するときに、ガス発生の程度を決定するための様々な測定基準がある。例示的な測定基準は、本方法において測定される最大の負電位である−１．６Ｖにおける電流測定値である。本明細書で示される全ての電極は、１ｍｇ（実施例３１に記載される）であり、したがって、全ての走査は電極重量に対して正規化される。−１．６Ｖにおいて生じる電流のｍＡ測定値を、「ガス発生電流」と表す。例えば、図６では、−１．６Ｖにおける材料１７−１のガス発生電流は−４．２ｍＡであり、一方、材料１７−２３は、−１．６Ｖにおいて−１０．３ｍＡの電流を有する。この測定値から、材料１７−２３は、材料１７−１より高いガス発生性を呈することが推測され得る。
【０３７０】
本文書に既に記載されたエアブラシ電極に関するサイクリックボルタンメトリー走査におけるガス発生の程度を測定するための付加的な例示的測定基準は、規定された電圧におけるいくつかの電流比を測定することである。各走査に関して、−１．６Ｖ、−１．４Ｖ、および−１．２Ｖにおいて電流を測定し、これをＩ１．６、Ｉ１．４、およびＩ１．２と定義する。Ｉ１．６：Ｉ１．４、Ｉ１．６：Ｉ１．２、およびＩ１．４：Ｉ１．２の比を、各材料に関して算出する。水素ガス発生を呈さない材料は、この測定基準内で全てほぼ単一な比を有する。例えば、図６では、材料１７−１は、Ｉ１．２＝−１．５ｍＡ、Ｉ１．４＝−１．４ｍＡ、およびＩ１．６＝−４．２ｍＡを有する。Ｉ１．６：Ｉ１．４＝３．０、Ｉ１．６：Ｉ１．２＝２．８、およびＩ１．４：Ｉ１．２＝０．９という比である。材料１７−２３に関して、Ｉ１．２＝−２．０ｍＡ、Ｉ１．４＝−３．６ｍＡ、およびＩ１．６＝−１０．３ｍＡである。Ｉ１．６：Ｉ１．４＝２．９、Ｉ１．６：Ｉ１．２＝５．２、およびＩ１．４：Ｉ１．２＝１．８という比である。材料１７−１は、単一に近い比を呈し、これは一般により低いガス発生性カーボンに関連する。
【０３７１】
サイクリックボルタンメトリー走査におけるガス発生性を測定するための付加的な例示的測定基準は、−１．２Ｖ〜−１．６Ｖの間の二次導関数の線により示されるような変曲点を算出することである。低ガス発生性カーボンは、低絶対値の二次導関数最小値を有する一方、−１．６Ｖの近くで二次導関数最小値を呈する。高ガス発生材料は、高絶対値の二次導関数最小値を有しながら、より正であり−１．２Ｖ近くに存在する変曲点を有する。
【０３７２】
あるいは、ボルタモグラムは、その一次導関数および二次導関数に関して分析され得る。これらの導関数からの極大値および極小値により、ガス発生性に関する電気化学的事象についての情報が提供される。図１４は、材料１７−９に関するその一次導関数および二次導関数と共に、ボルタモグラムを示す。本来のサイクリックボルタンメトリー走査は点線で表され、この走査の一次導関数は細実線（light  solid  line）であり、この走査の二次導関数は太実線である。図に示されるように、特徴的な特色が、電圧値、（（ｄＶ）／（ｄ（ｍＡ／ｍｇ）））および（（ｄ２Ｖ）／（ｄ（ｍＡ／ｍｇ）２））と共に、それぞれ、一次導関数および二次導関数から導かれる特色に関して注釈される。図１５は、材料１７−２３の一次導関数および二次導関数と共に、ボルタモグラムを示す。図に示されるように、特徴的な特色が、電圧値、（（ｄＶ）／（ｄ（ｍＡ／ｍｇ）））、および（（ｄ２Ｖ）／（ｄ（ｍＡ／ｍｇ）２））と共に、それぞれ、一次導関数および二次導関数から導かれる特色に関して注釈される。図から分かり得るように、両方の図は、電圧に関して同一の位置において起きる一次導関数および二次導関数中の事象を明らかにする。理論によって束縛されないが、一次導関数および二次導関数に関連する絶対値は、ガス発生性に関する電気化学的事象の程度と関連付けられる。例えば、１７−９および１７−２３の一次導関数の最大値は、同一の電圧で出現し（すなわち、−１．５５Ｖ、−１．４８Ｖ）、かつ材料１７−２３の最大値は、材料１７−９の６．７５倍大きい。また、１７−９および１７−２３の二次導関数の最大値は、同一の電圧で出現し（すなわち、−１．５２Ｖ）、かつ材料１７−２３の最大値は、材料１７−９の５．９倍大きい。比較のために、これらの試料に関するボルタモグラムからの−１．６Ｖにおける電流比は、６．６倍である。
【０３７３】
理論によって束縛されないが、同一の手法、すなわちボルタモグラムの一次導関数および二次導関数の分析は、例えば２．０Ｖ鉛酸セルのような他の装置フォーマットにも適用され得る。したがって、このような装置に関して、ボルタモグラムの一次導関数および二次導関数からの情報は、これらの他のシステムにおける様々なカーボン系材料のガス発生性に関する電気化学的事象を反映している。
【０３７４】
本発明の例示的な実施形態として、以下の実施形態が挙げられるが、これらに限定されない：
【０３７５】
実施形態１．
鉛を含む基材上の作用電極として、かつ硫酸を含む電解液の存在下で白金対向電極を利用してサイクリックボルタンメトリーにより試験をすると、Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して−１．６Ｖにおいて絶対値１０ｍＡ／ｍｇ未満の電流を備える、カーボン材料。
【０３７６】
実施形態２．
鉛を含む基材上の作用電極として、かつ硫酸を含む電解液の存在下で白金対向電極を利用してサイクリックボルタンメトリーにより試験をすると、Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して−１．６Ｖにおいて絶対値５ｍＡ／ｍｇ未満の電流を備える、実施形態１に記載のカーボン材料。
【０３７７】
実施形態３．
鉛を含む基材上の作用電極として、かつ硫酸を含む電解液の存在下で白金対向電極を利用してサイクリックボルタンメトリーにより試験をすると、Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して−１．６Ｖにおいて絶対値３ｍＡ／ｍｇ未満の電流を備える、実施形態１に記載のカーボン材料。
【０３７８】
実施形態４．
鉛を含む基材上の作用電極として、かつ硫酸を含む電解液の存在下で白金対向電極を利用してサイクリックボルタンメトリーにより試験をすると、Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して−１．６Ｖにおいて絶対値２．５ｍＡ／ｍｇ未満の電流を備える、実施形態１に記載のカーボン材料。
【０３７９】
実施形態５．
鉛を含む基材上の作用電極として、かつ硫酸を含む電解液の存在下で白金対向電極を利用してサイクリックボルタンメトリーにより試験をすると、Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して−１．６Ｖにおいて絶対値２ｍＡ／ｍｇ未満の電流を備える、実施形態１に記載のカーボン材料。
【０３８０】
実施形態６．
鉛を含む基材上の作用電極として、かつ硫酸を含む電解液の存在下で白金対向電極を利用してサイクリックボルタンメトリーにより試験をすると、Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して−１．６Ｖにおいて絶対値１．５ｍＡ／ｍｇ未満の電流を備える、実施形態１に記載のカーボン材料。
【０３８１】
実施形態７．
鉛を含む基材上の作用電極として、かつ硫酸を含む電解液の存在下で白金対向電極を利用してサイクリックボルタンメトリーにより試験をすると、Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して−１．６Ｖにおいて絶対値１．０ｍＡ／ｍｇ未満の電流を備える、実施形態１に記載のカーボン材料。
【０３８２】
実施形態８．
前記カーボン材料が、鉛を含む基材上の作用電極として、かつ硫酸を含む電解液の存在下で白金対向電極を利用してサイクリックボルタンメトリーにより試験をすると、Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して−１．５５Ｖにおいて１００（ｍＡ／ｍｇ）／（Ｖ）未満を生じる、カーボン材料。
【０３８３】
実施形態９．
前記カーボン材料が、鉛を含む基材上の作用電極として、かつ硫酸を含む電解液の存在下で白金対向電極を利用してサイクリックボルタンメトリーにより試験をすると、Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して−１．５５Ｖにおいて５０（ｍＡ／ｍｇ）／（Ｖ）未満を生じる、実施形態８に記載のカーボン材料。
【０３８４】
実施形態１０．
前記カーボン材料が、鉛を含む基材上の作用電極として、かつ硫酸を含む電解液の存在下で白金対向電極を利用してサイクリックボルタンメトリーにより試験をすると、Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して−１．５５Ｖにおいて３０（ｍＡ／ｍｇ）／（Ｖ）未満を生じる、実施形態８に記載のカーボン材料。
【０３８５】
実施形態１１．
前記カーボン材料が、鉛を含む基材上の作用電極として、かつ硫酸を含む電解液の存在下で白金対向電極を利用してサイクリックボルタンメトリーにより試験をすると、Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して−１．５５Ｖにおいて２５（ｍＡ／ｍｇ）／（Ｖ）未満を生じる、実施形態８に記載のカーボン材料。
【０３８６】
実施形態１２．
前記カーボン材料が、鉛を含む基材上の作用電極として、かつ硫酸を含む電解液の存在下で白金対向電極を利用してサイクリックボルタンメトリーにより試験をすると、Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して−１．５５Ｖにおいて２０（ｍＡ／ｍｇ）／（Ｖ）未満を生じる、実施形態８に記載のカーボン材料。
【０３８７】
実施形態１３．
前記カーボン材料が、鉛を含む基材上の作用電極として、かつ硫酸を含む電解液の存在下で白金対向電極を利用してサイクリックボルタンメトリーにより試験をすると、Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して−１．５５Ｖにおいて１０（ｍＡ／ｍｇ）／（Ｖ）未満を生じる、実施形態８に記載のカーボン材料。
【０３８８】
実施形態１４．
前記カーボン材料が、鉛を含む基材上の作用電極として、かつ硫酸を含む電解液の存在下で白金対向電極を利用してサイクリックボルタンメトリーにより試験をすると、Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して−１．５５Ｖにおいて５（ｍＡ／ｍｇ）／（Ｖ）未満を生じる、実施形態８に記載のカーボン材料。
【０３８９】
実施形態１５．
鉛を含む基材上の作用電極として、かつ硫酸を含む電解液の存在下で白金対向電極を利用してサイクリックボルタンメトリーにより試験をすると、Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して−１．５２Ｖにおいて２００（ｍＡ／ｍｇ）２／（Ｖ）未満を生じる、カーボン材料。
【０３９０】
実施形態１６．
前記カーボン材料が、鉛を含む基材上の作用電極として、かつ硫酸を含む電解液の存在下で白金対向電極を利用してサイクリックボルタンメトリーにより試験をすると、Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して−１．５２Ｖにおいて１００（ｍＡ／ｍｇ）２／（Ｖ）未満を生じる、実施形態１５に記載のカーボン材料。
【０３９１】
実施形態１７．
前記カーボン材料が、鉛を含む基材上の作用電極として、かつ硫酸を含む電解液の存在下で白金対向電極を利用してサイクリックボルタンメトリーにより試験をすると、Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して−１．５２Ｖにおいて５０（ｍＡ／ｍｇ）２／（Ｖ）未満を生じる、実施形態１５に記載のカーボン材料。
【０３９２】
実施形態１８．
前記カーボン材料が、鉛を含む基材上の作用電極として、かつ硫酸を含む電解液の存在下で白金対向電極を利用してサイクリックボルタンメトリーにより試験をすると、Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して−１．５２Ｖにおいて４０（ｍＡ／ｍｇ）２／（Ｖ）未満を生じる、実施形態１５に記載のカーボン材料。
【０３９３】
実施形態１９．
前記カーボン材料が、鉛を含む基材上の作用電極として、かつ硫酸を含む電解液の存在下で白金対向電極を利用してサイクリックボルタンメトリーにより試験をすると、Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して−１．５２Ｖにおいて２０（ｍＡ／ｍｇ）２／（Ｖ）未満を生じる、実施形態１５に記載のカーボン材料。
【０３９４】
実施形態２０．
前記カーボン材料が、鉛を含む基材上の作用電極として、かつ硫酸を含む電解液の存在下で白金対向電極を利用してサイクリックボルタンメトリーにより試験をすると、Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して−１．５２Ｖにおいて１０（ｍＡ／ｍｇ）２／（Ｖ）未満を生じる、実施形態１５に記載のカーボン材料。
【０３９５】
実施形態２１．
前記カーボン材料が、鉛を含む基材上の作用電極として、かつ硫酸を含む電解液の存在下で白金対向電極を利用してサイクリックボルタンメトリーにより試験をすると、Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して−１．５２Ｖにおいて５（ｍＡ／ｍｇ）２／（Ｖ）未満を生じる、実施形態１５に記載のカーボン材料。
【０３９６】
実施形態２２．
鉛を含む基材上の作用電極として、かつ硫酸を含む電解液の存在下で白金対向電極を利用してサイクリックボルタンメトリーにより試験をすると、５：１未満の（Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して−１．６ＶにおけるｍＡ／ｍｇ電流）：（Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して１．２ＶにおけるｍＡ／ｍｇ電流）を生じるカーボン材料。
【０３９７】
実施形態２３．
前記カーボン材料が、鉛を含む基材上の作用電極として、かつ硫酸を含む電解液の存在下で白金対向電極を利用してサイクリックボルタンメトリーにより試験をすると、４：１未満の（Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して−１．６ＶにおけるｍＡ／ｍｇ電流）：（Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して１．２ＶにおけるｍＡ／ｍｇ電流）を生じる、実施形態２２に記載のカーボン材料。
【０３９８】
実施形態２４．
前記カーボン材料が、鉛を含む基材上の作用電極として、かつ硫酸を含む電解液の存在下で白金対向電極を利用してサイクリックボルタンメトリーにより試験をすると、３：１未満の（Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して−１．６ＶにおけるｍＡ／ｍｇ電流）：（Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して１．２ＶにおけるｍＡ／ｍｇ電流）を生じる、実施形態２２に記載のカーボン材料。
【０３９９】
実施形態２５．
前記カーボン材料が、鉛を含む基材上の作用電極として、かつ硫酸を含む電解液の存在下で白金対向電極を利用してサイクリックボルタンメトリーにより試験をすると、２：１未満の（Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して−１．６ＶにおけるｍＡ／ｍｇ電流）：（Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して１．２ＶにおけるｍＡ／ｍｇ電流）を生じる、実施形態２２に記載のカーボン材料。
【０４００】
実施形態２６．
鉛を含む基材上の作用電極として、かつ硫酸を含む電解液の存在下で白金対向電極を利用してサイクリックボルタンメトリーにより試験をすると、０．７５：１〜１．２５：１の間の（Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して−１．４ＶにおけるｍＡ／ｍｇ電流）：（Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して１．２ＶにおけるｍＡ／ｍｇ電流）を生じる、カーボン材料。
【０４０１】
実施形態２７．
前記カーボン材料が、鉛を含む基材上の作用電極として、かつ硫酸を含む電解液の存在下で白金対向電極を利用してサイクリックボルタンメトリーにより試験をすると、０．８５：１〜１．１５：１の間の（Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して−１．４ＶにおけるｍＡ／ｍｇ電流）：（Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して１．２ＶにおけるｍＡ／ｍｇ電流）を生じる、実施形態２６に記載のカーボン材料。
【０４０２】
実施形態２８．
前記カーボン材料が、鉛を含む基材上の作用電極として、かつ硫酸を含む電解液の存在下で白金対向電極を利用してサイクリックボルタンメトリーにより試験をすると、０．９：１〜１．１：１の間の（Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して−１．４ＶにおけるｍＡ／ｍｇ電流）：（Ｈｇ／Ｈｇ２ＳＯ４に対して１．２ＶにおけるｍＡ／ｍｇ電流）を生じる、実施形態２６に記載のカーボン材料。
【０４０３】
実施形態２９．
少なくとも１５重量％の窒素を含む、実施形態１から２８のいずれか一項に記載のカーボン材料。
【０４０４】
実施形態３０．
少なくとも３００ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を備える、実施形態１から２９のいずれか一項に記載のカーボン材料。
【０４０５】
実施形態３１．
少なくとも１５重量％の窒素を含み、かつ少なくとも３００ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を備える、カーボン材料。
【０４０６】
実施形態３２．
１５重量％〜３０重量％の間の窒素を含む、実施形態２９から３１のいずれか一項に記載のカーボン材料。
【０４０７】
実施形態３３．
最大２０重量％の窒素を含む、実施形態２９から３１のいずれか一項に記載のカーボン材料。
【０４０８】
実施形態３４．
最大２０重量％〜２５重量％の窒素を含む、実施形態２９から３１のいずれか一項に記載のカーボン材料。
【０４０９】
実施形態３５．
５００ＰＰＭ未満の全不純物を含む、実施形態１から３４のいずれか一項に記載のカーボン材料。
【０４１０】
実施形態３６．
前記不純物が、１０よりも大きい原子番号を有する元素である、実施形態３５に記載のカーボン材料。
【０４１１】
実施形態３７．
鉄のレベルが３０ｐｐｍ未満の鉄であり、銅のレベルが３０ｐｐｍ未満であり、２０ｐｐｍ未満のニッケルであり、２０ｐｐｍ未満のマンガンであり、および１０ｐｐｍ未満の塩素である、実施形態３５または３６に記載のカーボン材料。
【０４１２】
実施形態３８．
２０オングストローム未満の細孔に属する前記カーボン材料の全表面積が、２０％〜６０％の範囲である、実施形態１から３７のいずれかに記載のカーボン材料。
【０４１３】
実施形態３９．
２０オングストローム未満の細孔に属する前記カーボン材料の全表面積が、４０％〜６０％の範囲である、実施形態１から３７のいずれか一項に記載のカーボン材料。
【０４１４】
実施形態４０．
２０オングストロームよりも大きい細孔に属する前記カーボン材料の全表面積が、６０％〜９９％の範囲である、実施形態１から３７のいずれか一項に記載のカーボン材料。
【０４１５】
実施形態４１．
２０オングストローム未満の細孔に属する前記カーボン材料の全表面積が、８０％〜９５％の範囲である、実施形態１から３７のいずれかに記載のカーボン材料。
【０４１６】
実施形態４２．
前記カーボンの灰含有量が、０．０３％未満である、実施形態１から４１のいずれか一項に記載のカーボン材料。
【０４１７】
実施形態４３．
前記カーボンの灰含有量が、０．０１％未満である、実施形態１から４１のいずれか一項に記載のカーボン材料。
【０４１８】
実施形態４４．
前記カーボン材料が、熱分解ポリマークリオゲルを含む、実施形態１から４３のいずれか一項に記載のカーボン材料。
【０４１９】
実施形態４５．
前記カーボン材料が、熱分解および活性ポリマークリオゲルを含む、実施形態１から４３のいずれか一項に記載のカーボン材料。
【０４２０】
実施形態４６．
前記カーボン材料が、熱分解ポリマーを含む、実施形態１から４３のいずれか一項に記載のカーボン材料。
【０４２１】
実施形態４７．
前記カーボン材料が、熱分解および活性ポリマーを含む、実施形態１から４３のいずれか一項に記載のカーボン材料。
【０４２２】
実施形態４８．
前記カーボン材料が、少なくとも１０００ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を備える、実施形態１から４７に記載のカーボン材料。
【０４２３】
実施形態４９．
前記カーボン材料が、少なくとも１５００ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を備える、実施形態４８に記載のカーボン材料。
【０４２４】
実施形態５０．
前記カーボン材料が、０．１〜０．３ｃｃ／ｇの間の全細孔容積を備える、実施形態１から４９のいずれか一項に記載のカーボン材料。
【０４２５】
実施形態５１．
前記カーボン材料が、０．３〜０．５ｃｃ／ｇの間の全細孔容積を備える、実施形態１から４９のいずれか一項に記載のカーボン材料。
【０４２６】
実施形態５２．
前記カーボン材料が、０．５〜０．７ｃｃ／ｇの間の全細孔容積を備える、実施形態１から４９のいずれか一項に記載のカーボン材料。
【０４２７】
実施形態５３．
前記カーボン材料が、０．７〜１．０ｃｃ／ｇの間の全細孔容積を備える、実施形態１から４９のいずれか一項に記載のカーボン材料。
【０４２８】
実施形態５４．
前記カーボン材料が、前記カーボン材料中の細孔容積の、０．６ｇ  Ｈ２Ｏ／ｃｃよりも大きい水吸収率を備える、実施形態１から５３のいずれか一項に記載のカーボン材料。
【０４２９】
実施形態５５．
前記カーボン材料が、前記カーボン材料中の細孔容積の、１．０ｇ  Ｈ２Ｏ／ｃｃよりも大きい水吸収率を備える、実施形態１から５３のいずれか一項に記載のカーボン材料。
【０４３０】
実施形態５６．
前記カーボン材料が、前記カーボン材料中の細孔容積の、２．０ｇ  Ｈ２Ｏ／ｃｃよりも大きい水吸収率を備える、実施形態１から５３のいずれか一項に記載のカーボン材料。
【０４３１】
実施形態５７．
前記カーボン材料が、０．４ｃｃ／ｇ〜１．４ｃｃ／ｇの範囲の細孔容積および約１０％〜１００％の範囲の相対湿度における０．２またはそれ未満のＲ因子を備える、実施形態１から５６のいずれか一項に記載のカーボン材料。
【０４３２】
実施形態５８．
前記カーボン材料が、０．６またはそれ未満のＲ因子を備える、実施形態５７に記載のカーボン材料。
【０４３３】
実施形態５９．
前記カーボン材料が、０．６ｃｃ／ｇ〜１．２ｃｃ／ｇの範囲の細孔容積を備える、実施形態５７または５８に記載のカーボン材料。
【０４３４】
実施形態６０．
前記カーボン材料が、７．５未満のｐＨを有する、実施形態１から５９のいずれか一項に記載のカーボン材料。
【０４３５】
実施形態６１．
前記カーボン材料が、ｐＨ３．０〜７．５の間のｐＨを有する、実施形態１から５９のいずれか一項に記載のカーボン材料。
【０４３６】
実施形態６２．
前記カーボン材料が、ｐＨ５．０〜７．０の間のｐＨを有する、実施形態１から５９のいずれか一項に記載のカーボン材料。
【０４３７】
実施形態６３．
１．０〜１０．０ｕｍの間のＤｖ，５０を備える、実施形態１から６２のいずれか一項に記載のカーボン材料。
【０４３８】
実施形態６４．
１０．０〜２０．０ｕｍの間のＤｖ，５０を備える、実施形態１から６２のいずれか一項に記載のカーボン材料。
【０４３９】
実施形態６５．
２０．０〜５０．０ｕｍの間のＤｖ，５０を備える、実施形態１から６２のいずれか一項に記載のカーボン材料。
【０４４０】
実施形態６６．
４０．０〜８０．０ｕｍの間のＤｖ，５０を備える、実施形態１から６２のいずれか一項に記載のカーボン材料。
【０４４１】
実施形態６７．
前記カーボン材料が、８５％よりも多いミクロ細孔、１５％未満のメソ細孔、および１％未満のマクロ細孔を含む、実施形態１から６６のいずれか一項に記載のカーボン材料。
【０４４２】
実施形態６８．
前記カーボン材料が、５０％未満のミクロ細孔、５０％よりも多いメソ細孔、および０．１％未満のマクロ細孔を含む、実施形態１から６６のいずれか一項に記載のカーボン材料。
【０４４３】
実施形態６９．
前記カーボン材料が、３０％未満のミクロ細孔および７０％よりも多いメソ細孔を含む、実施形態１から６６のいずれか一項に記載のカーボン材料。
【０４４４】
実施形態７０．
実施形態１から６９のいずれか一項に記載のカーボン材料を含む、電気的エネルギー貯蔵装置。
【０４４５】
実施形態７１．
前記装置が、
ａ）第１の集電体と電気的に接触している、第１の活物質を備える少なくとも１個の正電極；
ｂ）第２の集電体と電気的に接触している、第２の活物質を備える少なくとも１個の負電極；および
ｃ）電解液；
を備える電池であり、
前記正電極および前記負電極が、不活性多孔質のセパレータにより分離され、かつ前記第１または第２の活物質の少なくとも１つが、実施形態１から６９のいずれか一項に記載のカーボン材料を含む、実施形態７０に記載の装置。
【０４４６】
実施形態７２．
前記カーボン材料が、前記負電極の０．１〜２％を構成する、実施形態７１に記載の装置。
【０４４７】
実施形態７３．
前記カーボン材料が、前記負電極の０．２〜１％を構成する、実施形態７１に記載の装置。
【０４４８】
実施形態７４．
前記カーボン材料が、前記負電極の０．３〜０．７％を構成する、実施形態７１に記載の装置。
【０４４９】
実施形態７５．
前記電解液が、硫酸および水を含む、実施形態７１または７２に記載の装置。
【０４５０】
実施形態７６．
前記電解液が、シリカゲルを含む、実施形態７１から７４のいずれか一項に記載の装置。
【０４５１】
実施形態７７．
少なくとも１個の電極が、増量剤を更に含む、実施形態７１から７６のいずれか一項に記載の装置。
【０４５２】
実施形態７８．
電気的エネルギー貯蔵装置における、実施形態１から６９のいずれか一項に記載のカーボン材料の使用。
【０４５３】
実施形態７９．
前記電気的エネルギー貯蔵装置が、電池である、実施形態７８に記載の使用。
【０４５４】
実施形態８０．
前記電気的エネルギー貯蔵装置が、ミクロハイブリッド、始動−停止ハイブリッド、マイルドハイブリッド車両、電気ターボチャージを備えた車両、回生制動を備えた車両、ハイブリッド車両、電気車両、例えばフォークリフト、電気二輪車、ゴルフ用カート、航空宇宙用途などの産業用動力、電力貯蔵および分配グリッド、太陽光または風力発電システム、例えば携帯型軍事用バックアップのための緊急時バックアップ、病院または軍事インフラストラクチャー、および製造バックアップなどの電力バックアップシステムまたはセルラータワー発電システムにある、実施形態７８もしくは７９に記載の使用または実施形態７０から７８のいずれか一項に記載の装置。
【０４５５】
実施形態８１．
電気的エネルギーの貯蔵および分配用の、実施形態１から６９のいずれか一項に記載のカーボン材料を含む装置の使用。
【０４５６】
実施形態８２．
前記装置が、電池である、実施形態８１に記載の使用。
【０４５７】
実施形態８３．
前記装置が、ミクロハイブリッド、始動−停止ハイブリッド、マイルドハイブリッド車両、電気ターボチャージを備えた車両、回生制動を備えた車両、ハイブリッド車両、電気車両、例えばフォークリフト、電気二輪車、ゴルフ用カート、航空宇宙用途などの産業用動力、電力貯蔵および分配グリッド、太陽光または風力発電システム、例えば携帯型軍事用バックアップのための緊急時バックアップ、病院または軍事インフラストラクチャー、および製造バックアップなどの電力バックアップシステムまたはセルラータワー発電システムにある、実施形態８１または８２に記載の使用。
【０４５８】
上述のさまざまな実施形態は、組み合わ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および／また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、外国特許出願および非特許刊行物は、米国仮特許出願第６２／２４２，１８１号を含み、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、改変され、必要ならば、さまざまな特許、出願および刊行物の概念を採用して、またさらなる実施形態を提供することができる。上記詳述の内容を考慮すると、これらのおよび他の変更を、実施形態に対して行うことができる。一般に、添付の特許請求の範囲内で、使用される用語は、特許請求の範囲を、本明細書および特許請求の範囲に開示される特定の実施形態に制限すると解釈されるべきではなく、そのような特許請求の範囲が権利を与える全範囲の同等物と共に、全ての可能な実施形態を含むと解釈すべきである。したがって、特許請求の範囲は、本開示により制限されない。
【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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【図１５】
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【国際調査報告】
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