CN108475777A - 用于改善铅酸电池性能的低放气碳材料 - Google Patents

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Abstract

提供了具有低放气性质的碳材料和包含所述碳材料的电极和电能储存装置，尤其是铅酸电池。

Description

用于改善铅酸电池性能的低放气碳材料
背景
技术领域
本申请涉及用于添加到铅酸电池和其他相关能量储存系统的碳基添加剂。本文公开的碳改善了电化学性能，例如改善的充电接受能力和循环寿命，同时提供非常低的放气，这是用于此目的的先前所述碳基添加剂和其他添加剂的已知问题。
相关技术描述
为了满足铅酸电池应用的当前需求，需要一种解决方案来实现较高水平的充电接受能力，以提高系统效率并延迟常见失效机制，例如硫酸盐化或枝晶生长。在现代汽车中，许多先进的系统(导航、加热、空调等)可能增加超过其交流发电机在正常时间期间可以补充的电能消耗。为了将电池保持在部分充电状态(SOC)并避免负极活性材料(NAM)上的不可逆硫酸盐化，需要较高的表面积和增加的充电接受能力，并且碳基添加剂可提供解决方案。
在糊剂制备期间，将碳以各种形式添加到NAM中，所述形式包括碳纳米管、碳黑和活性碳。当以小重量百分比(例如，0.1％-5％)掺入NAM时，碳可以将充电接受能力提高2倍或更大(200％或更大)。然而，碳还可能增加放气倾向，并且如果碳含有诸如铁的杂质(其可能导致更多的气体逸出并导致失水)，这种不期望的结果可能进一步加剧，这最终将导致电池失效。解决该碳放气问题对提高碳在铅酸电池系统和相关电池系统中作为添加剂的效用至关重要。本公开内容满足该需要。
传统的铅酸能量储存装置可能具有有限的有效寿命和功率性能。使用碳或铅酸电极的混合能量储存装置(但不是它们在同一电极上的组合)相对于常规铅酸装置可以提供一些改进和优点；然而，它们的有效寿命、能量容量和功率性能可能同样受到限制。例如，由于在多次充电/放电循环之后活性二氧化铅糊剂与集电器栅格的电子接触的损失，二氧化铅基正极经常失效。此外，集电器(也称为栅格)的腐蚀会增加正极板上的电阻，并可能导致电池失效。
这些装置的负极在多次充电/放电循环中也会恶化，但通过与正极不同的机制。在放电时，形成硫酸铅晶体，并且这些晶体的溶解对于电池再充电性是至关重要的。当电池需要电池维持用于正常电池功能的部分充电状态时，这些硫酸盐晶体的尺寸增加，这导致负极板的“致密化”，引起充电接受能力降低、电池电阻增加和容量损失。此外，铅电极的低表面积导致较大的硫酸盐晶体，这限制了这些装置的功率性能和循环寿命。
本领域已经确定了碳作为铅酸电池和其他相关系统的添加剂，其具有改善充电接受能力和改善循环寿命的能力。然而，用作添加剂的所有碳材料都遭受增加放气的负面影响。铅酸电池中的放气是由于在电压窗口中的电池操作而分别从负极板和正极板产生氢气和氧气，其中水分解在热力学上是有利的。通常，例如在混合动力车辆的情况下，铅酸和相关电池系统的操作将在高电流的部分充电和放电状态下发生。高倍率放电与发动机起动相关，并且高倍率充电与再生制动相关。这些高电流脉冲可能导致放气反应的显著增加。放气导致硫酸电解液的水含量下降，酸浓度增加，结果降低了充电效率，并且在加剧的条件下导致电池完全干燥。这不仅是电池失效机制，而且也是安全问题，因为电池在这种状态下可能着火。采用解决方案来提高电池性能(特别是在部分充电状态的应用中的充电接受能力和循环寿命)，同时还保持低放气(并因此降低电池的水损失)，符合所有电池制造商的利益。
将碳材料添加到负极糊剂中的主要原因是为了增加板的表面积。这允许获得较大的充电接受能力和延长的循环寿命，然而，它还会增加负极板上的氢气产生。板的表面积增加产生更大的电化学活性表面积，这允许更多的反应位点用于产生氢气。此外，在碳表面上的析氢反应比在铅表面上的析氢反应发生在更低的电位下。因此，作为添加碳的自然结果，负极板处的氢产生增加。在添加到负极板时，虽然碳被证明增强铅酸蓄电池的积极性能，但迄今为止，已经证明难以鉴定碳基添加剂可以提供增加的充电接受能力和改善的循环寿命的优点，而不是表现出高放气。
尽管已认识到用于混合铅-碳能量储存装置的改进的碳材料的需求，但迄今为止，没有鉴定可以提高充电接受能力和循环寿命，同时提供低放气的碳基解决方案。因此，本领域仍然需要用于混合铅-碳电能储存装置的改进的电极材料以及制造该电极材料的方法和包含该电极材料的装置。本发明满足了这些需求并提供了其他相关的优点。
概述
一般而言，本发明涉及用于能量储存和分配的组合物和装置，其使用碳颗粒和铅颗粒的物理混合物，所述物理混合物表现出低放气和其他期望的电化学性质，例如在铅酸电池系统的情况下的高循环寿命和充电接受能力。铅与低放气碳材料的这些混合物表现出适用于混合碳-铅能量储存装置的期望的电化学性质。在一些实施方案中，低放气碳颗粒是热解碳颗粒或活性碳颗粒。在某些实施方案中，低放气碳颗粒是超纯的。在其他实施方案中，低放气碳颗粒包含大于1000PPM的总PIXE杂质含量(即，“非超纯”)。低放气碳材料还可包含某些添加剂。
因此，在一个实施方案中，本发明提供了用于铅酸和相关电池系统的低放气碳添加剂，其中与先前已知的材料相比，所述碳材料提供某些电化学增强，特别是增加充电接受能力，同时提供非常低水平的气体产生。可以通过本文所述的各种方法产生这些新型低放气碳基添加剂。
还提供了包含低放气碳-铅混合物的负极活性材料。此外，还提供了包含负极活性材料的能量储存装置。此外，还提供了使用该新型组合物和装置的方法。
在一些实施方案中，本发明提供了当在包含硫酸的电解液存在下在包含铅并且使用铂对电极的基板上作为工作电极通过循环伏安法测试时，形成在相对于Hg/Hg2SO4为-1.6V下小于绝对值10mA/mg的电流的碳材料。
在其他实施方案中，提供了当在包含硫酸的电解液存在下在包含铅并且使用铂对电极的基板上作为工作电极通过循环伏安法测试时，在相对于Hg/Hg2SO4为-1.55V下产生小于100(mA/mg)/(V)的碳材料。
在一些其他实施方案中，本发明包括当在包含硫酸的电解液存在下在包含铅并且使用铂对电极的基板上作为工作电极通过循环伏安法测试时，在相对于Hg/Hg2SO4为-1.52V下产生小于200(mA/mg)2/(V)的碳材料。
在不同的实施方案中，提供了当在包含硫酸的电解液存在下在包含铅并且使用铂对电极的基板上作为工作电极通过循环伏安法测试时产生小于5:1的(在相对于Hg/Hg2SO4为-1.6V下的mA/mg电流):(在相对于Hg/Hg2SO4为1.2V下的mA/mg电流)的碳材料。
在更多的实施方案中，提供了当在包含硫酸的电解液存在下在包含铅并且使用铂对电极的基板上作为工作电极通过循环伏安法测试时产生0.75:1至1.25:1的(在相对于Hg/Hg2SO4为-1.4V下的mA/mg电流):(在相对于Hg/Hg2SO4为1.2V下的mA/mg电流)的碳材料。
在不同的实施方案中，本发明涉及包含至少15重量％的氮和至少300m2/g的BET比表面积的碳材料。
还提供了包含任何公开的碳材料的电能储存装置和所公开的碳材料用于储存和分配电能的用途。
参照以下详细描述，本发明的这些和其他方面将变得显而易见。为此，本文阐述了各种参考文献，其更详细地描述了某些背景信息、程序、化合物和/或组合物，并且各自通过引用整体并入本文。
附图说明
在附图中，相同的参考数字表示相似的元件。附图中的元件的尺寸和相对位置不一定按比例绘制，并且这些元件中的一些被任意放大和定位以提高附图可读性。此外，所绘制的元件的特定形状并非旨在传达关于特定元件的实际形状的任何信息，而是仅选择用于在附图中易于识别。
图1比较了作为电压函数的商业碳黑和碳17-1的归一化放气电流。
图2示出了在2.4V和2.67V下测量的碳17-1和商业碳黑的作为时间函数的质量正常放气电流的比较。
图3是碳17-1和商业碳黑的作为时间函数的归一化充电接受能力的绘图。
图4示出了碳17-9和碳17-24的孔径分布。
图5是比较碳17-25、碳17-26和碳17-27的热重分析(TGA)结果。
图6示出了碳17-1(小粒径)、碳17-10(微粉化，未筛选)、碳17-20(中等粒径)和碳17-23(通过212μm筛)的碳浆料的循环伏安测试结果的绘图。
图7示出了用硫酸处理后的碳17-15、热处理后的碳17-16和未处理的碳17-23的伏安图。
图8描绘了使用2V电池通过循环伏安法测量的放气水平。
图9例示了对于使用不同热解方法制备的碳材料，通过循环伏安法测量的放气电流。
图10示出了通过循环伏安法测量的使用尿素制备的碳的放气电流的比较。
图11是示出当用过氧化物材料处理碳时增加的放气性质的绘图。
图12示出了比较用富氮聚合物凝胶制备的热解碳的循环伏安法结果。
图13例示了使用循环伏安法的尿素处理对使用富氮聚合物凝胶制备的碳的作用。
图14描绘了对于碳17-9经由循环伏安法测量的低放气的一阶和二阶导数的绘图。
图15描绘了对于碳17-16经由循环伏安法测量的低放气的一阶和二阶导数的绘图。
详述
在以下描述中，阐述了某些具体细节以便提供对各种实施方案的彻底理解。然而，本领域技术人员将理解，可在没有这些细节的情况下实施本发明。在其他情况下，众所周知的结构未被详细示出或描述,以避免对实施方案的不必要地模糊的描述。除非上下文另有要求，否则在以下整个说明书和权利要求书中，词语“包括(comprise)”及其变体，例如“包括(comprises)”和“包括(comprising)”应以开放的包括式含义解释为即“包括但不限于”。此外，本文提供的标题仅仅是为了方便，并不解释要求保护的发明的范围或含义。
在整个说明书中对“一个实施方案(one embodiment)”或“实施方案(anembodiment)”的提及意指结合该实施方案描述的特定特征、结构或特性被包括在至少一个实施方案中。因此，在整个说明书中各处出现的短语“在一个实施方案中(in oneembodiment)”或“在实施方案中(inan embodiment)”并不一定都是指相同的实施方案。此外，特定特征、结构或特性可以按任何合适的方式组合在一个或多个实施方案中。此外，如本说明书和所附权利要求书中所用，单数形式“一(a)”、“一(an)”和“所述(the)”包括复数指示物，除非内容另有明确规定。还应当注意，术语“或”通常以其包括“和/或”的含义被使用，除非内容另有明确规定。
定义
如本文所用，并且除非上下文另有规定，否则以下术语具有如下所规定的含义。
“绝对值”是指实数的大小，而不考虑其符号。例如，-5mA/mg的电流对应于5mA/mg的绝对值。
“碳材料”是指基本上由碳构成的材料或物质。碳材料包括超纯以及无定形和结晶的碳材料。碳材料的实例包括但不限于活性碳、热解干燥聚合物凝胶、热解聚合物冷冻凝胶、热解聚合物干凝胶、热解聚合物气凝胶、活化干燥聚合物凝胶、活化聚合物冷冻凝胶、活化聚合物干凝胶、活化聚合物气凝胶等。
“无定形”是指其组成原子、分子或离子在无规则重复模式的情况下随机排列的材料，例如无定形碳材料。无定形材料可能具有一些局部结晶度(即，规整度)，但缺乏原子位置的长程有序性。热解和/或活性碳材料通常是无定形的。
“结晶”是指其组成原子、分子或离子以有序重复模式排列的材料。结晶碳材料的实例包括但不限于金刚石和石墨烯。
“合成”是指通过化学手段制备而不是来自天然来源的物质。例如，合成碳材料是由前体材料合成并且不是从天然来源分离的材料。
“杂质”或“杂质元素”是指与基础材料的化学组成不同的材料内的不需要的异物(例如，化学元素)。例如，碳材料中的杂质是指存在于碳材料中的除碳之外的任何元素或元素的组合。杂质水平通常以百万分率(ppm)表示。
“PIXE杂质”或“PIXE元素”是原子序数为11至92(即，从钠至铀)的任何杂质元素。短语“总PIXE杂质含量”和“总PIXE杂质水平”均指样品中存在的所有PIXE杂质的总和，例如聚合物凝胶或碳材料。电化学改性剂不被认为是PIXE杂质，因为它们是碳材料的需要成分。例如，在一些实施方案中，可有意地将元素添加到碳材料中，例如铅，并且其不被认为是PIXE杂质，而在其他实施方案中，可能不需要相同的元素，并且如果存在于碳材料中，将被认为是PIXE杂质。PIXE杂质浓度和特性可以通过质子诱导的X射线发射(PIXE)来确定。
“TXRF杂质”或“TXRF元素”是指通过总X射线反射荧光(TXRF)检测到的任何杂质或任何元素。短语“总TXRF杂质含量”和“总TGXRF杂质水平”均指样品中存在的所有TXRF杂质的总和，例如聚合物凝胶或碳材料。电化学改性剂不被认为是TXRF杂质，因为它们是碳材料的需要成分。例如，在一些实施方案中，可有意地将元素添加到碳材料中，例如铅，并且其不被认为是TXRF杂质，而在其他实施方案中，可能不需要相同的元素，并且如果存在于碳材料中，将被认为是TXRF杂质。
“超纯”是指具有小于0.010％的总PIXE杂质含量或总TXRF杂质含量的物质。例如，“超纯碳材料”是总PIXE杂质含量小于0.010％或总TXRF杂质含量小于0.010％(即，1000ppm)的碳材料。
“灰分含量”是指在使物质经受高分解温度后保留的非挥发性无机物质。在本文，假设非挥发性元素完全转化成预期的燃烧产物(即，氧化物)，则由通过质子诱导的X射线发射测量的总PIXE杂质含量或通过总X射线反射荧光测量的总TXRF杂质含量计算碳材料的灰分含量。
“聚合物”是指由两个或更多个结构重复单元组成的大分子。
“合成聚合物前体材料”或“聚合物前体”是指用于制备合成聚合物的化合物。可用于本文公开的制剂的某些实施方案中的聚合物前体的实例包括但不限于醛(即，HC(＝O)R，其中R为有机基团)，例如甲醛(methanol/formaldehyde)；乙醛(ethanol/acetaldehyde)；丙醛(propanal/propionaldehyde)；丁醛(butanal/butyraldehyde)；葡萄糖；苯甲醛和肉桂醛。其他示例性的聚合物前体包括但不限于诸如苯酚的酚化合物和诸如二羟基或三羟基苯的多羟基苯，例如间苯二酚(即1,3-二羟基苯)、邻苯二酚、对苯二酚和间苯三酚。两种或更多种多羟基苯的混合物也被认为在聚合物前体的含义内。
“单片”是指固体三维结构，其本质上不是微粒。
“溶胶”是指前体颗粒(例如，聚合物前体)的胶体悬浮液，并且术语“凝胶”是指通过前体颗粒的缩合或反应获得的湿的三维多孔网络。
“聚合物凝胶”是指其中网络组分是聚合物的凝胶；通常聚合物凝胶是包含由合成前体或聚合物前体形成的聚合物的湿的(含水或非水基的)三维结构。
“溶胶凝胶”是指聚合物凝胶的子类，其中聚合物是形成通过聚合物前体反应获得的湿的三维多孔网络的胶体悬浮液。
“聚合物水凝胶”或“水凝胶”是指聚合物凝胶或凝胶的子类，其中用于合成前体或单体的溶剂是水或水与一种或多种水混溶性溶剂的混合物。
“碳水凝胶”是指其中合成聚合物前体在性质上主要是有机的水凝胶的子类。
“RF聚合物水凝胶”是指聚合物凝胶的子类，其中聚合物由间苯二酚和甲醛在水或水与一种或多种水混溶性溶剂的混合物中的催化反应形成。
“酸”是指能够降低溶液pH的任何物质。酸包括阿伦尼乌斯酸、布朗斯特酸和路易斯酸。“固体酸”是指当溶解在溶剂中时产生酸性溶液的干燥或颗粒状化合物。术语“酸性”意指具有酸的性质。
“碱”是指能够提高溶液pH的任何物质。碱包括阿伦尼乌斯碱、布朗斯特碱和路易斯碱。“固体碱”是指当溶解在溶剂中时产生碱性溶液的干燥或颗粒状化合物。术语“碱性”意指具有碱的性质。
“混合溶剂体系”是指由两种或更多种溶剂组成的溶剂体系，例如两种或多种可混溶的溶剂。二元溶剂体系(即，含有两种溶剂)的实例包括但不限于：水和乙酸；水和甲酸；水和丙酸；水和丁酸等。三元溶剂体系(即，含有三种溶剂)的实例包括但不限于：水、乙酸和乙醇；水、乙酸和丙酮；水、乙酸和甲酸；水、乙酸和丙酸；等。本发明涵盖包含两种或更多种溶剂的所有混合溶剂体系。
“可混溶的”是指其中混合物在一定温度、压力和组成的范围内形成单相的混合物的性质。
“催化剂”是改变化学反应速率的物质。催化剂以循环方式参与反应，使得催化剂循环再生。本公开涵盖不含钠的催化剂。用于制备本文所述的超纯聚合物凝胶的催化剂可以是促进聚合物前体聚合以形成超纯聚合物凝胶的任何化合物。“挥发性催化剂”是在大气压或低于大气压下具有蒸发的倾向的催化剂。示例性的挥发性催化剂包括但不限于铵盐，如碳酸氢铵、碳酸铵、氢氧化铵及其组合。通常，这种催化剂以摩尔比为10:1至2000:1的酚化合物:催化剂使用。典型地，这种催化剂可以按20:1至200:1的酚化合物:催化剂的摩尔比使用。例如，这种催化剂可以按25:1至100:1的酚化合物:催化剂的摩尔比使用。
“溶剂”是指使反应物(例如，超纯聚合物前体)溶解或悬浮并提供其中可发生反应的介质的物质。可用于制备本文公开的凝胶、超纯聚合物凝胶、超纯合成碳材料和超纯合成无定形碳材料的溶剂的实例包括但不限于水、醇及其混合物。示例性的醇包括乙醇、叔-丁醇、甲醇及其混合物。这种溶剂可用于溶解合成超纯聚合物前体材料，例如溶解酚或醛化合物。此外，在一些方法中，这种溶剂用于聚合物水凝胶中的溶剂交换(在冷冻和干燥之前)，其中来自诸如间苯二酚和甲醛的前体聚合的溶剂被交换成纯的醇。在本申请的一个实施方案中，通过不包含溶剂交换的方法制备冷冻凝胶。
“干燥凝胶”或“干燥聚合物凝胶”分别指溶剂(通常为水或水与一种或多种水混溶性溶剂的混合物)已经基本上被去除的凝胶或聚合物凝胶。
“热解干燥聚合物凝胶”是指已被热解但尚未活化的干燥聚合物凝胶，而“活化干燥聚合物凝胶”是指已被活化的干燥聚合物凝胶。
“冷冻凝胶”是指已经通过冷冻干燥而干燥的干燥凝胶。
“RF冷冻凝胶”是指通过冷冻干燥进行干燥的干燥凝胶，其中凝胶由间苯二酚和甲醛的催化反应形成。
“热解冷冻凝胶”是已被热解但尚未活化的冷冻凝胶。
“活化冷冻凝胶”是已被活化以获得活性碳材料的冷冻凝胶。
“干凝胶”是指例如在大气压或低于大气压下通过风干进行干燥的干燥凝胶。
“热解干凝胶”是已被热解但尚未活化的干凝胶。
“活化干凝胶”是已被活化以获得活性碳材料的干凝胶。
“气凝胶”是指通过例如使用超临界二氧化碳的超临界干燥进行干燥的干燥凝胶。
“热解气凝胶”是已被热解但尚未活化的气凝胶。
“活化气凝胶”是已被活化以获得活性碳材料的气凝胶。
“活化(activate)”和“活化(activation)”各自是指在暴露于氧化气氛(例如，二氧化碳、氧气、蒸汽或其组合)期间在活化停留温度下加热原材料或碳化/热解物质以产生“活化“物质(例如，活化冷冻凝胶或活性碳材料)的过程。活化过程通常导致颗粒表面剥离，导致表面积增加。或者，可通过化学手段实现活化，例如通过用化学品例如酸(如磷酸)或碱(如氢氧化钾、氢氧化钠)或盐(如氯化锌)浸渍含碳前体材料，然后碳化。“活化的”是指已经历活化过程的材料或物质，例如碳材料。
“碳化(Carbonizing)”、“热解(pyrolyzing)”、“碳化(carbonization)”和“热解(pyrolysis)”各自是指在惰性气氛(例如，氩气、氮气或其组合)中或在真空中在热解停留温度下加热含碳物质使得在该过程结束时收集的目标材料主要是碳的过程。“热解的”是指已经历热解过程的材料或物质，例如碳材料。
“停留温度”是指炉在保留用于保持相对恒定的温度(即，既不增加也不降低温度)的过程部分期间的温度。例如，热解停留温度是指炉在热解期间的相对恒定的温度，并且活化停留温度是指炉在活化期间的相对恒定的温度。
“孔”是指表面中的开口或凹部或碳材料中的通道，例如活性碳、热解干燥聚合物凝胶、热解聚合物冷冻凝胶、热解聚合物干凝胶、热解聚合物气凝胶、活化干燥聚合物凝胶、活化聚合物冷冻凝胶、活化聚合物干凝胶、活化聚合物气凝胶等。孔可以是单独的通道，或者连接到贯穿整个结构的连续网络中的其他通道。
“孔结构”是指诸如活性碳材料的碳材料内的内部孔的表面的布局。孔结构的组成包括孔径、孔体积、表面积、密度、孔径分布和孔长。通常，活性碳材料的孔结构包括微孔和中孔。
“中孔”通常是指直径为约2纳米至约50纳米的孔，而术语“微孔”是指直径小于约2纳米的孔。中孔碳材料包括大于50％的总孔体积的中孔，而微孔碳材料包括大于50％的总孔体积的微孔。
“表面积”是指通过BET技术可测量的物质的总比表面积。表面积通常以m2/g的单位表示。BET(Brunauer/Emmett/Teller)技术采用惰性气体(例如氮气)来测量吸附在材料上的气体的量，并且通常用于本领域以确定材料的可接近表面积。
当参考中孔和微孔使用时，“连接的”是指这些孔的空间取向。
“有效长度”是指具有足够直径使得其可用于接受来自电解液的盐离子的孔的长度部分。
“电极”是指电力通过其进入或离开物体、物质或区域的导体。
“粘合剂”是指能够将物质(例如，碳材料)的单个颗粒保持在一起的材料，使得在将粘合剂和颗粒混合在一起之后，可将所得混合物形成为片、小球、圆盘或其他形状。粘合剂的非排他性实例包括氟聚合物，例如PTFE(聚四氟乙烯，特氟龙)、PFA(全氟烷氧基聚合物树脂，也称为特氟龙)、FEP(氟化乙烯丙烯，也称为特氟龙)、ETFE(聚乙烯四氟乙烯，以Tefzel和Fluon销售)、PVF(聚氟乙烯，以Tedlar销售)、ECTFE(聚乙烯三氟氯乙烯，以Halar销售)、PVDF(聚偏二氟乙烯，以Kynar销售)、PCTFE(聚三氟氯乙烯，以Kel-F和CTFE销售)、三氟乙醇及其组合。
“膨胀剂”是指用于调节碳-铅混合物的电化学和物理性质的添加剂。膨胀剂可被包含在包含碳-铅混合物的电极中。合适的膨胀剂是本领域中已知的并且可从商业来源例如Hammond Expanders,USA获得。
“惰性”是指在电能储存装置的电解液中不具有活性的物质，即其不吸收大量离子或化学改变(例如，降解)。
“导电性”是指材料通过传递松散保持的价电子来传导电子的能力。
“集电器”是指提供电连接以促进电力流入或流出装置的电能储存和/或分配装置的一部分。集电器通常包括金属和/或其他导电材料，并且可以用作电极的背衬以促进电力流入和流出电极。
“电解液”意指含有游离离子使得物质是导电性的物质。电解液通常用于电能储存装置中。电解液的实例包括但不限于硫酸。
“元素形式”是指氧化态为零的化学元素(例如，金属铅)。
“氧化形式”形式是指具有大于零的氧化态的化学元素。
“总孔体积”是指单点氮吸附。
“DFT孔体积”是指通过来自氮吸附数据的密度泛函理论计算的在某些孔径范围内的孔体积。
“充电接受能力”特别地涉及铅酸电池及相关系统，其中“充电接受能力”通常是指在恒电位保持期间所通过的电荷量。
“低放气碳”碳是指当被掺入到铅酸电池的NAM中时表现出低程度的气体产生的新型碳材料(如本文所公开的)。在本公开内容的上下文中，本文中的新型低放气碳材料相对于之前描述的碳材料(包括碳黑)提供了较低的气体产生。
“循环寿命”通常是指对于给定的能量储存系统(例如铅酸电池)，在表现出不期望的能量储存能力下降之前，在所述装置的能量储存能力的上限与下限之间的能量储存和放电的循环次数。
A.用于铅酸和相关电池系统的低放气碳添加剂的混合物
本公开涉及用于铅酸和相关电池系统的碳添加剂。这些碳材料提供了某些电化学增强，包括但不限于增加的充电接受能力和改善的循环寿命，同时与先前公开的用于该目的的碳材料相比还提供非常低的气体产生。低放气碳可以以由低放气碳颗粒组成的粉末形式提供，并且可将该粉末与铅颗粒混合，以产生低放气碳和铅颗粒的混合物。
所公开的低放气混合物包含多个低放气碳颗粒和多个铅颗粒。以低放气碳颗粒和铅颗粒的总质量的百分比计，低放气碳颗粒的质量百分比可以在0.01％至99.9％变化。在其他各种实施方案中，以低放气碳颗粒和铅颗粒的总质量的百分比计，低放气碳颗粒的质量百分比为0.01％至20％，例如0.1％至10％或1.0％至2.0％。在其他实施方案中，以低放气碳颗粒和铅颗粒的总质量的百分比计，低放气碳颗粒的质量百分比为0.01％至2％、0.5％至2.5％、或0.75％至2.25％、或0.1至5.0、或0.5至5.0。在一些其他实施方案中，以低放气碳颗粒和铅颗粒的总质量的百分比计，低放气碳颗粒的质量百分比为0.9％至1.1％、1.1％至1.3％、1.3％至1.5％、1.5％至1.7％、1.7％至1.9％、或1.9％至2.1％。在一些实施方案中，以低放气碳颗粒和铅颗粒的总质量的百分比计，低放气碳颗粒的质量百分比为约50％。
或者，在其他实施方案中，以低放气碳颗粒和铅颗粒的总质量的百分比计，低放气碳颗粒的质量百分比为0.1％至50％、0.1％至10％、或1％至10％、或1％至5％、或1％至3％。在其他实施方案中，以低放气碳颗粒和铅颗粒的总质量的百分比计，低放气碳颗粒的质量百分比为50％至99.9％、90％至99.9％、或90％至99％。
以低放气碳颗粒和铅颗粒的总体积的百分比计，低放气碳颗粒的体积百分比可以在0.1％至99.9％变化。在各种实施方案中，以低放气碳颗粒和铅颗粒的总体积的百分比计，低放气碳颗粒的体积百分比为1％至99％、2％至99％、3％至99％、4％至99％、5％至99％、6％至99％、7％至99％、8％至99％、9％至99％、10％至90％、20％至80％、20％至40％、1％至20％、40％至80％、或40％至60％。在一些某些实施方案中，以低放气碳颗粒和铅颗粒的总体积的百分比计，低放气碳颗粒的体积百分比为约50％。
在其他替代实施方案中，以低放气碳颗粒和铅颗粒的总体积的百分比计，低放气碳颗粒的体积百分比为0.1％至50％、0.1％至10％、或1％至10％。在其他实施方案中，以低放气碳颗粒和铅颗粒的总体积的百分比计，低放气碳颗粒的体积百分比为50％至99.9％、90％至99.9％、或90％至99％。
以低放气碳颗粒和铅颗粒的总表面积的百分比计，低放气碳颗粒的表面积百分比也可以变化，例如0.1％至99.9％。在一些实施方案中，以低放气碳颗粒和铅颗粒的总表面积的百分比计，低放气碳颗粒的表面积百分比为1％至99％、10％至90％、20％至80％、或40％至60％。在另一个实施方案中，以低放气碳颗粒和铅颗粒的总表面积的百分比计，低放气碳颗粒的表面积百分比为约50％。
在相关实施方案中，以低放气碳颗粒和铅颗粒的总表面积的百分比计，低放气碳颗粒的表面积百分比为0.1％至50％、0.1％至10％、或1％至10％。在其他实施方案中，以低放气碳颗粒和铅颗粒的总表面积的百分比计，低放气碳颗粒的表面积百分比为80％至100％，例如80％至99.9％、80％至99％、85％至99％、或90％至99％。例如，在一些实施方案中，以低放气碳颗粒和铅颗粒的总表面积的百分比计，低放气碳颗粒的表面积百分比为90％至92％、92％至94％，94％至96％、96％至98％、或93％至99％、或甚至至99.9％。或者，以低放气碳颗粒和铅颗粒的总表面积的百分比计，低放气碳颗粒的表面积百分比为50％至99.9％、90％至99.9％、或90％至99％。
以低放气碳颗粒和铅颗粒的总表面积的百分比计，属于小于20埃的孔的低放气碳颗粒表面积可以在0.1％至99.9％变化。在一些实施方案中，以低放气碳颗粒和铅颗粒的总表面积的百分比计，属于小于20埃的孔的低放气碳颗粒表面积为1％至99％、10％至90％、20％至80％、20％至60％、或40％至60％。在另一个实施方案中，以低放气碳颗粒和铅颗粒的总表面积的百分比计，属于小于20埃的孔的低放气碳颗粒表面积为约50％。
在其他相关的实施方案中，以低放气碳颗粒和铅颗粒的总表面积的百分比计，属于小于20埃的孔的低放气碳颗粒表面积为0.1％至50％、0.1％至10％、或1％至10％。或者，以低放气碳颗粒和铅颗粒的总表面积的百分比计，属于小于20埃的孔的低放气碳颗粒表面积为50％至99.9％、90％至99.9％、或90％至99％。
在另一个实施方案中，以低放气碳颗粒和铅颗粒的总表面积的百分比计，属于大于20埃的孔的低放气碳颗粒表面积为0.1％至99.9％。例如，在各种实施方案中，以低放气碳颗粒和铅颗粒的总表面积的百分比计，属于大于20埃的孔的低放气碳颗粒表面积为1％至99％、10％至90％、20％至80％、或40％至6％。在某些实施方案中，以低放气碳颗粒和铅颗粒的总表面积的百分比计，低放气碳颗粒表面积为约50％。
或者，在不同实施方案中，以低放气碳颗粒和铅颗粒的总表面积的百分比计，属于大于20埃的孔的低放气碳颗粒表面积为0.1％至50％。例如，在一些实施方案中，以低放气碳颗粒和铅颗粒的总表面积的百分比计，属于大于20埃的孔的低放气碳颗粒表面积为0.1％至10％、或1％至10％。在另一个实施方案中，以低放气碳颗粒和铅颗粒的总表面积的百分比计，属于大于20埃的孔的低放气碳颗粒表面积为50％至99.9％、90％至99.9％、或90％至99％。
或者，在不同实施方案中，以低放气碳颗粒和铅颗粒的总表面积的百分比计，属于大于500埃的孔的低放气碳颗粒表面积为0.1％至30％。例如，在一些实施方案中，以低放气碳颗粒和铅颗粒的总表面积的百分比计，属于大于500埃的孔的低放气碳颗粒表面积为0.1％至20％、或1％至20％。在另一个实施方案中，以低放气碳颗粒和铅颗粒的总表面积的百分比计，属于大于500埃的孔的低放气碳颗粒表面积为0.1％至10％、或1％至10％。在另一个实施方案中，以属于大于20埃的孔的低放气碳颗粒和铅颗粒的总表面积的百分比计，属于大于20埃的孔的低放气碳颗粒表面积为50％至99.9％、90％至99.9％、或90％至99％。
在一些实施方案中，低放气碳颗粒的体积平均粒径相对于铅颗粒的体积平均粒径为0.000001:1至100000:1。例如，在一些实施方案中，低放气碳颗粒的体积平均粒径相对于铅颗粒的体积平均粒径为0.0001:1至10000:1、0.001:1至1000:1、0.01:1至100:1、0.01:1至10:1、0.1:1至2:1、0.1:1至10:1或1:1至1000:1。在一个实施方案中，低放气碳颗粒的体积平均粒径相对于铅颗粒的体积平均粒径为约1:1。
在某些实施方案中，颗粒的组合物由多于一个低放气碳颗粒群和/或多于一个铅颗粒群组成。不同的群在各种物理化学属性方面可以是不同的，例如粒径、中孔或微孔孔隙率的程度、表面官能度等。例如，在一些实施方案中，该混合物包含多峰低放气碳粒径分布和铅颗粒。例如，低放气碳颗粒可以由两种尺寸型号组成。例如，在一些实施方案中，两种尺寸型号之间的比例为0.000001:1至100000:1，例如在一个实施方案中，两种尺寸型号之间的比例为约0.001:1。
铅颗粒可以是包含铅的任何类型的颗粒。例如，铅颗粒可以包含元素铅、氧化铅和/或铅盐。在某些实施方案中，铅颗粒包含氧化铅(II)、氧化铅(IV)、乙酸铅、碳酸铅、硫酸铅、正砷酸铅、焦砷酸铅、溴化铅、癸酸铅、己酸铅、辛酸铅、氯酸铅、氯化铅、氟化铅、硝酸铅、氯氧化铅、硫酸正磷酸铅(lead orthophosphate sulfate)、铬酸铅、碱式铬酸铅、铅铁氧体、硫化铅、钨酸铅或其组合。
本文所述的混合物还可以按包含混合物和溶剂(例如，电解液)、粘合剂和膨胀剂或其组合的组合物的形式提供。在某些实施方案中，组合物为糊剂的形式。该组合物可以通过混合低放气碳颗粒、铅颗粒和溶剂(例如，电解液)、粘合剂、膨胀剂或其组合来制备。组合物的密度在约2.0g/cc至约8g/cc，约3.0g/cc至约7.0g/cc或约4.0g/cc至约6.0g/cc变化。在其他实施方案中，组合物的密度为约3.5g/cc至约4.0g/cc，约4.0g/cc至约4.5g/cc，约4.5g/cc至约5.0g/cc，约5.0g/cc至约5.5g/cc，约5.5g/cc至约6.0g/cc，约6.0g/cc至约6.5g/cc或约6.5g/cc至约7.0g/cc。
低放气性碳-铅混合物的纯度可能有助于其电化学性能。在这方面，通过本领域已知的方法测定纯度。测定纯度的示例性方法包括PIXE分析和tXRF。为了本公开内容的目的，关于不包括任何铅含量的混合物描述了杂质。在以下和整个本公开内容中，对杂质的所有描述都适用于PIXE、tXRF或本领域已知的其他杂质方法测定。在一些实施方案中，通过PIXE测量杂质。在其他实施方案中，通过tXRF测量杂质。
在一些实施方案中，混合物包含小于500ppm的元素(不包含任何铅)的总杂质含量和小于0.08％的灰分含量(不包含任何铅)。在另外的实施方案中，混合物包含小于300ppm的所有其他元素的总杂质含量和小于0.05％的灰分含量。在其他另外的实施方案中，混合物包含小于200ppm的所有其他元素的总杂质含量和小于0.05％的灰分含量。在其他另外的实施方案中，混合物包含小于200ppm的所有其他元素的总杂质含量和小于0.025％的灰分含量。在其他另外的实施方案中，混合物包含小于100ppm的所有其他元素的总杂质含量和小于0.02％的灰分含量。在其他另外的实施方案中，混合物包含小于50ppm的所有其他元素的总杂质含量和小于0.01％的灰分含量。
可通过质子诱导的X射线发射来测定存在于公开的混合物中的单个杂质的量。单个杂质可能以不同方式有助于所公开的低放气碳材料的整体电化学性能。因此，在一些实施方案中，混合物中存在的钠的水平小于1000ppm，小于500ppm，小于100ppm，小于50ppm，小于10ppm或小于1ppm。在一些实施方案中，混合物中存在的镁的水平小于1000ppm，小于100ppm，小于50ppm，小于10ppm或小于1ppm。在一些实施方案中，混合物中存在的铝的水平小于1000ppm，小于100ppm，小于50ppm，小于10ppm或小于1ppm。在一些实施方案中，混合物中存在的硅的水平小于500ppm，小于300ppm，小于100ppm，小于50ppm，小于20ppm，小于10ppm或小于1ppm。在一些实施方案中，混合物中存在的磷的水平小于1000ppm，小于100ppm，小于50ppm，小于10ppm或小于1ppm。在一些实施方案中，混合物中存在的硫的水平小于1000ppm，小于100ppm，小于50ppm，小于30ppm，小于10ppm，小于5ppm或小于1ppm。在一些实施方案中，混合物中存在的氯的水平小于1000ppm，小于100ppm，小于50ppm，小于10ppm或小于1ppm。在一些实施方案中，混合物中存在的钾的水平小于1000ppm，小于100ppm，小于50ppm，小于10ppm或小于1ppm。在其他实施方案中，混合物中存在的钙的水平小于100ppm，小于50ppm，小于20ppm，小于10ppm，小于5ppm或小于1ppm。在一些实施方案中，混合物中存在的铬的水平小于1000ppm，小于100ppm，小于50ppm，小于10ppm，小于5ppm，小于4ppm，小于3ppm，小于2ppm或小于1ppm。在其他实施方案中，混合物中存在的铁的水平小于50ppm，小于20ppm，小于10ppm，小于5ppm，小于4ppm，小于3ppm，小于2ppm或小于1ppm。在其他实施方案中，混合物中存在的镍的水平小于20ppm，小于10ppm，小于5ppm，小于4ppm，小于3ppm，小于2ppm或小于1ppm。在一些其他实施方案中，混合物中存在的铜的水平小于140ppm，小于100ppm，小于40ppm，小于20ppm，小于10ppm，小于5ppm，小于4ppm，小于3ppm，小于2ppm或小于1ppm。在其他实施方案中，混合物中存在的锌的水平小于20ppm，小于10ppm，小于5ppm，小于2ppm或小于1ppm。在其他实施方案中，混合物中存在的所有其他杂质(不包括铅)的总和小于1000ppm，小于500ppm，小于300ppm，小于200ppm，小于100ppm，小于50ppm，小于25ppm，小于10ppm或小于1ppm。如上所述，在一些实施方案中，其他杂质如氢气、氧气和/或氮气可以以小于10％至小于0.01％的水平存在。
在一些实施方案中，混合物包含接近或低于质子诱导的x射线发射分析的检测极限的不期望的杂质。例如，在一些实施方案中，混合物包含小于50ppm的钠，小于15ppm的镁，小于10ppm的铝，小于8ppm的硅，小于4ppm的磷，小于3ppm的硫，小于3ppm的氯，小于2ppm的钾，小于3ppm的钙，小于2ppm的钪，小于1ppm的钛，小于1ppm的钒，小于0.5ppm的铬，小于0.5ppm的锰，小于0.5ppm的铁，小于0.25ppm的钴，小于0.25ppm的镍，小于0.25ppm的铜，小于0.5ppm的锌，小于0.5ppm的镓，小于0.5ppm的锗，小于0.5ppm的砷，小于0.5ppm的硒，小于1ppm的溴，小于1ppm的铷，小于1.5ppm的锶，小于2ppm的钇，小于3ppm的锆，小于2ppm的铌，小于4ppm的钼，小于4ppm的锝，小于7ppm的铷，小于6ppm的铑，小于6ppm的钯，小于9ppm的银，小于6ppm的镉，小于6ppm的铟，小于5ppm的锡，小于6ppm的锑，小于6ppm的碲，小于5ppm的碘，小于4ppm的铯，小于4ppm的钡，小于3ppm的镧，小于3ppm的铈，小于2ppm的镨，小于2ppm的钕，小于1.5ppm的钷，小于1ppm的钐，小于1ppm的铕，小于1ppm的钆，小于1ppm的铽，小于1ppm的镝，小于1ppm的钬，小于1ppm的铒，小于1ppm的铥，小于1ppm的镱，小于1ppm的镥，小于1ppm的铪，小于1ppm的钽，小于1ppm的钨，小于1.5ppm的铼，小于1ppm的锇，小于1ppm的铱，小于1ppm的铂，小于1ppm的银，小于1ppm的汞，小于1ppm的铊，小于1.5ppm的铋，小于2ppm的钍，或小于4ppm的铀。
在一些具体的实施方案中，混合物包含小于100ppm的钠，小于300ppm的硅，小于50ppm的硫，小于100ppm的钙，小于20ppm的铁，小于10ppm的镍，小于140ppm的铜，小于5ppm的铬和小于5ppm的锌，如通过质子诱导的X射线发射所测量。在其他具体的实施方案中，混合物包含小于50ppm的钠，小于30ppm的硫，小于100ppm的硅，小于50ppm的钙，小于10ppm的铁，小于5ppm的镍，小于20ppm的铜，小于2ppm的铬和小于2ppm的锌。
在其他具体的实施方案中，混合物包含小于50ppm的钠，小于50ppm的硅，小于30ppm的硫，小于10ppm的钙，小于2ppm的铁，小于1ppm的镍，小于1ppm的铜，小于1ppm的铬和小于1ppm的锌。
在一些其他具体的实施方案中，混合物包含小于100ppm的钠，小于50ppm的镁，小于50ppm的铝，小于10ppm的硫，小于10ppm的氯，小于10ppm的钾，小于1ppm的铬和小于1ppm的锰。
在其他实施方案中，混合物包含小于5ppm的铬，小于10ppm的铁，小于5ppm的镍，小于20ppm的硅，小于5ppm的锌，并且未检测到铋、银、铜、汞、锰、铂、锑和锡，如通过质子诱导的X射线发射所测量。
在其他实施方案中，所述混合物包含小于75ppm的铋，小于5ppm的银，小于10ppm的铬，小于30ppm的铜，小于30ppm的铁，小于5ppm的汞，小于5ppm的锰，小于20ppm的镍，小于5ppm的铂，小于10ppm的锑，小于100ppm的硅，小于10ppm的锡和小于10ppm的锌，如通过质子诱导的X射线发射所测量。
在其他实施方案中，所述混合物包含小于5ppm的铬，10ppm的铁，小于5ppm的镍，小于20ppm的硅，小于5ppm的锌，并且未检测到铋、银、铜、汞、锰、铂、锑和锡，如通过质子诱导的X射线发射所测量。
本发明的其他实施方案包括在电能储存装置中使用所公开的低放气碳-铅混合物。在一些实施方案中，电能储存装置是电池。在其他实施方案中，电能储存装置处于微混合动力，起动-停止混合动力，轻度混合动力车辆，具有电涡轮增压的车辆，具有再生制动的车辆，混合动力车辆，电动车辆，工业动力例如叉车，电动自行车，高尔夫球车，航空航天应用，电力储存和配电网，太阳能或风力发电系统，电力备用系统例如用于便携式军事备用设备、医院或军事基础设施的紧急备用设备，以及制造备用设备或蜂窝塔式电力系统中。以下更详细地描述电能储存装置。
B.低放气碳材料
可以设想各种方法来实现所公开的碳材料的低放气。在某些实施方案中，放气的程度与碳的表面官能度有关，例如存在于碳颗粒表面上的氧和包含氧的不同物种的含量。反过来，当用作铅酸电池或其他相关能量储存系统中的添加剂时，使该表面氧最小化降低了碳的放气倾向。在某些实施方案中，活性氧存在于边缘位点上，例如存在于碳表面的石墨边缘平面或其他缺陷。在某些实施方案中，低放气碳具有小于10％的氧含量，例如小于5％的氧，例如小于3％的氧，例如小于2％的氧，例如小于1％的氧，例如小于0.5％的氧，例如小于0.3％的氧，例如小于0.2％的氧，例如小于0.1％的氧，例如小于0.05％的氧，例如小于0.02％的氧，例如小于0.01％的氧。在一些实施方案中，低放气碳具有存在于边缘位置上的氧含量，所述氧含量包含例如小于10％的氧，例如小于5％的氧，例如小于3％的氧，例如小于2％的氧，例如小于1％的氧，例如小于0.5％的氧，例如小于0.3％的氧，例如小于0.2％的氧，例如小于0.1％的氧，例如小于0.05％的氧，例如小于0.02％的氧，例如小于0.01％的氧。在一些实施方案中，碳的表面官能度可以通过pH确定并与pH相关。对于这样的实施方案，碳的pH可以大于pH 6.0，例如大于pH 7.0，例如大于pH 8.0，例如大于pH 9.0，例如大于pH 10.0，例如大于pH 11.0。在某些实施方案中，低放气碳表现出pH 6.0至pH 11.0的pH，例如pH 6.0至pH 10.0，例如pH 7.0至pH 9.0，例如pH 8.0至pH 10.0，例如pH 7.0至pH 9.0，例如pH 8.0至pH 9.0。
在优选的实施方案中，低放气碳的pH低于7.5，例如7.0至7.4，例如6.5至7.0，例如6.0至6.5，例如5.5至6.0，例如5.0至5.5。
在某些实施方案中，碳上的表面氧与某些部分反应以去除表面氧或以其他方式将其转化为当用作铅酸电池或其他相关电力储存系统中的添加剂时导致低放气碳材料的物种。用于去除或转化碳上的氧官能团的这种部分包括但不限于胺(包括但不限于，二亚乙基三胺，二乙胺，三乙胺等)和聚吡咯(以及能够进行氧反应的其他聚合物系统)。
在另一个实施方案中，碳上的碳氧基团被消除，或者其他表现为不能通过在碳颗粒上添加第二碳涂层来覆盖其表面而有助于放气。在本文中，可以如本领域已知施加第二碳层，例如通过化学气相沉积(CVD)。
在一些实施方案中，低放气碳包含光滑表面，即具有降低的表面粗糙度，所述表面粗糙度可能有助于其放气潜力。例如，表面粗糙度的特征长度与特征粒径的比例可以小于1:10，例如小于1:20，例如小于1:30，例如小于1:40，例如小于1:50，例如小于1:60，例如小于1:80，例如小于1:100，例如小于1:200，例如小于1:250，例如小于1:500，例如小于1:1000，例如小于1:2500，例如小于1:5000，例如小于1:10,000，例如小于1:100,000，例如小于1:1,000,000，例如小于1:10,000,000，例如小于1:100,000,000，例如小于1:1,000,000,000。
在一些实施方案中，通过热处理或钝化方法产生低放气碳。例如，可以将碳在非氧化(或还原)气体存在下暴露于高温，持续一段时间。停留时间可以变化，例如，停留时间可为约10分钟，或约30分钟，约60分钟或约120分钟。在一些实施方案中，停留时间大于120分钟。气体可以变化，对于示例性气体，包括但不限于氮、氢、氨及其组合。高温可为550℃至650℃，例如650℃至750℃，例如700℃至800℃，例如750℃至850℃，例如850℃至950℃，例如950℃至1050℃。在某些实施方案中，热处理可以在超过1050℃的温度下进行，例如超过1100℃，例如超过1200℃，例如超过1300℃，例如超过1400℃，例如超过1600℃，例如超过1800℃，例如超过2000℃，例如超过2200℃，例如超过2400℃。在许多这些实施方案中，热处理不仅提供表面氧官能度的降低和pH提高(参见上述示例性范围)，而且还提供一定程度的石墨化。可通过本领域已知的方法定量石墨化程度，例如通过拉曼光谱的X射线衍射。石墨化程度可以变化，例如石墨化程度可为1％至5％。在其他实施方案中，石墨化程度可为5％至15％。在替代实施方案中，石墨化程度可为15％至25％。在替代实施方案中，石墨化程度可为20％至40％。在替代实施方案中，石墨化程度可为30％至70％。在替代实施方案中，石墨化程度可为60％至90％。在替代实施方案中，石墨化程度可大于90％。
在某些实施方案中，将低放气碳在含氮化合物存在下进行热处理。含氮化合物可以处于气相中，适用于此目的的含氮气体的实例包括但不限于氨气。含氮化合物也可以是固体或液体，并且可将含氮固体或液体与碳混合，并且可将该混合物热处理一定的温度和时间，并且根据以上讨论的各种示例性范围在非氧化(或还原)气体存在下。适用于此目的的含氮化合物包括但不限于脲、三聚氰胺、氰尿酸、铵盐及其组合。
通过本领域已知的技术例如Boehm滴定法测量的碳上的特定表面官能团可以变化。
在某些实施方案中，总羧基以小于1mMol/g的碳存在，例如小于0.1mMol/g碳，例如小于0.01mMol/g碳。在某些实施方案中，总内酯基以小于1mMol/g的碳存在，例如小于0.1mMol/g碳，例如小于0.01mMol/g碳。在某些实施方案中，总酚基以小于1mMol/g的碳存在，例如小于0.1mMol/g碳存在，例如小于0.01mMol/g碳。在某些实施方案中，总酸基以小于1mMol/g的碳存在，例如小于0.1mMol/g碳，例如小于0.01mMol/g碳。
在一些实施方案中，碳是疏水的。可通过本领域已知的方法测量疏水性的程度，所述方法例如与正丁醇吸附耦合的量热法。碳的非极性表面积可以变化，例如，非极性表面积可以包括大于30％的总表面积，例如大于40％的总表面积，例如大于50％的总表面积，例如大于60％的总表面积，例如大于70％的总表面积，例如大于80％的总表面积，例如大于90％的总表面积。在某些实施方案中，碳由微孔和中孔组成，结合一定程度的疏水性。在一些实施方案中，碳由大于80％的微孔、小于20％的中孔构成，并且非极性表面积占总表面积的大于50％。在其他实施方案中，碳由大于80％的微孔、小于20％的中孔构成，并且非极性表面积占总表面积的大于80％。在其他实施方案中，碳由大于80％的微孔、小于20％的中孔构成，并且非极性表面积占总表面积的大于90％。在一些实施方案中，碳由小于80％的微孔、大于20％的中孔构成，并且非极性表面积占总表面积的大于50％。在其他实施方案中，碳由小于80％的微孔、大于20％的中孔构成，并且非极性表面积占总表面积的大于80％。在其他实施方案中，碳由小于80％的微孔、大于20％的中孔构成，并且非极性表面积占总表面积的大于90％。
在一些实施方案中，碳经历原子层沉积(ALD)以在碳的表面上放置薄的原子层。用于沉积的部分以及沉积条件(时间和温度)的选择是本领域中已知的。作为用于沉积的部分的示例性化合物包括但不限于Al2O3、TiO2、ZrO2、TiN、氧化铅和其他含铅化合物。因此，可将ALD应用于碳以获得厚的原子层，其中用于涂覆碳的示例性原子包括但不限于铝、锌、钛和铅。ALD层的厚度可以变化，例如ALD层可以小于100nm，例如小于50nm，例如小于40nm，例如小于30nm，例如小于20nm，例如小于10nm，例如小于5nm。在某些实施方案中，ALD层基本上是单层。在其他实施方案中，ALD层为100nm至1000nm，例如为200nm至500nm。
或者，可以经由本领域已知的加工条件通过电沉积涂覆碳颗粒的表面。用于这种电化学沉积的示例性化合物包括但不限于铅化合物，例如卤化铅、硝酸铅和镍化合物。
在其他实施方案中，碳表面涂覆有硫酸盐化合物，例如硫酸钡。可通过涂覆来实现硫酸钡的表面层，其中硫酸钡是固体形式，或者可替代地，硫酸钡被溶解在合适的液体例如水中。含硫酸钡的固体或液体可用于通过本领域已知的各种方法涂覆在碳表面上，所述方法包括但不限于旋涂、喷涂、蒸发涂覆、静电粉末涂覆、溅射涂覆和热塑性粉末涂覆。
或者，硫酸盐化合物，例如硫酸钡，可存在于碳材料内的孔内。硫酸钡或其他硫酸盐化合物的浸渍可通过本领域已知的方法实现，例如通过在硫酸钡溶液存在下浸泡碳颗粒，条件是足以实现硫酸钡扩散进入碳孔中。
在一些实施方案中，用硅改性碳表面。可根据本领域已知的各种技术用硅涂覆碳。在优选的实施方案中，通过在高温和含硅气体(优选为硅烷)存在下使碳颗粒经受硅烷气体以经由化学气相沉积(CVD)实现硅沉积来涂覆硅涂层。可将硅烷气体与其他惰性气体例如氮气混合。处理的温度和时间可以变化，例如温度可为300℃至400℃，例如400℃至500℃，例如500℃至600℃，例如600℃至700℃，例如700℃至800℃，例如800℃至900℃。气体混合物可包含0.1％至1％的硅烷和其余的惰性气体。或者，气体混合物可包含1％至10％的硅烷和其余的惰性气体。或者，气体混合物可包含10％至20％的硅烷和其余的惰性气体。或者，气体混合物可包含20％至50％的硅烷和其余的惰性气体。或者，气体混合物可包含高于50％的硅烷和其余的惰性气体。或者，气体可以基本上是100％的硅烷气体。其他含硅气体可用于上述目的，包括但不限于较长链的分子例如二硅烷、三硅烷等，以及氯化物种例如氯硅烷、二氯硅烷、三氯硅烷等及其组合。
其中进行CVD工艺的反应器根据本领域已知的各种设计，例如在流化床反应器、固定床反应器、升降窑、回转窑、箱式窑或其他合适的反应器类型中。如本领域已知的，反应器材料适合于此任务。在优选的实施方案中，多孔碳颗粒在提供均匀进入气相的条件下进行处理，例如其中多孔碳颗粒被流化或以其他方式搅拌以提供所述均匀气体进入的反应器。
在一些实施方案中，CVD工艺是等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺。该工艺是本领域中已知的，以提供用于将薄膜从气态(蒸汽)沉积到基板上成为固态的实用性。化学反应涉及该过程，其在产生包含反应气体的等离子体之后发生。等离子体通常由两个电极之间的RF(AC)频率或DC放电产生，其间的空间充满了反应气体。在某些实施方案中，PECVD工艺用于涂覆在适用于该目的的基板(例如铜箔基板)上的多孔碳。PECVD可以在各种温度下进行，例如300℃至800℃，例如300℃至600℃，例如300℃至500℃，例如300℃至400℃，例如350℃。功率可以变化，例如25W RF，并且加工车所需的含硅(例如，硅烷)气流量可以变化，并且处理时间可以如本领域已知进行变化。
除了硅以外，用于表面掺杂碳的其他候选原子包括但不限于锌、铅、硫、镍、钠、钙或其组合，并且通过本领域已知和如本公开内容其他地方所述的各种方法来完成所述掺杂。还设想其他掺入方法，包括熔体扩散(特别是在元素沉积硫、铅或磷的情况下)。
对于其中通过引入非碳质部分来修饰碳的以上各种实施方案，所述非碳质部分可以位于碳内的各个位点。例如，非碳质部分可位于碳外表面上，碳质本体中(例如，作为嵌入颗粒或分子掺入)，位于微孔表面上或内部，位于中孔表面上或内部，并且位于大孔的表面上或内部。不受理论束缚，设想非碳质部分的绝对含量和分布的定量描述。在一个实施方案中，碳含有0.1％至1％的非碳质部分，并且至少50％的非碳质部分位于所有碳表面(外表面、微孔、中孔和大孔表面)上。在另一个实施方案中，碳含有1％至10％的非碳质部分，并且至少50％的非碳质部分位于所有碳表面(外表面、微孔、中孔和大孔表面)的总和上。在又一个实施方案中，碳含有0.1％至10％的非碳质部分，并且至少50％的非碳质部分位于中孔的表面上或内部。在又一个实施方案中，碳含有10％至30％的非碳质部分，并且至少50％的非碳质部分位于中孔的表面上或内部。
在某些实施方案中，通过产生碳化物层修饰碳表面。本文中的示例性碳化物包括但不限于硅碳、钨碳和碳化铝。
或者，当用作铅酸电池和其他相关能量系统中的添加剂时，可用非导电或低导电材料涂覆碳以降低放气倾向。本文中的示例性材料包括低或非导电聚合物，以及其热解或部分热解变体。本文中的聚合物包括但不限于酚醛树脂、多糖和木质素。
C.实现低放气的碳组合物
除了并且可能结合以上讨论的实现低放气碳材料的方法，可通过碳周围的组分进一步降低碳的放气潜能，所述组分即添加到铅酸电池或其他相关能量储存系统的NAM中的碳制剂。
在一些实施方案中，用于加入到NAM的碳制剂包含能够吸氢或以其他方式将分子氢转化成有机化合物的氢化的化合物。生物实例是本领域已知的，例如经由氢化酶的吸氢，其中氢的吸收与电子受体(例如氧、硝酸盐、硫酸盐、二氧化碳和富马酸盐)的还原相结合。低分子量化合物和蛋白质(例如铁氧化还原蛋白和细胞色素)都可用作氢化酶的生理电子供体或受体。还有氢化酶的仿生实例，其中包括掺入金属有机框架的设计。
在其他实施方案中，用于加入到NAM的碳制剂包含能够吸氧或以其他方式转化分子氧的化合物。这种抗氧化剂的实例包括但不限于抗坏血酸、尿酸、lipocic酸、谷胱甘肽、胡萝卜素、泛醇和α-生育酚。还有为了相同目的而由酶组成的实例；实例包括超氧化物歧化酶、过氧化氢酶和过氧化物还原酶。
在某些实施方案中，可使用各种类型的碳的混合物来实现低放气碳颗粒混合物。在这种情况下，多种不同类型的碳可以是混合物，并且混合物进一步混合到NAM的其他组分中。本文中的碳混合物包含各种类型的碳颗粒。混合物中的碳的类型包括活性碳、热解碳、碳黑、无定形碳、玻璃碳、石墨和石墨烯。在一些实施方案中，碳混合物包含比表面积大于500m2/g的热解碳和比表面积大于1500m2/g的活性碳。在这种情况下，热解碳与活性碳的比例可以变化，例如该比例可为1:100至100:1，例如该比例可为1:100至1:50，例如1:50至1:10，例如1:10至1:5，例如1:5至1:2，例如1:2至2:1，例如2:1至5:1，例如5:1至10:1，例如10:1至50:1，例如50:1至100:1。
在另一个实施方案中，碳混合物由碳黑和比表面积大于500m2/g的热解碳组成。在这种情况下，碳黑与热解碳的比例可以变化，例如该比例可为1:100至100:1，例如该比例可为1:100至1:50，例如1:50至1:10，例如1:10至1:5，例如1:5至1:2，例如1:2至2:1，例如2:1至5:1，例如5:1至10:1，例如10:1至50:1，例如50:1至100:1。
在另一个实施方案中，碳混合物由碳黑和比表面积大于1500m2/g的活性碳组成。在这种情况下，碳黑与活性碳的比例可以变化，例如该比例可为1:100至100:1，例如该比例可为1:100至1:50，例如1:50至1:10，例如1:10至1:5，例如1:5至1:2，例如1:2至2:1，例如2:1至5:1，例如5:1至10:1，例如10:1至50:1，例如50:1至100:1。
在其他实施方案中，碳混合物由微孔碳和中孔碳组成。在这种情况下，微孔碳可具有大于80％的微孔，并且中孔碳可具有大于70％的中孔。此外，在这种情况下，微孔碳与中孔碳的比例可以变化，例如该比例可为1:100至100:1，例如该比例可为1:100至1:50，例如1:50至1:10，例如1:10至1:5，例如1:5至1:2，例如1:2至2:1，例如2:1至5:1，例如5:1至10:1，例如10:1至50:1，例如50:1至100:1。
关于上述微孔碳和中孔碳的混合物以及热解碳和活性碳的混合物，也如上所述进一步设想可将这种混合物与其他类型的碳的碳黑进一步混合。
D.低放气碳材料的各种性质
可改变低放气碳颗粒的各种性质以获得期望的电化学结果。如上所讨论，已知包含含有金属和/或金属化合物并具有残留水平的各种杂质(例如，钠、氯、镍、铁等)的低放气碳材料的电极具有降低的循环寿命、耐久性和性能。因此，一个实施方案提供了包含多种低放气碳颗粒的混合物，其比其他已知碳材料更纯，并因此预期改善任何数量的电能储存和/或分配装置的操作。
在某些实施方案中公开的碳颗粒的高纯度可归因于公开的溶胶凝胶法。申请人已经发现，当在挥发性碱性催化剂存在下在酸性条件下使一种或多种聚合物前体(例如，酚化合物和醛)共聚合时，产生超纯聚合物凝胶。这与用于制备聚合物凝胶的其他报道方法形成对比，所述方法导致包含残留水平的不期望杂质的聚合物凝胶。可通过在惰性气氛(例如，氮气)中加热来热解超纯聚合物凝胶以产生包含高表面积和高孔体积的碳颗粒。可在不使用引入杂质的化学活化技术的情况下进一步活化这些碳材料以获得超纯活性碳材料。碳颗粒由活性碳材料制备，或者在一些情况下由热解碳而不是活性碳材料制备。
在某些实施方案中，低放气碳颗粒在孔内或低放气碳颗粒表面上包含铅。因此，混合物可包含多个低放气碳颗粒，其包含铅和多个铅颗粒。可将铅在溶胶凝胶方法的各个阶段掺入低放气碳材料中。例如，可将铅和/或铅化合物在聚合阶段期间掺入聚合物凝胶中或掺入热解或活化的低放气碳颗粒中。低放气碳颗粒的独特孔隙率和高表面积提供了电极活性材料与例如铅/酸电池中的电解液的最佳接触。相对于由已知的低放气碳材料制备的电极，由公开的混合物制备的电极包括改善的活性寿命和功率性能。
在一些实施方案中，低放气碳颗粒是热解干燥聚合物凝胶，例如热解聚合物冷冻凝胶、热解聚合物干凝胶或热解聚合物气凝胶。在其他实施方案中，低放气碳颗粒被活化(即，合成活化的低放气碳材料)。例如，在另外的实施方案中，低放气碳颗粒是活化干燥聚合物凝胶、活化聚合物冷冻凝胶、活化聚合物干凝胶或活化聚合物气凝胶。
低放气碳颗粒可以是不同的纯度。例如，在一些实施方案中，低放气碳颗粒可以是超纯活化低放气碳，其中低放气碳颗粒包含小于1000PPM，例如小于500PPM，例如小于200ppm，例如小于100ppm，例如小于50ppm，或甚至小于10PPM的杂质。在其他实例中，低放气碳具有0.1ppm至1000ppm的杂质水平。在其他实施方案中，低放气碳颗粒具有900ppm至1000ppm的杂质水平。在其他实施方案中，低放气碳颗粒具有800ppm至900ppm的杂质水平。在其他实施方案中，低放气碳颗粒具有700ppm至800ppm的杂质水平。在其他实施方案中，低放气碳颗粒具有600ppm至700ppm的杂质水平。在其他实施方案中，低放气碳颗粒具有500ppm至600ppm的杂质水平。在其他实施方案中，低放气碳颗粒具有400ppm至500ppm的杂质水平。在其他实施方案中，低放气碳颗粒具有300ppm至400ppm的杂质水平。在其他实施方案中，低放气碳颗粒具有200ppm至300ppm的杂质水平。在其他实施方案中，低放气碳颗粒具有100ppm至200ppm的杂质水平。在其他实施方案中，低放气碳颗粒具有0.1ppm至100ppm的杂质水平。在其他实施方案中，低放气碳颗粒具有0.1ppm至50ppm的杂质水平。在其他实施方案中，低放气碳颗粒具有0.1ppm至10ppm的杂质水平。
低放气碳颗粒也可以是“非超纯的”(即，大于100PPM的杂质)。例如，在一些实施方案中，非超纯活化低放气碳中的总杂质水平(通过质子诱导的x射线发射测量的)为约1000ppm或更大，例如2000ppm。非超纯低放气碳的灰分含量为约0.1％或更大，例如0.41％。此外，可将非超纯低放气碳材料掺入到适合能量储存和分配的装置中，例如铅酸电池中。
除了与铅颗粒物理混合之外，低放气碳颗粒还可包含铅。这导致含有低放气碳颗粒和铅颗粒的铅的混合物。这种混合物在本文所述的混合装置中具有特别的实用性。就这一点而言，低放气碳颗粒可具有任何纯度水平，并且可将铅掺入低放气碳颗粒的孔中和/或低放气碳颗粒的表面上。因此，在一些实施方案中，低放气碳组合物包含多个低放气碳颗粒和多个铅颗粒，其中低放气碳颗粒包含铅，例如至少1000PPM的铅。在前述的某些其他实施方案中，低放气碳颗粒包含铅和小于500PPM的所有其他杂质。在一些其他实施方案中，低放气碳颗粒包含至少0.10％，至少0.25％，至少0.50％，至少1.0％，至少5.0％，至少10％，至少25％，至少50％，至少75％，至少90％，至少95％，至少99％或至少99.5％的铅。例如，在一些实施方案中，低放气碳颗粒包含0.5％至99.5％的活化低放气碳和0.5％至99.5％的铅。基于重量百分比(wt％)计算铅的百分比。
本文公开的任何实施方案中的铅可以是任何数量的形式。例如，在一些实施方案中，铅为元素铅、氧化铅(II)、氧化铅(IV)的形式或其组合。在其他实施方案中，铅为乙酸铅、碳酸铅、硫酸铅、正砷酸铅、焦砷酸铅、溴化铅、癸酸铅、己酸铅、辛酸铅、氯酸铅、氯化铅、氟化铅、硝酸铅、氯氧化铅、硫酸正磷酸铅、铬酸铅、碱式铬酸铅、铅铁氧体、硫化铅、钨酸铅的形式或其组合。还涵盖其他铅盐。
在一些实施方案中，低放气碳颗粒包含至少1,000ppm的铅。在其他实施方案中，低放气碳材料包含总计小于500ppm的原子序数为11至92的元素(不包括任何有意添加的铅)，例如小于200ppm，小于100ppm，小于50ppm，小于25ppm，小于10ppm，小于5ppm或小于1ppm。在某些实施方案中，通过质子诱导的X射线发射分析(PIXE)测量铅含量和/或杂质含量。在其他实施方案中，通过总X射线荧光(tXRF)完成纯度测定。
某些金属元素例如铁、钴、镍、铬、铜、钛、钒和铼可能降低包含混合物的电极的电性能。因此，在一些实施方案中，低放气碳颗粒包含低水平的这些元素中的一种或多种。例如，在某些实施方案中，低放气碳颗粒包含小于100ppm的铁，小于50ppm的铁，小于25ppm的铁，小于10ppm的铁，小于5ppm的铁或小于1ppm的铁。在其他实施方案中，低放气碳颗粒包含小于100ppm的钴，小于50ppm的钴，小于25ppm的钴，小于10ppm的钴，小于5ppm的钴或小于1ppm的钴。在其他实施方案中，低放气碳颗粒包含小于100ppm的镍，小于50ppm的镍，小于25ppm的镍，小于10ppm的镍，小于5ppm的镍或小于1ppm的镍。在其他实施方案中，低放气碳颗粒包含小于100ppm的铬，小于50ppm的铬，小于25ppm的铬，小于10ppm的铬，小于5ppm的铬或小于1ppm的铬。在其他实施方案中，低放气碳颗粒包含小于100ppm的铜，小于50ppm的铜，小于25ppm的铜，小于10ppm的铜，小于5ppm的铜或小于1ppm的铜。在其他实施方案中，低放气碳颗粒包含小于100ppm的钛，小于50ppm的钛，小于25ppm的钛，小于10ppm的钛，小于5ppm的钛或小于1ppm的钛。在其他实施方案中，低放气碳颗粒包含小于100ppm的钒，小于50ppm的钒，小于25ppm的钒，小于10ppm的钒，小于5ppm的钒或小于1ppm的钒。在其他实施方案中，低放气碳颗粒包含小于100ppm的铼，小于50ppm的铼，小于25ppm的铼，小于10ppm的铼，小于5ppm的铼或小于1ppm的铼。
在其他实施方案中，低放气碳颗粒包含小于5ppm的铬，小于10ppm的铁，小于5ppm的镍，小于20ppm的硅，小于5ppm的锌，并且未检测到铋、银、铜、汞、锰、铂、锑和锡，如通过质子诱导的X射线发射所测量。
在其他实施方案中，碳颗粒包含小于75ppm的铋，小于5ppm的银，小于10ppm的铬，小于30ppm的铜，小于30ppm的铁，小于5ppm的汞，小于5ppm的锰，小于20ppm的镍，小于5ppm的铂，小于10ppm的锑，小于100ppm的硅，小于10ppm的锡和小于10ppm的锌，如通过质子诱导的X射线发射所测量。
在其他实施方案中，碳颗粒包含小于5ppm的铬，10ppm的铁，小于5ppm的镍，小于20ppm的硅，小于5ppm的锌，并且未检测到铋、银、铜、汞、锰、铂、锑和锡，如通过质子诱导的X射线发射所测量。
碳颗粒的孔隙率是混合物的电化学性能的重要参数。因此，在一个实施方案中，对于小于20埃的孔，碳颗粒包含至少0.35cc/g，至少0.30cc/g，至少0.25cc/g，至少0.20cc/g，至少0.15cc/g，至少0.10cc/g，至少0.05cc/g或至少0.01cc/g的DFT孔体积。在其他实施方案中，碳颗粒没有任何可测量的孔体积。在其他实施方案中，对于大于20埃的孔，碳颗粒包含至少4.00cc/g，至少3.75cc/g，至少3.50cc/g，至少3.25cc/g，至少3.00cc/g，至少2.75cc/g，至少2.50cc/g，至少2.25cc/g，至少2.00cc/g，至少1.90cc/g，1.80cc/g，1.70cc/g，1.60cc/g，1.50cc/g，1.40cc/g，至少1.30cc/g，至少1.20cc/g，至少1.10cc/g，至少1.00cc/g，至少0.85cc/g，至少0.80cc/g，至少0.75cc/g，至少0.70cc/g或至少0.65cc/g的DFT孔体积。
在其他实施方案中，对于20埃至500埃的孔，碳颗粒包含至少4.00cc/g，至少3.75cc/g，至少3.50cc/g，至少3.25cc/g，至少3.00cc/g，至少2.75cc/g，至少2.50cc/g，至少2.25cc/g，至少2.00cc/g，至少1.90cc/g，1.80cc/g，1.70cc/g，1.60cc/g，1.50cc/g，1.40cc/g，至少1.30cc/g，至少1.20cc/g，至少1.10cc/g，至少1.00cc/g，至少0.85cc/g，至少0.80cc/g，至少0.75cc/g，至少0.70cc/g，至少0.65cc/g，至少0.60cc/g，至少0.55cc/g，至少0.50cc/g，至少0.45cc/g，至少0.40cc/g，至少0.35cc/g，至少0.30cc/g，至少0.25cc/g，至少0.20cc/g，至少0.15cc/g，或至少0.10cc/g的DFT孔体积。
在其他实施方案中，对于20埃至1000埃的孔，碳颗粒包含至少4.00cc/g，至少3.75cc/g，至少3.50cc/g，至少3.25cc/g，至少3.00cc/g，至少2.75cc/g，至少2.50cc/g，至少2.25cc/g，至少2.00cc/g，至少1.90cc/g，1.80cc/g，1.70cc/g，1.60cc/g，1.50cc/g，1.40cc/g，至少1.30cc/g，至少1.20cc/g，至少1.10cc/g，至少1.00cc/g，至少0.85cc/g，至少0.80cc/g，至少0.75cc/g，至少0.70cc/g，至少0.65cc/g，至少0.60cc/g，至少0.55cc/g，至少0.50cc/g，至少0.45cc/g，至少0.40cc/g，至少0.35cc/g，至少0.30cc/g，至少0.25cc/g，至少0.20cc/g，至少0.15cc/g，或至少0.10cc/g的DFT孔体积。
在其他实施方案中，对于20埃至2000埃的孔，碳颗粒包含至少4.00cc/g，至少3.75cc/g，至少3.50cc/g，至少3.25cc/g，至少3.00cc/g，至少2.75cc/g，至少2.50cc/g，至少2.25cc/g，至少2.00cc/g，至少1.90cc/g，1.80cc/g，1.70cc/g，1.60cc/g，1.50cc/g，1.40cc/g，至少1.30cc/g，至少1.20cc/g，至少1.10cc/g，至少1.00cc/g，至少0.85cc/g，至少0.80cc/g，至少0.75cc/g，至少0.70cc/g，至少0.65cc/g，至少0.60cc/g，至少0.55cc/g，至少0.50cc/g，至少0.45cc/g，至少0.40cc/g，至少0.35cc/g，至少0.30cc/g，至少0.25cc/g，至少0.20cc/g，至少0.15cc/g，或至少0.10cc/g的DFT孔体积。
在其他实施方案中，对于20埃至5000埃的孔，碳颗粒包含至少4.00cc/g，至少3.75cc/g，至少3.50cc/g，至少3.25cc/g，至少3.00cc/g，至少2.75cc/g，至少2.50cc/g，至少2.25cc/g，至少2.00cc/g，至少1.90cc/g，1.80cc/g，1.70cc/g，1.60cc/g，1.50cc/g，1.40cc/g，至少1.30cc/g，至少1.20cc/g，至少1.10cc/g，至少1.00cc/g，至少0.85cc/g，至少0.80cc/g，至少0.75cc/g，至少0.70cc/g，至少0.65cc/g，至少0.60cc/g，至少0.55cc/g，至少0.50cc/g，至少0.45cc/g，至少0.40cc/g，至少0.35cc/g，至少0.30cc/g，至少0.25cc/g，至少0.20cc/g，至少0.15cc/g，或至少0.10cc/g的DFT孔体积。
在其他实施方案中，碳颗粒包含至少4.00cc/g，至少3.75cc/g，至少3.50cc/g，至少3.25cc/g，至少3.00cc/g，至少2.75cc/g，至少2.50cc/g，至少2.25cc/g，至少2.00cc/g，至少1.90cc/g，1.80cc/g，1.70cc/g，1.60cc/g，1.50cc/g，1.40cc/g，至少1.30cc/g，至少1.20cc/g，至少1.10cc/g，至少1.00cc/g，至少0.85cc/g，至少0.80cc/g，至少0.75cc/g，至少0.70cc/g，至少0.65cc/g，至少0.60cc/g，至少0.55cc/g，至少0.50cc/g，至少0.45cc/g，至少0.40cc/g，至少0.35cc/g，至少0.30cc/g，至少0.25cc/g，至少0.20cc/g，至少0.15cc/g，或至少0.10cc/g的总DFT孔体积。
在某些实施方案中，提供具有非常小的微孔率(例如，小于30％，小于20％，小于10％或小于5％的微孔率)的中孔碳颗粒。在某些实施方案中，这种碳颗粒的孔体积和表面积对于包含铅和电解液离子是有利的。例如，中孔碳可以是已被热解但未被活化的聚合物凝胶。在一些实施方案中，中孔碳包含至少100m2/g，至少200m2/g，至少300m2/g，至少400m2/g，至少500m2/g，至少600m2/g，至少675m2/g，或至少750m2/g的比表面积。在其他实施方案中，中孔碳颗粒包含至少0.50cc/g，至少0.60cc/g，至少0.70cc/g，至少0.80cc/g，至少0.90cc/g，至少1.0cc/g，或至少1.1cc/g的总孔体积。在其他实施方案中，中孔碳颗粒包含至少0.30g/cc，至少0.35g/cc，至少0.40g/cc，至少0.45g/cc，至少0.50g/cc，或至少0.55g/cc的振实密度。
除了低含量的不期望的PIXE杂质之外，所公开的碳颗粒可以包含高的总碳含量。除了碳之外，碳颗粒还可包含氧、氢、氮和电化学改性剂。在一些实施方案中，基于重量/重量，颗粒包含至少75％的碳，80％的碳，85％的碳，至少90％的碳，至少95％的碳，至少96％的碳，至少97％的碳，至少98％的碳或至少99％的碳。在一些其他实施方案中，基于重量/重量，碳颗粒包含小于10％的氧，小于5％的氧，小于3.0％的氧，小于2.5％的氧，小于1％的氧或小于0.5％的氧。在其他实施方案中，基于重量/重量，碳颗粒包含小于10％的氢，小于5％的氢，小于2.5％的氢，小于1％的氢，小于0.5％的氢或小于0.1％的氢。在其他实施方案中，基于重量/重量，碳颗粒包含小于5％的氮，小于2.5％的氮，小于1％的氮，小于0.5％的氮，小于0.25％的氮或小于0.01％的氮。可通过燃烧分析来测定所公开的碳颗粒的氧、氢和氮含量。通过燃烧分析测定元素组成的技术是本领域公知的。
在一些实施方案中，低放气碳材料的氮含量为5％至50％的氮。例如，低放气碳的氮含量为5％至10％，例如为10％至20％，例如为20％至30％。在其他实施方案中，低放气碳的氮含量为5％至15％，例如为15％至25％，例如为25％至35％。在优选的实施方案中，低放气碳的氮含量为15％-20％。
在一些情况下，碳颗粒的总灰分含量可能对混合物的电化学性能有影响。因此，在一些实施方案中，碳颗粒的灰分含量(不包括任何有意添加的铅)为0.1wt％至0.001wt％的灰分，例如在一些具体的实施方案中，碳颗粒的灰分含量小于0.1％，小于0.08％，小于0.05％，小于0.03％，小于0.025％，小于0.01％，小于0.0075％，小于0.005％或小于0.001％。
在其他实施方案中，碳颗粒包含小于500ppm的元素(不包括任何有意添加的铅)的总杂质含量和小于0.08％的灰分含量(不包括任何有意添加的铅)。在另外的实施方案中，碳颗粒包含小于300ppm的所有其他元素的总杂质含量和小于0.05％的灰分含量。在其他另外的实施方案中，碳颗粒包含小于200ppm的所有其他元素的总PIXE杂质含量和小于0.05％的灰分含量。在其他另外的实施方案中，碳颗粒包含小于200ppm的所有其他元素的总杂质含量和小于0.025％的灰分含量。在其他另外的实施方案中，碳颗粒包含小于100ppm的所有其他元素的总杂质含量和小于0.02％的灰分含量。在其他另外的实施方案中，碳颗粒包含小于50ppm的所有其他元素的总杂质含量和小于0.01％的灰分含量。
所公开的碳颗粒还包含高表面积。虽然不期望受理论束缚，但认为这种高表面积可以至少部分地有助于混合物的优异电化学性能。因此，在一些实施方案中，碳颗粒包含至少100m2/g，至少200m2/g，至少300m2/g，至少400m2/g，至少500m2/g，至少600m2/g，至少700m2/g，至少800m2/g，至少900m2/g，至少1000m2/g，至少1500m2/g，至少2000m2/g，至少2400m2/g，至少2500m2/g，至少2750m2/g，或至少3000m2/g的BET比表面积。例如，在前述的一些实施方案中，将碳颗粒活化。
在另一个实施方案中，碳颗粒包含0.1g/cc至1.0g/cc，0.2g/cc至0.8g/cc，0.3g/cc至0.5g/cc或0.4g/cc至0.5g/cc的振实密度。在另一个实施方案中，碳颗粒具有至少0.1cm3/g，至少0.2cm3/g，至少0.3cm3/g，至少0.4cm3/g，至少0.5cm3/g，至少0.7cm3/g，至少0.75cm3/g，至少0.9cm3/g，至少1.0cm3/g，至少1.1cm3/g，至少1.2cm3/g，至少1.3cm3/g，至少1.4cm3/g，至少1.5cm3/g，或至少1.6cm3/g的总孔体积。
所公开的碳颗粒的孔径分布是可以影响混合物的电化学性能的一个参数。因此，在一个实施方案中，碳颗粒包含为100nm或低于100nm的孔的部分孔体积，其占总孔体积的至少50％，总孔体积的至少75％，总孔体积的至少90％或总孔体积的至少99％。在其他实施方案中，碳颗粒包含为20nm或低于20nm的孔的部分孔体积，其占总孔体积的至少50％，总孔体积的至少75％，总孔体积的至少90％或总孔体积的至少99％。
在另一个实施方案中，碳颗粒包含为100nm或低于100nm的孔的部分孔表面积，其占总孔表面积的至少50％，总孔表面积的至少75％，总孔表面积的至少90％或总孔表面积的至少99％。在另一个实施方案中，碳颗粒包含为20nm或低于20nm的孔的部分孔表面积，其占总孔表面积的至少50％，总孔表面积的至少75％，总孔表面积的至少90％或总孔表面积的至少99％。
在另一个实施方案中，碳颗粒包含主要为1000埃或更低的孔，例如100埃或更低，例如50埃或更低。或者，碳颗粒包含在0-20埃的微孔和在20埃-1000埃的中孔。微孔范围内的孔体积或孔表面相对于中孔范围内的孔体积或孔表面的比例可以为95:5至5:95。
在其他实施方案中，碳颗粒是中孔的并且包含单分散的中孔。如本文所用，当对于孔径使用时，术语“单分散”通常指跨度(进一步定义为(Dv90–Dv10)/Dv50，其中Dv10、Dv50和Dv90是指体积分布中10％、50％和90％处的孔径为约3或更小，典型地为约2或更小，通常为约1.5或更小。
在其他实施方案中，碳颗粒包含至少0.2cc/g，至少0.5cc/g，至少0.75cc/g，至少1cc/g，至少2cc/g，至少3cc/g，至少4cc/g，或至少7cc/g的总孔体积。在一个特定的实施方案中，碳颗粒包含0.5cc/g至1.0cc/g的孔体积。
在其他实施方案中，碳颗粒包括至少50％的总孔体积存在于直径为50埃至5000埃的孔中。在一些实例中，碳颗粒包括至少50％的总孔体积存在于直径为50埃至500埃的孔中。在其他实施方案中，碳颗粒包括至少50％的总孔体积存在于直径为500埃至1000埃的孔中。在其他实施方案中，碳颗粒包括至少50％的总孔体积存在于直径为1000埃至5000埃的孔中。
在一些实施方案中，碳颗粒的平均粒径为1微米至1000微米。在其他实施方案中，碳颗粒的平均粒径为1微米至100微米。在其他实施方案中，碳颗粒的平均粒径为5微米至50微米。其他实施方案中，碳颗粒的平均粒径为5微米至15微米或3微米至5微米。其他实施方案中，碳颗粒的平均粒径为约10微米。
在一些实施方案中，碳颗粒包含峰值孔体积为2nm至10nm的孔。在其他实施方案中，峰值孔体积为10nm至20nm。其他实施方案中，峰值孔体积为20nm至30nm。其他实施方案中，峰值孔体积为30nm至40nm。其他实施方案中，峰值孔体积为40nm至50nm。在其他实施方案中，峰值孔体积为50nm至100nm。
尽管不期望受理论束缚，但包含小孔径(即，孔长度)的碳颗粒可具有扩散距离减小的优点，以促进铅或铅盐的浸渍。例如，认为与包含大得多的孔径(例如微米或毫米尺寸的孔)的碳颗粒相比，使用具有相当大一部分的中孔范围内(如上所述)的孔的碳颗粒将提供显著的优势。
在某些实施方案中，碳颗粒的吸水性(即，碳颗粒可吸收的水的总量)预测当掺入到碳-铅混合物中时碳的电化学性能。水可被吸收到碳颗粒中的孔体积中和/或在单个碳颗粒之间的空间内。吸水越多，越大的表面积暴露于水分子，因此增加了液-固界面处可用的硫酸铅成核位点。水可进入的孔还允许将电解液输送到铅糊制板的中心以获得额外的材料利用率。因此，在一些实施方案中，碳颗粒是活性碳颗粒并且具有大于0.2g H2O/cc(cc＝碳颗粒中的孔体积)，大于0.4g H2O/cc，大于0.6g H2O/cc，大于0.8g H2O/cc，大于1.0g H2O/cc，大于1.25gH2O/cc，大于1.5g H2O/cc，大于1.75g H2O/cc，大于2.0g H2O/cc，大于2.25gH2O/cc，大于2.5g H2O/cc或甚至大于2.75g H2O/cc的吸水率。在其他实施方案中，颗粒是非活化颗粒并且具有大于0.2gH2O/cc，大于0.4g H2O/cc，大于0.6g H2O/cc，大于0.8g H2O/cc，大于1.0g H2O/cc，大于1.25g H2O/cc，大于1.5g H2O/cc，大于1.75gH2O/cc，大于2.0gH2O/cc，大于2.25g H2O/cc，大于2.5g H2O/cc或甚至大于2.75g H2O/cc的吸水率。用于测定示例性碳颗粒的吸水率的方法是本领域中已知的并且在实施例26进行了描述。
碳颗粒的吸水率也可以用R因子来测量，其中R是每克碳吸收的水的最大克数。在一些实施方案中，R因子大于2.0，大于1.8，大于1.6，大于1.4，大于1.2，大于1.0，大于0.8或大于0.6。在其他实施方案中，R值为1.2至1.6，并且在其他实施方案中，R值小于1.2。
还可基于碳颗粒在长时间(例如，2周)暴露于潮湿环境中时吸收水的能力来测定碳颗粒的R因子。例如，在一些实施方案中，R因子以相对湿度来表示。就此而言，碳颗粒在10％至100％的相对湿度时包含约0.1至约1.0的R因子。在一些实施方案中，在10％至100％的相对湿度时，R因子小于0.1，小于0.2，小于0.3，小于0.4，小于0.5，小于0.6，小于0.7或甚至小于0.8。在前述实施方案中，碳颗粒包含约0.1cc/g至2.0cc/g，约0.2cc/g至1.8cc/g，约0.4cc/g至1.4cc/g，约0.6cc/g至1.2cc/g的总孔体积。在前述的其他实施方案中，相对湿度为约10％至约20％，约20％至约30％，约30％至约40％，约40％至约50％，约50％至约60％，约60％至约70％，约70％至约80％，约80％至约90％或约90％至约99％或甚至100％。可通过将碳颗粒在室温下暴露于指定湿度持续两周来测定以上R因子。
在本公开内容的另一个实施方案中，通过本文公开的方法制备碳颗粒，例如，在一些实施方案中，通过包括将如本文所公开的干燥聚合物凝胶热解的方法制备碳颗粒。在一些实施方案中，将热解聚合物凝胶进一步活化以获得活性碳材料。在一些实施方案中，使用本领域已知的方法使活性碳材料的粒径减小，例如喷射研磨或球磨。还可通过下文更详细描述的许多方法来制备包含铅的碳颗粒。
E.碳材料的制备
可通过本文公开的以及第12/965,709号美国申请和第2001/002086号美国公开中所公开的聚合物凝胶方法制备碳颗粒，所述申请和公开都通过引用整体并入本文。可通过本领域已知的方法制备铅颗粒，例如碾磨、研磨等。还可通过已知的方法完成两种不同颗粒的混合。在将多个碳颗粒群与铅颗粒混合的情况下，可优先或批量进行混合。例如，可以初始混合两个颗粒群，并可将第三个颗粒群添加到该混合物中。在一个实施方案中，该第一混合物表现出双峰碳粒径。在另一个实施方案中，第一混合物表现出碳颗粒和铅颗粒的双峰分布。在另外的实施方案中，第一混合物代表相似尺寸的碳颗粒和铅颗粒的混合物。以下描述用于制备碳颗粒的细节。
可通过溶胶凝胶法制备聚合物凝胶。例如，可通过在合适的溶剂中使一种或多种聚合物前体共聚合来制备聚合物凝胶。在一个实施方案中，使一种或多种聚合物前体在酸性条件下共聚合。在一些实施方案中，第一聚合物前体是酚化合物并且第二聚合物前体是醛化合物。在该方法的一个实施方案中，酚化合物是苯酚、间苯二酚、邻苯二酚、对苯二酚、间苯三酚或其组合；并且醛化合物是甲醛、乙醛、丙醛、丁醛、苯甲醛、肉桂醛或其组合。在另外的实施方案中，酚化合物是间苯二酚、苯酚或其组合，并且醛化合物是甲醛。在另外的实施方案中，酚化合物是间苯二酚，并且醛化合物是甲醛。
多种其他聚合物前体也是可用的并且在本领域进行了描述。如本文所公开的示例性聚合物前体材料包括(a)醇、酚化合物和其他单羟基或多羟基化合物和(b)醛、酮及其组合。本文中的代表性醇包括直链和支链的饱和及不饱和的醇。合适的酚化合物包括多羟基苯，如二羟基或三羟基苯。代表性的多羟基苯包括间苯二酚(即，1,3-二羟基苯)、邻苯二酚、对苯二酚和间苯三酚。还可使用两种或更多种多羟基苯的混合物。还可使用苯酚(一羟基苯)。代表性的多羟基化合物包括糖类例如葡萄糖，以及其他多元醇例如甘露醇。在本文中的醛包括：直链饱和醛，例如甲醛、乙醛、丙醛、丁醛等；直链不饱和醛，例如乙烯酮和其他烯酮，2-丙烯醛(2-propenal/acrylaldehyde)、2-丁烯醛(巴豆醛)、3丁烯醛等；支链饱和和不饱和醛；以及芳族类型的醛，例如苯甲醛、水杨醛、氢化肉桂醛等。合适的酮包括：直链饱和酮，例如丙酮和2丁酮等；直链不饱和酮，例如丙烯酮、2丁烯酮和3-丁烯酮(甲基乙烯基酮)等；支链饱和和不饱和酮；以及芳族类型的酮，例如甲基苄基酮(苯基丙酮)、乙基苄基酮等。其他感兴趣的前体包括双酚(例如双酚A)等。聚合物前体材料还可以是上述前体的组合。
在一些实施方案中，一种聚合物前体是含醇的物质并且另一种聚合物前体是含羰基的物质。与含羰基物质(例如，醛、酮或其组合)反应的含醇物质(例如，醇类，酚类化合物和单羟基化合物或多羟基化合物或其组合)的相对量可以显著不同。在一些实施方案中，选择含醇物质与醛物质的比例以使得含醇物质中的反应性醇基团的总摩尔数与醛物质中的反应性羰基基团的总摩尔数大致相同。类似地，可选择含醇物质与酮物质的比例以使得含醇物质中的反应性醇基团的总摩尔数与酮物质中的反应性羰基基团的总摩尔数大致相同。当含羰基物质包含醛物质和酮物质的组合时，相同的一般1:1摩尔比适用。除了醛例如甲醛之外，另一种示例性的交联剂是六亚甲基四胺。
通常在催化条件下进行溶胶凝胶聚合过程。因此，在一些实施方案中，制备聚合物凝胶包括在催化剂存在下使一种或多种聚合物前体共聚合。在一些实施方案中，催化剂包含碱性挥发性催化剂。例如，在一个实施方案中，碱性挥发性催化剂包含碳酸铵、碳酸氢铵、乙酸铵、氢氧化铵或其组合。在另一个实施方案中，碱性挥发性催化剂是碳酸铵。在另一个实施方案中，碱性挥发性催化剂是乙酸铵。
例如，催化剂与酚化合物的摩尔比可以影响聚合物凝胶的最终性能以及碳材料的最终性能。因此，在一些实施方案中，以5:1至2000:1的酚化合物:催化剂的摩尔比使用这种催化剂。在一些实施方案中，可以以20:1至200:1的酚化合物:催化剂的摩尔比使用这种催化剂。例如，在其他实施方案中，可以以5:1至100:1的酚化合物:催化剂的摩尔比使用这种催化剂。
反应溶剂是可以改变以获得聚合物凝胶和碳材料的期望性质(例如，表面积、孔隙率、纯度等)的另一个工艺参数。在一些实施方案中，用于制备聚合物凝胶的溶剂是水和可混溶的共溶剂的混合溶剂系统。例如，在某些实施方案中，溶剂包含水混溶性酸。水混溶性酸的实例包括但不限于丙酸、乙酸和甲酸。在另外的实施方案中，溶剂包含99:1、90:10、75:25、50:50、25:75、10:90或1:90的水混溶性酸与水的比例。在其他实施方案中，通过向反应溶剂中加入固体酸来提供酸度。
在前述的一些其他实施方案中，用于制备聚合物凝胶的溶剂是酸性的。例如，在某些实施方案中，溶剂包括乙酸。例如，在一个实施方案中，溶剂是100％乙酸。在其他实施方案中，提供混合溶剂系统，其中溶剂之一是酸性的。例如，在该方法的一个实施方案中，溶剂是包含乙酸和水的二元溶剂。在另外的实施方式中，溶剂包含99:1、90:10、75:25、50:50、25:75、20:80，10:90或1:90的乙酸与水的比例。在其他实施方案中，通过向反应溶剂中加入固体酸来提供酸度。
可通过本领域已知的各种技术干燥聚合物凝胶颗粒，包括快速冷冻，然后冻干，如第12/965,709号美国申请和第2001/002086号美国公开中所述，所述申请和公开均通过引用整体并入本文。同样地，这些相同的参考文献提供了热解和活化干燥(例如，冷冻干燥)聚合物凝胶的描述。
F.碳材料的表征
可以例如使用本领域技术人员已知的方法在77K下使用氮吸附测量低放气碳材料的性质。成品碳材料的最终性能和特性是重要的，但还可以评估中间产物(干燥的聚合物凝胶和热解的、但未活化的聚合物凝胶)，特别是从质量控制的角度来评估，如本领域技术人员已知的。Micromeretics ASAP 2020用于进行详细的微孔和中孔分析，其在一些实施方案中显示0.35nm至50nm的孔径分布。该系统在10-7atm的压力下开始产生氮等温线，其能够实现在1nm子范围中的高分辨率孔径分布。软件生成的报告利用密度泛函理论(DFT)方法来计算性质，例如孔径分布、表面积分布、总表面积、总孔体积和某些孔径范围内的孔体积。
可通过本领域技术人员已知的许多分析技术来测定低放气碳颗粒的杂质和铅含量。在本公开内容的上下文中有用的一种特定分析方法是质子诱导的X射线发射(PIXE)。该技术能够在低ppm水平下测量原子序数为11至92的元素浓度。因此，在一个实施方案中，通过PIXE分析测定存在于碳颗粒或混合物中的铅以及所有其他元素的浓度。或者，可以通过tXRF来完成纯度测量。
所公开的低放气碳颗粒可以用作任何数量的电能储存和分配装置中的电极材料。一种这样的设备是混合碳/金属电池，例如碳/铅酸电池。混合物的高纯度、表面积和孔隙率对由其制备的电极赋予改进的电性能。因此，本公开内容提供相对于包含其他碳材料的装置具有更长的有效寿命和改进的功率性能的电能储存装置。具体地，由于低放气碳颗粒的开孔、多孔网络和相对小的孔径，可将电能储存装置的正极和负极的化学活性材料与集电器紧密集成。因此，化学活性碳中的反应位点可以接近一个或多个导电碳结构元件。因此，在化学活性材料中的特定反应位置产生的电子在遇到特定集电器的许多导电结构元件之一之前必须仅行进短的距离通过活性材料。
此外，所公开的低放气碳颗粒的孔隙率提供了化学反应中的充电和放电所必需的电解液离子(例如硫酸根离子)的储存器。电解液离子与活性材料的接近度比传统电极更接近，因此，包含掺入碳材料的电极的装置(例如，电池)提供了改进的比功率和比能量值。换句话说，当置于载荷下时，与包括由铅、石墨板、无铅的活性碳等制成的传统集电器的装置相比，这些装置保持它们的电压高于预定的阈值更长的时间。
由所公开的装置提供的增加的比功率值也可转化为减少的充电时间。因此，所公开的装置可适用于其中充电能量仅在有限量的时间内可用的应用。例如，在车辆中，普通制动期间会损失大量的能量。该制动能量可被重新捕获并用于对例如混合动力车辆的电池进行充电。然而，制动能量仅在短时间内可用(例如，在制动发生时)。因此，任何向电池传递制动能量必须发生在制动期间。鉴于它们减少的充电时间，本发明的装置可以提供用于储存这种制动能量的有效手段。
所公开的低放气碳材料可用于铅酸电池中使用的电极。因此，本公开内容的一个实施方案是包含至少一个电池的混合铅-碳-酸电能储存装置，其中所述至少一个电池包含多个低放气碳和铅基正极以及一个或多个低放气碳和铅基负极。该装置还包括电池之间的隔板，酸性电解液(例如，硫酸水溶液)和容纳该装置的外壳。
在混合铅-低放气碳-酸能量储存装置的一些实施方案中，每个低放气碳基负极包含高导电性集电器；与集电器的至少一个表面粘附并电接触的低放气碳-铅混合物，以及在负极或正极的顶部边缘上方延伸的突出部元件。例如，每个低放气碳-铅-基正极可以包括铅基集电器和粘附于其表面并且与其表面电接触的二氧化铅基活性材料糊剂，以及在正极的顶部边缘上方延伸的突出部元件。二氧化铅基活性材料包含任何公开的混合物。混合物中的铅或氧化铅用作阴极的能量储存活性材料。
在混合铅-低放气碳-酸能量储存装置的其他实施方案中，铅基集电器的前表面和后表面各自包括相对于铅基集电器的平均平面的升高部分和降低部分的基体，并且还包括在其升高部分与降低部分之间形成的槽。在该实施方案中，铅基集电器的聚集体厚度大于形成集电器的铅基材料的厚度。
负极可包括导电集电器；低放气的碳-铅混合物；以及从负极的侧面例如从顶部边缘上方延伸的突出部元件。可以通过可包括连接件结构的浇铸带将负极突出部元件彼此电固定。活性材料可以是粘附于集电器基体并与集电器基体电接触的片形式。为了使颗粒粘附于集电器基体并与集电器基体电接触，可将颗粒与合适的粘合剂物质例如PTFE或超高分子量聚乙烯(例如，具有数百万计的分子量，通常为约2百万至约6百万)混合。在一些实施方案中，粘合剂材料不表现出热塑性质或表现出最小的热塑性质。
在某些实施方案中，每个电池单元包括四个铅基的正极并且包括二氧化铅活性材料。每个正极包括高导电集电器，该高导电集电器包括粘附至其每个面上的多孔碳材料(例如碳-铅混合物)和在碳内含有的二氧化铅。而且，在该实施方案中，电池单元包括三个负极，其各自包括高导电集电器，该高导电集电器包括粘附至其每个面上的多孔碳材料，其中该低放气碳材料包含在碳内的铅。
在其他实施方案中，每个电池包括以交替顺序放置的多个正极和多个负极。在每对相邻的正极与负极之间放置一个隔板。每个正极被构造成具有在每个相应电极的顶部边缘上方延伸的突出部；并且每个负极具有在相应负极中的每个的顶部边缘上方延伸的突出部。在某些变体中，隔板由旨在与酸性电解液一起使用的合适隔板材料制成，并且隔板可由编织材料例如无纺材料或毡制材料或其组合制成。在其他实施方案中，集电器的材料是片状铅，其可被铸造或轧制并且冲压或机械加工。
每个电池可包括交替的正极板和负极板，并且电解液可被设置在正极板与负极板之间的体积中。另外地，电解液可占据正极板和负极板中包括的材料中的一些或全部孔空间。在一个实施方案中，电解液包括水性电解溶液，并且正极板和负极板可以浸入其中。可选择电解溶液组合物以对应于特定的电池化学。在铅酸电池中，例如，电解液可以包括硫酸和蒸馏水的溶液。然而，其他酸可用于形成所公开电池的电解溶液。
在另一个实施方案中，电解液可以包括硅胶。可将这种硅胶电解液添加到电池中，使得凝胶至少部分地填充正极板与负极板或电池板之间的体积。
在一些其他变体中，每个电池的正极板和负极板可包括用化学活性材料包装或涂覆的集电器。设置在电池集电器上的活性材料中的化学反应能够储存和释放电能。该活性材料的组成而不是集电器材料决定特定的集电器是用作正极板还是负极板。
化学活性材料的组成也取决于装置的化学。例如，铅酸电池可包括含有例如铅的氧化物或盐的化学活性材料。在某些实施方案中，化学活性材料可以包含二氧化铅(PbO2)。化学活性材料还可以包含各种添加剂，包括例如不同百分比的游离铅、结构纤维、导电材料、碳和增量剂以适应电池寿命期间的体积变化。在某些实施方案中，可将用于铅酸电池的化学活性材料的成分与硫酸和水混合以形成糊剂、浆料或任何其他类型的涂覆材料。
例如，可将糊剂或浆料形式的化学活性材料涂覆到正极板和负极板的集电器上。可将化学活性材料通过浸渍、涂漆或经由任何其他合适的涂覆技术涂覆到集电器上。
在某些实施方案中，通过首先将化学活性材料沉积在相应的集电器上以制成板来形成电池的正极板和负极板。尽管在所有应用中不是必需的，但在某些实施方案中，可将沉积在集电器上的化学活性材料进行固化和/或干燥过程。例如，固化过程可包括将化学活性材料暴露于高温和/或湿度，以促进化学活性材料的化学和/或物理性质的改变。
在组装正极板和负极板以形成电池之后，可将电池进行充电(即，形成)过程。在该充电过程期间，化学活性材料的组成可以改变为在电池的正极板与负极板之间提供电化学电位的状态。例如，在铅酸电池中，正极板的PbO活性材料可以被电驱动为二氧化铅(PbO2)，并且负极板的活性材料可被转换为海绵铅。相反，在随后的铅酸电池放电期间，正极板和负极板的化学活性材料转化为硫酸铅。
目前公开的实施方案的混合物包括孔的网络，其可为每个集电器提供大量的表面积。例如，在上述装置的某些实施方案中，低放气碳颗粒是中孔的，并且在其他实施方案中，低放气碳颗粒是微孔的。包含混合物的集电器可以表现出大于2000倍的由常规集电器提供的表面积的量。此外，可制造低放气碳层以表现出上述物理性质的任何组合。
用于活性材料的基板(即，支撑件)可以包括几种不同的材料和物理配置。例如，在某些实施方案中，基板可包括导电材料、玻璃或聚合物。在某些实施方案中，基板可包括铅或聚碳酸酯。基板可以形成为单片材料。或者，基板可包括开口结构，例如具有横向构件和支柱的栅格图案。
基板还可包括用于建立与集电器电连接的突出部。或者，尤其是在其中基板包括具有低导电率的聚合物或材料的实施方案中，碳层可被配置成包括用于建立与集电器电连接的材料的突出部。在这样的实施方案中，用于形成突出部和低放气碳层的碳可以灌注有诸如铅、银的金属，或任何其他合适的金属，以辅助或提供与低放气碳层的良好的机械和电接触。
可将混合物物理附接到基板，使得基板可以为混合物提供支撑。在一个实施方案中，可将混合物层压到基板上。例如，可将混合物和基板进行任何合适的层压过程，其可以包括施加热和/或压力，使得该混合物物理附接至基板上。在某些实施方案中，可使用热敏和/或压敏的层压膜或粘合剂来帮助层压过程。
在其他实施方案中，可经由机械紧固件系统将混合物物理附接到基板。这种紧固件系统可包括能够将碳层紧固到支撑件的任何合适类型的紧固件。例如，可使用钉、线或塑料环形紧固件、铆钉、型锻的紧固件、螺钉等将混合物连接到支撑件。或者，可使用线螺纹或其他类型的螺纹将混合物缝到支撑件上。在一些实施方案中，混合物可进一步包含粘合剂(例如，特氟龙等)以促进混合物附接到基板上。
除了上述的双层集电器(即，混合物加基板)之外，目前公开的实施方案还包括与双层集电器组合的其他类型的集电器。例如，适用于目前公开的实施方案的集电器可以基本上仅由碳形成。即，与该实施方案一致的碳集电器将缺乏支撑背衬。然而，碳集电器可包括其他材料，例如沉积在碳表面的一部分上的金属以帮助建立与碳集电器的电接触。
其他集电器可基本上由诸如铅的导电材料形成。集电器可由铅制成并且可以形成为包括横向构件与支柱的栅格图案。在一个实施方案中，集电器可以包括径向栅格图案，使得支柱以一定角度与横向构件相交。集电器还可包括用于建立与集电器的电接触的突出部。
在一个实施方案中，集电器可由铅制成并且可以形成为包括六角形栅格图案。具体地，集电器的结构元件可以被配置为以六边形密堆积布置形成多个六角形状的空隙。集电器还可包括用于建立与集电器的电接触的突出部。
与本公开内容一致，电池可被配置为包括几种不同的集电器布置。在一个实施方案中，电池的一个或多个负极板可包括具有设置在基板上的碳层的集电器。在该实施方案中，电池的一个或多个正极板可包括碳集电器(例如，不包括基板的碳层)或铅栅格集电器(例如，不包括碳层的铅栅格集电器)。
在另一个实施方案中，电池的一个或多个正极板可包括含有沉积在基板上的碳层的集电器。在该实施方案中，电池的一个或多个负极板可包括碳集电器(例如，不包括基板的碳集电器)或铅栅格集电器(例如，不包括碳层的铅栅格集电器)。
在又一个实施方案中，一个或多个负极板和一个或多个正极板可包括包含沉积在基板上的碳层的集电器。因此，在该实施方案中，可将双层集电器掺入正极板和负极板中。
通过将混合物掺入到电池的正极板和/或负极板中，可以抑制集电器的腐蚀。因此，与本公开内容一致的电池可提供显著更长的使用寿命。此外，所公开的碳集电器可以是柔韧的，因此，与由石墨板或其他脆性材料制成的集电器相比，它们可以不易受到振动或冲击造成的损害。包括低放气碳集电器的电池在车辆应用或其中振动和冲击常见的其他应用中可以表现良好。
在另一个实施方案中，包含低放气碳的混合物还可以包含增强电化学性能的某些金属和金属氧化物添加剂。为此，可将包含铅和氧化铅的阴极糊剂与低放气碳颗粒紧密混合。少量添加某些其他元素，例如锡、锑、铋、砷、钨、银、锌、镉、铟、硅、其氧化物，包含它们的化合物或其组合提供了增加正极活性材料的化学能量储存效率的潜力。这些金属元素及其氧化物中的一些起到重复二氧化铅晶体结构的作用，并为充电放电过程提供额外的成核位点以及二氧化铅活性材料内的附加导电网络。在施加铅糊剂之前，这些材料可位于低放气碳的孔内和低放气碳的表面上。这些金属可以充当二氧化铅正极活性材料的导电助剂以及通过阴极内这种增加的导电网络来增加二氧化铅活性材料的效率。在某些实施方案中，碳和电极中的杂质例如砷、钴、镍、铁、铬和碲被最小化，因为它们在充电循环期间增加阴极上的氧释放。
在其他实施方案中，混合物不含大量的金属杂质，例如钠、钾，特别是钙、镁、钡、锶、铬、镍、铁和其他金属，其形成高度不溶性的硫酸盐。这些杂质在碳材料的孔内沉淀并有效地阻碍其效力。钠和钾将中和等摩尔量的氢离子并使它们失效。
在本公开内容的另一个实施方案中，用于混合碳铅能量储存装置的混合物中的低放气碳颗粒可以与主要的中孔进行结构化，其在混入正极或负极时将提高电化学性能，所述中孔是尺寸为2nm至50nm的孔。不受理论束缚，这些中孔碳提供促进流体电解液完全渗透电极内的活性材料的能力。通过增加电极结构内的流体渗透，电解液离子(例如，硫酸根)与活性材料之间的扩散距离减小并且化学充放电过程可以更有效地进行。此外，在该实施方案中使用的低放气碳还可包含与中孔结合的尺寸小于2nm的许多微孔。
本文所述的低放气碳材料可在电化学系统中表征，所述电化学系统包括但不限于电容器、超级电容器(例如，含有包含硫酸的水性电解液、锂离子电池和铅酸电池及相关系统)。可以通过电化学的方式表征低放气碳材料，例如电容(例如，在电容器或超级电容器中，例如当使用硫酸水溶液作为电解液时定量F/g)，恒电流间歇滴定技术(GITT)、四点探针测量技术、电化学阻抗谱(EIS)以及本领域已知的其他电化学技术。
在某些实施方案中，低放气碳表现出期望性质的某些组合，例如低放气与高充电接受能力相结合。在一些实施方案中，这些属性可以表示为比例，例如以描述每单位放气电流的充电接受能力。在某些实施方案中，每单位放气电流的充电接受能力可以大于8A/Ah，例如大于10A/Ah，例如大于12A/Ah，例如大于15A/Ah，例如大于20A/Ah，例如大于25A/Ah，例如大于30A/Ah。
设想低放气碳的期望属性的其他组合。在一些实施方案中，低放气碳表现出每单位放气电流的充电接受能力可以大于8A/Ah，例如大于10A/Ah，例如大于12A/Ah，例如大于15A/Ah，例如大于20A/Ah，例如大于25A/Ah，例如大于30A/Ah，并且与这些示例性的每单位放气电流值的充电接受能力中的任一个组合，低放气碳还表现出大于500m2/g，例如大于700m2/g，例如大于1000m2/g，例如大于1500m2/g，例如大于2000m2/g的比表面积。
在其他实施方案中，低放气碳表现出每单位放气电流的充电接受能力可以大于8A/Ah，例如大于10A/Ah，例如大于12A/Ah，例如大于15A/Ah，例如大于20A/Ah，例如大于25A/Ah，例如大于30A/Ah，并且与这些示例性的每单位放气电流值的充电接受能力中的任一个组合，低放气碳还表现出大于0.5m3/g，例如大于0.7m3/g，例如大于1.0m3/g，例如大于1.2m3/g，例如大于1.5m3/g的总孔体积。
在其他实施方案中，低放气碳表现出每单位放气电流的充电接受能力可以大于8A/Ah，例如大于10A/Ah，例如大于12A/Ah，例如大于15A/Ah，例如大于20A/Ah，例如大于25A/Ah，例如大于30A/Ah，并且与这些示例性的每单位放气电流值的充电接受能力中的任一个组合，低放气碳还表现出pH 3.0至pH 7.0的pH。或者，低放气碳表现出每单位放气电流的充电接受能力可以大于8A/Ah，例如大于10A/Ah，例如大于12A/Ah，例如大于15A/Ah，例如大于20A/Ah，例如大于25A/Ah，例如大于30A/Ah，并且与这些示例性的每单位放气电流值的充电接受能力中的任一个组合，低放气碳还表现出pH 6.0至pH 8.0的pH。或者，低放气碳表现出每单位放气电流的充电接受能力可以大于8A/Ah，例如大于10A/Ah，例如大于12A/Ah，例如大于15A/Ah，例如大于20A/Ah，例如大于25A/Ah，例如大于30A/Ah，并且与这些示例性的每单位放气电流值的充电接受能力中的任一个组合，低放气碳还表现出pH 7.0至pH10.0的pH。
在某些实施方案中，低放气碳表现出每单位放气电流的充电接受能力可以大于8A/Ah，例如大于10A/Ah，例如大于12A/Ah，例如大于15A/Ah，例如大于20A/Ah，例如大于25A/Ah，例如大于30A/Ah，并且与这些示例性的每单位放气电流值的充电接受能力中的任一个组合，低放气碳还表现出为1微米至10微米的粒径，例如3微米至7微米。
在某些实施方案中，低放气碳表现出每单位放气电流的充电接受能力可以大于8A/Ah，例如大于10A/Ah，例如大于12A/Ah，例如大于15A/Ah，例如大于20A/Ah，例如大于25A/Ah，例如大于30A/Ah，并且与这些示例性的每单位放气电流值的充电接受能力中的任一个组合，低放气碳还表现出大于85％的微孔，小于15％的中孔和小于1％的大孔。或者，低放气碳表现出每单位放气电流的充电接受能力可以大于8A/Ah，例如大于10A/Ah，例如大于12A/Ah，例如大于15A/Ah，例如大于20A/Ah，例如大于25A/Ah，例如大于30A/Ah，并且与这些示例性的每单位放气电流值的充电接受能力中的任一个组合，低放气碳还表现出小于50％的微孔，大于50％的中孔和小于0.1％的大孔。或者，低放气碳表现出每单位放气电流的充电接受能力可以大于8A/Ah，例如大于10A/Ah，例如大于12A/Ah，例如大于15A/Ah，例如大于20A/Ah，例如大于25A/Ah，例如大于30A/Ah，并且与这些示例性的每单位放气电流值的充电接受能力中的任一个组合，低放气碳还表现出小于30％的微孔和大于70％的中孔。
实施例
实施例1
干燥聚合物凝胶的制备
通过间苯二酚和甲醛(0.5:1)在水和乙酸(75:25)以及乙酸铵(RC＝25，除非另有说明)中的聚合制备聚合物凝胶。将反应混合物置于高温下(在45℃下孵育约6小时，然后在85℃下孵育约24小时)以允许凝胶化从而产生聚合物凝胶。聚合物凝胶颗粒由聚合物凝胶产生并通过4750微米目数的筛。将筛选的颗粒通过浸入液氮中冷冻，以3g/in2至7g/in2的装载量装入冻干盘中，并冻干。干燥时间(从产品到达2℃以内的货架温度的时间推断)随着冻干机架上的产品装载量而变化。
使用Micrometrics表面积和孔隙率分析仪(型号TriStar II)通过氮气表面分析检查干燥聚合物凝胶的表面积。使用BET方法测得的比表面积为约500m2/g至700m2/g。
用于制备干燥聚合物凝胶的另外的方法可以见于本领域中。这些另外的方法包括但不限于喷雾干燥、风干、烘干、窑干燥、热解、使用架子冷冻干燥或速冻，以及在获得具有约200至500m2/比表面积的干燥聚合物凝胶的条件下冷冻干燥。
实施例2
由三聚氰胺甲醛制备聚合物凝胶
通过三聚氰胺甲醛与间苯二酚(85:15)的聚合制备聚合物凝胶。将反应混合物置于高温(在90℃下孵育24小时至48小时)以允许凝胶化从而产生富氮的聚合物凝胶。
实施例3
加入Pluronic F127由三聚氰胺甲醛制备聚合物凝胶
通过三聚氰胺甲醛与间苯二酚和Pluronic F127的聚合制备聚合物凝胶。以10％至30％的百分比加入构成材料基质的三聚氰胺甲醛和间苯二酚，并以3％至15％的百分比加入Pluronic F127。将反应混合物置于高温(在90℃下孵育24小时至72小时)以允许凝胶化从而产生具有较大孔体积的中孔类型的富氮的聚合物凝胶。
实施例4
由尿素甲醛制备聚合物凝胶
通过尿素甲醛与双酚A(在50:50至95:5的范围内)的聚合制备聚合物凝胶。将反应混合物置于高温(在90℃下孵育24小时至48小时)以允许凝胶化从而产生富氮的聚合物凝胶。
实施例5
由干燥聚合物凝胶制备热解碳材料。
将根据实施例2制备的干燥聚合物凝胶在200L/h的氮气流和850℃下通过回转窑进行热解。热解时的重量损失为约52％-54％。
通过氮表面分析使用表面积和孔隙率分析仪来检查热解干燥聚合物凝胶的表面积。使用标准BET方法测量的比表面积为约600m2/g至700m2/g。
用于制备热解碳的另外的方法可以见于本领域中。可使用这些另外的方法来获得具有约100m2/g至600m2/g比表面积的热解碳。
实施例6
经由用尿素预处理聚合物制备富氮的聚合物凝胶
通过间苯二酚和甲醛(0.5:1)在水和乙酸(75:25)以及乙酸铵(RC＝25，除非另有说明)中的聚合制备聚合物凝胶。将反应混合物置于高温(在45℃下孵育约6小时，然后在85℃下孵育约24小时)以允许凝胶化从而产生聚合物凝胶。
然后，将聚合物凝胶浸泡在尿素水溶液(除非另有说明，1:1的尿素:水)，持续24小时。将该凝胶在100℃干燥24小时以去除过量的水。聚合物凝胶颗粒由聚合物凝胶产生并通过4750微米目数的筛。将筛选的颗粒通过浸入液氮中冷冻，以3g/in2至7g/in2的装载量装入冻干盘中，并冻干。干燥时间(从产品到达2℃以内的货架温度的时间推断)随着冻干机架上的产品装载量而变化。
实施例7
由富氮的聚合物凝胶制备富氮的热解碳材料
将根据实施例2、3和4制备的富氮的聚合物凝胶在200L/h的氮气流和750℃下在固定窑(static kiln)中进行热解。在其他实施方案中，将富氮的聚合物凝胶在200L/h的氮气流和750℃的温度下通过回转炉。在其他实施方案中，热解温度为750℃至950℃。热解时的重量损失为约65％-90％。
通过氮表面分析使用表面积和孔隙率分析仪来检查热解干燥聚合物凝胶的表面积。使用标准BET方法测量的比表面积为约300m2/g-700m2/g。
实施例8
现有技术的化学处理以调节材料的pH
可用氮处理现有技术中描述的碳(实施例2)以将氮物质引入到碳的表面上。通过在室温下浸泡在尿素溶液中处理碳，然后干燥以去除水，并且在600℃至800℃进行低温热解步骤以确保氮官能团与碳表面结合。在其他实施方案中，在高温下用气态的氨处理碳。在其他实施方案中，通过将固体尿素与现有技术中描述的碳的混合物加热至600℃至800℃的热解温度，用固体尿素或其他氮基固体处理碳。
当以这种方式用尿素处理现有技术时，材料的pH增加，如表2可以看出。材料17-23是未处理的碳材料，而材料17-14已经用尿素处理。
在其他实施方案中，以其中将碳在室温下浸泡在尿素中的相同方式，将碳浸泡在硫酸溶液中，随后干燥和热解，如针对尿素处理所述。所得到的碳材料具有比未处理的碳更低的pH，如表2所证实。材料17-23是未处理的碳，而17-15是用硫酸处理的碳。
在本领域的其他实施方案中，将碳浸泡在尿素溶液中可以在回流条件下发生以产生氮官能团的不同基团。
实施例9
活性碳的产生
将如实施例2中所述的热解碳在900℃和30L/min的CO2流速下在回转窑(内径为2.75英寸的氧化铝管)中活化，导致约37％的总重量损失。随后，将该材料在900℃下以分批方式在15L/min的CO2流速下于二氧化硅管(内径为3.75英寸)中进一步活化，以实现约42％至44％的最终重量损失(与起始热解碳相比)。
通过氮表面分析使用表面积和孔隙率分析仪来检查干燥凝胶的表面积。使用BET方法测量的比表面积为约1600至2000m2/g。
用于制备活性碳的另外的方法可以见于本领域中。可使用这些另外的方法来获得具有约100至600m2/g的比表面积的干燥聚合物凝胶。
实施例10
经由喷射碾磨使活性碳微粒化
使用2英寸直径的喷射磨机将来自实施例3的活性超纯碳进行喷射碾磨。条件是每小时约0.7lbs的超纯活性碳，每分钟约20scf的氮气流和约100psi的压力。喷射碾磨后的平均粒径为约8微米至10微米。
用于制备微粒化的活性碳颗粒的另外的方法可以见于本领域中。这些另外的方法可用于获得具有单分散或多分散粒径分布的微粒化颗粒。可使用这些另外的方法来获得平均尺寸为约1微米至8微米的微粒化颗粒。可使用这些另外的方法来获得平均尺寸大于8微米的微粒化颗粒。
实施例11
活性碳与比较碳的纯度分析
经由质子诱导的X射线发射(PIXE)检查根据实施例4制备的活性碳样品的杂质含量。PIXE是通过激发样品中的原子以产生特征X射线用于同时元素分析的一种行业标准的、高度灵敏和精确的测量，所述特征X射线被检测并且它们的强度被鉴定和定量。PIXE能够检测原子序数为11至92(即，从钠至铀)的所有元素。
表1.1中示出了本文所公开的活性碳以及用于比较目的的其他活性碳的PIXE杂质(Imp.)数据。样品1、3、4和5是根据实施例3制备的活性碳，样品2是根据实施例4制备的微粒化活性碳，样品6和样品7是商购获得的活性碳样品。
如表1.1可见，与其他已知的活性碳样品相比，根据本公开的合成活性碳具有较低的PIXE杂质含量和较低的灰分含量。
表1.1
活性碳和比较碳的PIXE纯度分析
*ND＝通过PIXE分析未检测到的
经由全反射X射线荧光光谱法(TXRF)检查根据实施例17制备的活性碳样品的杂质含量。TXRF是通过激发样品中的原子以产生特征X射线用于同时元素分析的一种行业标准的、高度灵敏和精确的测量，所述特征X射线被检测并且它们的强度被鉴定和定量。TXRF能够检测原子序数为13和更高的所有元素(铝和更重的元素)。
表1中示出了本文所公开的活性碳以及用于比较目的的其他活性碳的TXRF杂质(Imp.)数据。碳1和碳2是比较性的现有技术的碳。
如表1可见，与其他已知的活性碳样品相比，根据本公开内容的合成活性碳具有较低的TXRF杂质含量和较低的灰分含量。
表1.2
活性碳与比较碳的TXRF纯度分析
*0＝通过TXRF分析未检测到的
实施例12
含有低放气碳的NAM板的制备
可使用本领域已知的方法将低放气碳掺入到铅糊制板中。将500g的含铅氧化物粉末(铅和含有少于30％的金属铅的氧化铅的工业标准混合物)、1g的合成木质素、3g的BaSO4和1g的低放气碳在立式混合器中用玻璃混合钵和塑料刮片搅拌附件混合。它们以低速混合以结合所有成分。向其中加入65mL的蒸馏水并将其混合以结合。在搅拌时，经由加料漏斗向该混合物中滴加39mL的4.8M硫酸。此时获得低放气碳完全掺入的均匀的灰色/橙色糊剂。使用具有已知体积的小杯测量糊剂的密度。
在一些实施方案中，在加入含铅氧化物/木质素/BaSO4混合物中之前，将高表面积碳用水润湿或形成浆料。在其他实施方案中，使用或多或少的溶剂(水/酸)使糊剂达到期望/定制的密度(例如，41mL的酸/63mL的水，36mL的酸/68mL的水等)。在其他实施方案中，高表面积碳的含量与实施例1中的相比增加或减少(例如，0.5wt％，2wt％，3wt％等)。在其他实施方案中，将低放气碳与少量的其他类型的碳材料(例如，碳黑、石墨、碳纳米管)以不同的比例(例如，90:10，70:30)混合。
如在铅酸电池领域中已知的糊剂密度应为约4g/cc。本领域技术人员将能够修改下表中的水和碳含量以实现最佳的糊剂密度。
用塑料刮片手动将糊剂涂覆在铅合金栅格上。将糊制的栅格在65℃的潮湿环境中固化24小时，然后在65℃的含足够干燥剂的烘箱中烘干24小时，此时它们已准备好进行测试。
在另一个实施方案中，在较低百分比的相对湿度(例如，1％、5％、10％、20％)或较高百分比的相对湿度(例如，60％、75％、95％、100％)下，将糊制的栅格在较低温度(例如，30℃、40℃、50℃、60℃)或较高温度(例如，80℃、90℃、100℃、120℃)下干燥较长或较短的时间段(例如，0、2、4、6、8、10、12、36、48小时)。
实施例13
具有铅酸电极和含低放气碳的电极的装置
能量储存装置由氧化铅阴极和含低放气碳和铅的阳极构成，其用于制造用于测试目的的2V刻度的电池。如以上所述制备阳极。通过相同的方法制备阴极，但不包括低放气碳、木质素和BaSO4。
在该实施方案中，重要的是排除低放气碳中杂质(例如碳中的砷、钴、镍、铁、锑和碲)的存在以及通常从电极中排除杂质，因为它们增加了在充电循环期间阳极上的析氢。
重要的是，低放气碳不含有金属杂质，例如钠、钾并且特别是钙、镁、钡、锶、铁和其他金属，其形成高度不溶性的硫酸盐。这些将在碳的孔内沉淀并阻碍其效力。钠和钾将中和等摩尔量的氢离子并使它们失效。
如果如以上所述的低放气碳以0.1wt％至10wt％的浓度存在于阳极糊剂中，则在充电应用的部分状态中循环寿命将提高2倍-10倍。电流和能量效率也将得到改善。如果使用浓度为0.1wt％至10wt％的低放气碳，则析氢不会加剧。
实施例14
具有铅酸电极和含低放气碳的电极的装置的性能：通过霍夫曼设备测量的放气
通过使碳、导电粘合剂(例如，聚偏二氟乙烯)和有机溶剂(例如，二甲基亚砜)的混合物结合来制备先前描述的低放气碳的浆料。随后将该浆料涂覆到纯铅线上，并在真空中干燥。使用低放气碳涂覆的铅线作为阳极并且使用PbO2片作为阴极，将两个电极浸没在37wt％的硫酸溶液中。施加5V的电位以产生加剧的放气，持续几个小时。记录装置中的失水量并比较相对的失水量。当采用本文所述的低放气碳时，与先前描述的碳系统相比，失水量显著降低。
实施例15
具有铅酸电极和含低放气碳的电极的装置的性能：经由循环伏安法测量的放气
在该实施方案中，使用如前所述的2V铅/氧化铅电池构造，在2.0V至2.7V进行循环伏安扫描，并记录电流，以及阳极和阴极二者的电压，使用Hg|Hg2SO4参比电极。该电流(归一化为阳极质量)给出不同电池的放气的相对测量值。当采用本文所述的低放气碳时，与先前描述的碳系统相比，放气电流显著降低。
实施例16
具有铅酸电极和含低放气碳的电极的装置的性能：经由恒电位保持测量的放气
在该实施方案中，使用如前所述的2V铅/氧化铅电池构造，可以进行一系列恒电位保持并且测量在那些给定电位下的电流。在2.40V下开始4小时保持，一系列的50mV的电位阶跃，每个伴随1小时保持，从2.40V变为2.70V。记录每个电位阶跃的平均电流并归一化为阳极质量。这个测试的输出可以在图1中看到(使用质量归一化数据重做图1？)。在其他实施方案中，电位阶跃较小(例如，10mV、20mV、30mV)。在其他实施方案中，电位阶跃较大(例如，75mV，100mV)。在2.65V下测量的电流(归一化为阳极质量)给出了不同电池的放气的相对测量值。在其他实施方案中，可使用其他电位作为测量相对放气的度量(例如2.40V、2.67V、2.70V)。这个测试的输出可在图2中看到。当采用本文所述的低放气碳时，与先前描述的碳系统相比，放气电流显著降低。
实施例17
各种碳的性质
对各种不同的碳经由氮吸附分析其比表面积和孔体积分布(％微孔，％中孔和％大孔)、通过激光散射分析其粒径分布、pH。数据示于表2中。
表2.根据实施例17的碳材料表征。
实施例18
具有铅酸电极和含低放气碳的电极的装置的性能：经由失水量测量的放气
本领域技术人员知道在高温或室温下，在长时间保持浮动期间测量失水量的通用行业标准。在此实施方案中，由电池制造商的规格建造12V的铅酸电池。阳极将含有0.1wt％至10wt％的低放气碳材料。将使用本领域技术人员已知的标准失水量测试对电池进行失水量测试。常见的标准是VDA失水量规格，其中将12V的铅酸电池在60℃下进行14.4V过充电，持续12周。记录电池的失水量，如果电池对于每Ah失去大于3g的水，则它不通过测试。在其他实施方案中，2V的电池可用作12V电池的代用品并且相应地缩放失水量。
实施例19
具有铅酸电极和含低放气碳的电极的装置的性能：循环寿命的测量
本领域技术人员知道，循环寿命的测量取决于铅酸电池的期望性能应用(例如，牵引力、SLI、汽车)和电池制造商规格。有许多行业认可的循环寿命测试，包括US DOE循环寿命测试，国际电化学委员会的测试，SAE规格、VDA规格等。当采用本文所述的低放气碳时，循环寿命将比含有标准碳材料的电池延长2倍至10倍。
实施例20
具有铅酸电极和含低放气碳的电极的装置的性能：静态电荷接受能力的测量
在本实施方案中，如前所述，将在阳极中含有低放气碳的2V铅酸电池带入5％至50％的放电深度的特定充电状态。在该特定的充电状态下，施加2.0V至2.6V的恒定电位，持续1秒至15分钟的规定时间。在该时间段内恢复的电荷(以安培计)被定义为充电接受能力。将该电荷归一化为电池容量(以安培小时计)，使得静电荷接受能力的最终单位为每小时。静电荷接受能力测试的恒定电位保持步骤期间两个电池的实例可见于图2中。当将本文所述的低放气碳掺入阳极时，在静电荷接受能力测试期间记录的电流将高于不含该材料的电池。
实施例21
具有铅酸电极和含低放气碳的电极的装置的性能：动态电荷接受能力的测量
在本实施方案中，将如前所述在阳极中含有低放气碳的2V铅酸电池用于VDA动态电荷接受能力测试方案的修改方案中。使电池达到90％的特定充电状态。在这种充电状态下，施加2.5V的恒定电位持续60秒并记录充电电流。然后，使电池达到80％的充电状态，施加2.5V的相同恒定电位脉冲持续60秒并记录电流。将这种相同的方案重复70％和60％的充电状态。当将本文所述的低放气碳掺入阳极时，在动态电荷接受能力测试期间记录的电流将高于不含该材料的电池。
实施例22
用于糊剂制备的碳的润湿性
适当地糊制铅栅格作为负极活性材料(NAM)所需的额外的水的量取决于碳的物理性质，例如孔体积和孔类型。通过将水滴定到碳中并机械混合来确定碳被完全润湿的点。碳的润湿性如下测定：将2.409g的中孔碳在行星式混合器中与水混合。R因子可用于评估完全润湿碳所需的水量。在4mL(R＝1.6603mL水/g碳)时，混合物明显地从部分润湿转变为完全润湿。在一个实施方案中，在R-值>1.6mL/g的情况下，碳具有高孔体积。在另一个实施方案中，碳具有中等孔体积，其中R-值为1.2至1.6mL/g。在又一个实施方案中，碳具有低的孔体积，其中R-值小于1.2mL/g。进入结构内部的电解液通路越多，越多的活性材料被利用。在一些实施方案中，最高孔体积碳允许电解液最大程度地进入内部铅结构。
实施例23
碳的酸滴定性质
将0.25克的碳称量至60mL的聚丙烯瓶中。将45％的37％硫酸水溶液加入到瓶中并密封。将瓶固定并搅拌24小时。如本领域所知，然后将液体从固体中过滤并使用NaOH滴定。可相对于活性碳和预活性碳的pH来绘制硫酸溶液的摩尔浓度的变化。每个碳的摩尔浓度的正变化表明测试后的溶液酸性更强。每个碳的摩尔浓度的负变化表明测试后的溶液碱性更强。
意想不到的结果是热处理对活性碳的影响。一旦将活性碳热处理至pH>7，则每克碳的摩尔浓度的变化变为与碳的pH无关。仅对于未热处理的碳而言，在每个碳的摩尔浓度变化与pH值之间存在直接关系。当碳接近中性pH(5至7)时，每个碳的溶液的摩尔浓度的变化出乎意料地存在最大值。这适用于活性碳和预活性碳。在其他实施方案中，每个碳的摩尔浓度变化是负的，表明与对照相比碱性更强，如从低(<5)的碳可见。在其他实施方案中，如根据每个碳的摩尔浓度的变化所测量的酸吸附不依赖于高于7的pH值的pH。
另一个令人惊讶的结果是，每个碳的溶液的摩尔浓度变化不依赖于孔体积或孔类型(微孔与中孔)。事实上，唯一的相关性是在pH和摩尔浓度的变化之间。在甚至更令人惊讶的结果中，更多的酸性碳并未产生更多的酸性溶液，而是实际上溶液比对照碱性更强。如前所解释，这一意想不到的结果引起半中性碳pH的局部最大值。
实施例24
碳特性的测量：富氮的碳的X射线光电子光谱测定表面化学
使用X射线光电子光谱法测定富氮的碳的表面化学。X射线光电子光谱是一种用于鉴定元素组成和各元素参与的化学键类型的研究标准。在这种情况下，对富氮的碳进行总表面氮和氧含量的分析，并且分析这些元素中的每一种的键合。在较高温度(约900℃)下热解的样品的表面氮的类型和量与在较低热解条件(约700℃)下相比存在显著差异。
实施例25
碳特性的测量：燃烧测定块状碳和氮含量
将燃烧的行业标准用于定量元素碳、氮和氢的比例。从书籍“Methods of SoilAnalysis:Part 2.Published 1982.”中获得方法。这种方法提供了大量的样品的非金属成分。在较低温度范围(600℃-850℃)下热解的样品具有比在较高温度范围(900℃-1150℃)下热解的样品更高的氮含量。所有样品具有比标准碳材料或现有技术更高的氮含量，后者具有很少的氮至不含氮。
实施例26
热解条件对来自富氮的聚合物凝胶的富氮的热解碳材料的物理性质的作用
根据前述实施例2制备富氮的碳材料。当改变热解条件时，可控制材料的物理性质。
两种富氮的材料与根据实施例2制备的树脂的孔结构的比较可以见于图4中。材料17-9是在回转窑中热解的样品，材料17-21是在管式炉中热解的相同材料制剂。热解方法(具有从室温至热解温度的渐变温度斜坡的静态方法)显著影响材料的中孔结构。具有渐变温度斜坡的材料具有比在回转窑中热解的孔结构大得多的中孔体积。来自回转窑的样品仍具有554m2/g的相当大的表面积，但大部分中孔体积随着回转窑热解的快速温度斜坡而塌陷。
实施例27
热解温度对来自富氮的聚合物凝胶的富氮的热解碳材料的作用
热解温度对富氮的碳材料的性能也有显著影响。对于这些材料的氮含量和充电接受能力值(实施例20中所述的充电接受方法和实施例25中所述的元素分析)观察到显著影响。
表3显示了全部通过实施例2中所述的方法制备的各种富氮的碳材料。热解碳材料中的碳与氮的比例为3:1至7:1，并且随着热解温度的升高而降低。这种影响是预期的，因为更高的热解温度，从最终的碳物质中去除更多的氮官能团。
热解温度(以及假定的氮含量)对充电接受能力的作用是惊人的和出乎意料的。几个不同的样本集之间存在强大的和显著的趋势。当在低温(例如，750℃)下热解相同的富氮的三聚氰胺-甲醛-间苯二酚凝胶时，其充电接受能力值比在高温(例如，900℃)下热解的那些高25％-30％。虽然在热解温度的这种变化中没有观察到孔结构(包括孔体积和表面积)的显著变化，但充电接受能力图形显著变化。
表3含有证明这一趋势的几种不同样品。在3-之后含有相同数字的样品表明已经由完全相同的富氮的聚合物凝胶材料制备并且已经使用相同技术热解的样品，只是在不同的热解温度下。
表3
实施例28
Pluronic F127添加剂对来自富氮的聚合物凝胶的富氮热解碳材料的物理性能的作用
最后，由三聚氰胺甲醛、间苯二酚和pluronic F127制备材料17-22并在静态管式炉中热解。注意到，样品17-22在中孔区具有显著更高的孔体积。这看起来与含有pluronicF127添加剂的样品一致。
实施例29
热解温度对现有技术的影响
将根据实施例1制备的干燥聚合物凝胶在200L/h的氮气流和750℃下在固定窑中热解。在其他实施方案中，热解温度从750℃变为950℃。热解时的重量损失为约60％-70％。
通过氮表面分析使用表面积和孔隙率分析仪来检查热解干燥聚合物凝胶的表面积。使用标准BET方法测量的比表面积为约500-700m2/g。
实施例30
具有铅酸电极和含低放气碳的电极的装置的性能：每单位放气电流的充电接受能力的新度量
在本实施方案中，将如实施例10和实施例13中所述获得的数据组合以产生新的度量：每单位放气电流的充电接受能力。充电接受能力(以安培计)除以2.65V下的平均放气电流(以安培小时计)。该度量，即每单位放气的充电接受能力，表明碳的整体性能。高的数字表示对于低放气碳少量的气体产生和大数值的充电接受能力，二者是铅酸电池的循环寿命的关键指标。两种碳的实例比较见于在表3中，所述两种碳即商购获得的碳黑和特种高表面积碳(取自实施例17中的表2)。获得的值用于根据实施例6和实施例7制备的铅/碳阳极材料。
表4.根据实施例18的各种碳材料的表征。
实施例31
在铅基板上制备含有低放气碳的喷枪电极
可使用喷枪在铅基板上制造低放气碳电极，以雾化并喷射低粘度碳墨。用以质量计为80％的低放气碳、10％的导电率增强碳黑和10％的粘合剂水溶液制造该墨。粘合剂溶液为4:1质量比的4份苯乙烯丁二烯橡胶(SBR)与1份羧甲基纤维素(CMC)。在1.0g规模下，将粘合剂溶液在水中稀释以产生期望的粘度(例如，3.25mL的水/100mg的粘合剂，3.5mL的水/100mg的粘合剂等)。将100mg的碳黑和800mg的低放气碳混入粘合剂溶液中以产生均匀的墨。
为了提高电极的附着力，用砂纸将铅基板的表面粗糙化。在碳墨应用期间，将铅基板加热至100℃，并且由带式模板控制电极尺寸和形状。将电极在110℃下固化30分钟之前移除模板。测量最终的电极质量为1.0±0.1mg。在进行测试测量之前，将低放气碳电极冷却至室温。
为了更精确地测试铅碳电池中的氢放气，该技术放大了相对于活性铅质量的碳装载量，同时对铅碳电池保持相似的工作条件。喷枪的使用允许在电极应用期间的精确尺寸和形状控制，以确保可再现的电极生产。其他已知的放气度量与铅碳电池的工作条件不太相似，并且是更耗时的工艺来完成。
实施例32
低放气碳材料的性能：经由循环伏安法测量的喷枪电极的放气
在本实施方案中，将先前所述的喷枪低放气碳电极放入如本领域中已知的3电极特氟龙测试电池中，其具有铂线对电极，Hg|Hg2SO4参比电极和1mL的1.27s.g.H2SO4电解液。在20mV/秒下进行-0.6V至-1.6V的循环伏安扫描，并且每0.15秒记录电流。该电流给出了不同碳的放气的相对测量值作为电极质量的函数，对此，所有测试的电极均为1.0±0.1mg。可在任何电压下报告放气值，但除非另有说明，否则相对量是指在-1.6V下的电流。当采用本文所述的低放气碳时，与先前描述的碳系统相比，放气电流显著降低。
实施例33
用有益元素掺杂现有技术以减少放气
可将如现有技术(以及实施例5和实施例9)中所述的热解和活性碳材料掺杂有被确定为有利于减少碳材料上的放气的元素。这种元素可以包括但不限于Bi、Cd、Ge、Sn、Zn、Ag、Pb、In。将每种材料的水性盐(例如，ZnSO4)溶于水中以形成溶液(50:50至5:95的盐:水)。然后，将碳浸入盐混合物中并放置过夜，以尽可能多地吸收盐进入高表面积结构(5:1水:碳比例)中。在浸泡过夜后，将材料通过布氏漏斗过滤。然后，将其置于110℃的烘箱中干燥过夜。将最终材料根据实施例5重新热解。
实施例34
含氮聚合物凝胶和干燥聚合物凝胶(不含氮)的重量损失的测量
如本领域已知使用氮气作为载体进行热重分析(TGA)。
图5(树脂的TGA)比较了几种不同的聚合物凝胶材料。样品17-27是根据实施例1制备的不含氮的干燥凝胶。样品17-25是含有尿素甲醛起始材料的含氮树脂，并且17-26是以三聚氰胺甲醛为起始材料的含氮树脂。
实施例35
如通过循环伏安法测量的粒度对放气的影响
根据实施例32，对四种碳浆料进行循环伏安法。一种材料(17-10)用作微粒化材料而没有任何进一步操作(例如，筛选)，而将另一种材料(17-23)通过212um筛以去除直径太大以至于不适合通过筛的颗粒。这两种材料具有57.3微米的Dv,50。材料17-1具有6.2微米的Dv,50的较小粒径。材料17-20具有33.7微米的Dv,50的中间粒径。
当分析根据实施例32进行的循环伏安扫描时，存在确定放气程度的各种度量。示例性度量是在-1.6V下的电流的测量，在该方法中测量的最大的负电位。本文示出的所有电极均为1mg(如实施例31中所述)，并且因此将所有扫描归一化为电极质量。在-1.6V下产生的电流的mA的测量被指定为“放气电流”。在图6中，例如，材料17-1在-1.6V下的放气电流为-4.2mA，而材料17-23在-1.6V下的电流为-10.3mA。根据该测量，我们可以假设材料17-23表现出比材料17-1更高的放气。
如本文先前所述，测量喷枪电极上的循环伏安扫描中的放气程度的另一个示例性度量是测量在指定电压下的几个电流比例。对于每次扫描，在-1.6V、-1.4V和-1.2V下测量电流，其被定义为I1.6、I1.4和I1.2。计算每种材料的I1.6:I1.4、I1.6:I1.2和I1.4:I1.2的比例。表现出没有氢放气的材料在该度量中的所有比例将接近1。例如，在图6中，材料17-1具有I1.2＝-1.5mA，I1.4＝-1.4mA和I1.6＝-4.2mA。比例为I1.6:I1.4＝3.0，I1.6:I1.2＝2.8和I1.4:I1.2＝0.9。对于材料17-23，I1.2＝-2.0mA，I1.4＝-3.6mA和I1.6＝-10.3mA。比例为I1.6:I1.4＝2.9，I1.6:I1.2＝5.2和I1.4:I1.2＝1.8。材料17-1表现出接近于1的比例，其通常与较低的放气碳相关。
可以设想其它尺寸的筛作为减少放气的方法(例如，如先前所述，去除具有较高放气的颗粒或不容易分散到铅电极中的颗粒)。这些尺寸可能低于212um，例如25um，32um或38um。这些尺寸可能高于212um，例如425um或650um。除了筛选之外，如本领域已知去除如上所述的一定尺寸的颗粒的其他方法，并且这些方法可以作为筛选的替代方法应用。
实施例36
通过水性碳pH测量的表面化学分析
碳水溶液的pH提供了与碳表面化学有关的信息。将2.000g的碳悬浮在聚丙烯杯的50mL水中。将溶液用石蜡膜覆盖并在室温下超声处理20分钟。在搅拌10分钟后，使用本领域已知的来自Mettler Toledo的pH电极(DG 11-SC探针和T70KF滴定仪)测量碳水溶液的pH。
实施例37
通过热处理的热解碳的表面处理
可以通过在各种气体存在下在高温下的热处理来调整碳(例如热解碳)的表面化学。在本公开内容中其他地方描述了温度范围和气体种类。本领域已知的这种表面处理可用于改性非碳物质，例如氧和氮物质。碳中的示例性氮物质包括吡啶、吡咯氮(pyrydone)和氧化氮物质(Carbon 37，1143-1150，1999)。同样地，氧物质也是本领域中已知的。
实施例38
通过循环伏安法测量的现有技术的放气性质对表面pH值的作用
根据实施例37，通过在900℃和氮气下的热处理来调整现有技术的pH。这种对碳的处理增加了热解碳材料的pH，如表17可见(17-10是热解碳材料以及17-23)。接下来，通过用硫酸处理降低相同热解碳材料的表面pH。
当根据实施例32经由循环伏安法测试时，观察到明显的趋势，如图7所示。材料17-23是未处理的热解碳。当用硫酸(17-15)处理时，由于表面pH降低，放气减少。最后，当热处理以增加pH(17-16)时，放气增加。因此，在不含氮的热解碳中，较低的pH(即，低于7.5)对于低放气碳是期望的。
实施例39
现有技术和由含氮聚合物凝胶制备的碳的放气性质的比较
当比较实施例1中所述的现有技术(不含氮的热解碳)与由实施例2和实施例4中所述的含氮聚合物凝胶制备的碳的放气行为时，观察到显著且可重复的趋势。根据实施例15在2V电池中通过循环伏安法测量放气水平并且示出在图8中。现有技术(17-23)显示比由含氮聚合物凝胶(17-9)制备的材料更高的放气电流。在根据实施例32测试的喷枪电极的循环伏安法中观察到相同的效果。图9示出材料17-9(根据实施例2制备并根据实施例5热解的含氮凝胶)的最低放气电流。对于根据实施例4制备并根据实施例7热解的材料17-22观察到略微较高的放气电流。并且不含氮的热解碳材料(17-23)比含有氮的两种碳高。测试的和由富氮的聚合物凝胶起始材料(实施例2和实施例4)制备的所有材料导致明显低于测试的任何其他材料处理的放气特性。
实施例40
与由含氮聚合物凝胶制备的碳的放气相比，用尿素处理现有技术以产生含氮碳对放气的作用
试图确定现有技术是否可用氮表面官能团处理以获得与由含氮聚合物凝胶制备的材料(图9中显示)观察到的相同的期望结果，根据实施例8用尿素处理现有技术。根据实施例32对该样品进行测试以确定放气行为。图10示出现有技术(17-23)、现有技术的尿素处理(17-14)和由含氮聚合物凝胶制备的样品(17-9)之间的比较。尽管在某些电压状态下通过向表面添加氮官能团可能对减少放气有一些影响，但放气的减少并不接近由含氮聚合物凝胶制成的材料。当由含氮聚合物凝胶制备材料时，放气行为存在着明显不同的显著降低的作用。
实施例41
在经由用过氧化物材料处理增加现有技术的pH时增加的放气性质
用实施例8中所述的方法修饰现有技术的表面官能团，但不使用尿素或硫酸，而使用过氧化氢。表面官能团的这种变化导致放气电流的增加，如图11所示。材料17-12是未处理的热解碳样品，并且17-13已经用过氧化物处理。
实施例42
热处理对由含氮聚合物凝胶制备的碳的作用
根据实施例37对由富氮的聚合物凝胶制备的热解碳(实施例2)进行热处理。对气体产生的作用类似于现有技术(不含氮的碳)中观察到的。图12示出材料17-18(热处理的材料)具有比17-9更高的放气电流，其未经热处理但含有氮。
实施例43
用尿素的化学处理对由含氮聚合物凝胶制备的碳的作用
如实施例8所述，在用尿素处理含氮碳时，放气电流增加。图13表明用尿素处理的样品(17-19)比没有尿素处理的材料(17-9)具有更高的放气电流。
实施例44
通过分析伏安图及其一阶和二阶导数确定的放气程度
当分析根据实施例32进行的循环伏安扫描时，存在确定放气程度的各种度量。示例性度量是在-1.6V下的电流的测量，在该方法中测量的最大的负电位。本文示出的所有电极均为1mg(如实施例31中所述)，并且因此将所有扫描归一化为电极质量。在-1.6V下产生的电流的mA的测量被指定为“放气电流”。在图6中，例如，材料17-1在-1.6V下的放气电流为-4.2mA，而材料17-23在-1.6V下的电流为-10.3mA。根据该测量，我们可以假设材料17-23表现出比材料17-1更高的放气。
如本文先前所述，测量喷枪电极上的循环伏安扫描中的放气程度的其他示例性度量是测量在指定电压下的几个电流比例。对于每次扫描，在-1.6V、-1.4V和-1.2V下测量电流，其被定义为I1.6、I1.4和I1.2。计算每种材料的I1.6:I1.4、I1.6:I1.2和I1.4:I1.2的比例。表现出没有氢放气的材料在该度量中的所有比例将接近1。例如，在图6中，材料17-1具有I1.2＝-1.5mA，I1.4＝-1.4mA和I1.6＝-4.2mA。比例为I1.6:I1.4＝3.0，I1.6:I1.2＝2.8和I1.4:I1.2＝0.9。对于材料17-23，I1.2＝-2.0mA，I1.4＝-3.6mA和I1.6＝-10.3mA。比例为I1.6:I1.4＝2.9，I1.6:I1.2＝5.2和I1.4:I1.2＝1.8。材料17-1表现出接近于1的比例，其通常与较低的放气碳相关。
在循环伏安扫描中测量放气的其他示例性度量是如通过-1.2V至-1.6V的线的二阶导数所述计算拐点。低放气碳表现出更接近-1.6V的二阶导数最小值，同时具有该二阶导数最小值的低绝对值。高放气材料将具有更正且更接近-1.2V的拐点，并具有该二阶导数最小值的高绝对值。
或者，可分析伏安图的一阶和二阶导数。来自这些导数的局部最大值和最小值提供了与放气有关的电化学事件的信息。图14显示了材料17-9的伏安图连同其一阶导数和二阶导数。初始的循环伏安扫描用虚线表示，该扫描的一阶导数是细实线，并且该扫描的二阶导数是粗实线。在图中显示，特性特征连同电压值一起注释，特征的((dV)/(d(mA/mg)))和((d2V)/(d(mA/mg)2))分别衍生自一阶导数和二阶导数。图15显示了材料17-23的伏安图连同一阶导数和二阶导数。在图中显示，特性特征连同电压值一起注释，特征的((dV)/(d(mA/mg)))和((d2V)/(d(mA/mg)2))分别衍生自一阶导数和二阶导数。可以看出，这两个图示出了在电压的相同位置发生的一阶导数和二阶导数中的事件。不受理论束缚，一阶导数和二阶导数的绝对值与关于放气的电化学事件的程度有关。例如，17-9和17-23的一阶导数的最大值出现在相同的电压(即，-1.55V、-1.48V)下，并且材料17-23的最大值比17-9大6.75倍。此外，17-9和17-23的二阶导数的最大值出现在相同的电压(即，-1.52V)下，并且材料17-23的最大值比17-9大5.9倍。为了比较，来自这些样品的伏安图在-1.6V下的电流的比例是6.6倍。
不受理论束缚，相同的方法，即伏安图的一阶导数和二阶导数的分析也可适用于其他装置形式，例如2.0V的铅酸电池。因此，对于这样的装置，来自伏安图的一阶导数和二阶导数的信息反映了与这些其他系统中的各种碳基材料的放气有关的电化学事件。
本发明的示例性实施方案包括但不限于以下实施方案：
实施方案1.碳材料，当在包含硫酸的电解液存在下在包含铅并且使用铂对电极的基板上作为工作电极通过循环伏安法测试时，所述碳材料形成在相对于Hg/Hg2SO4为-1.6V下小于绝对值10mA/mg的电流。
实施方案2.如实施方案1所述的碳材料，当在包含硫酸的电解液存在下在包含铅并且使用铂对电极的基板上作为工作电极通过循环伏安法测试时，所述碳材料形成在相对于Hg/Hg2SO4为-1.6V下小于绝对值5mA/mg的电流。
实施方案3.如实施方案1所述的碳材料，当在包含硫酸的电解液存在下在包含铅并且使用铂对电极的基板上作为工作电极通过循环伏安法测试时，所述碳材料形成在相对于Hg/Hg2SO4为-1.6V下小于绝对值3mA/mg的电流。
实施方案4.如实施方案1所述的碳材料，当在包含硫酸的电解液存在下在包含铅并且使用铂对电极的基板上作为工作电极通过循环伏安法测试时，所述碳材料形成在相对于Hg/Hg2SO4为-1.6V下小于绝对值2.5mA/mg的电流。
实施方案5.如实施方案1所述的碳材料，当在包含硫酸的电解液存在下在包含铅并且使用铂对电极的基板上作为工作电极通过循环伏安法测试时，所述碳材料形成在相对于Hg/Hg2SO4为-1.6V下小于绝对值2mA/mg的电流。
实施方案6.如实施方案1所述的碳材料，当在包含硫酸的电解液存在下在包含铅并且使用铂对电极的基板上作为工作电极通过循环伏安法测试时，所述碳材料形成在相对于Hg/Hg2SO4为-1.6V下小于绝对值1.5mA/mg的电流。
实施方案7.如实施方案1所述的碳材料，当在包含硫酸的电解液存在下在包含铅并且使用铂对电极的基板上作为工作电极通过循环伏安法测试时，所述碳材料形成在相对于Hg/Hg2SO4为-1.6V下小于绝对值1.0mA/mg的电流。
实施方案8.碳材料，当在包含硫酸的电解液存在下在包含铅并且使用铂对电极的基板上作为工作电极通过循环伏安法测试时，所述碳材料在相对于Hg/Hg2SO4为-1.55V下产生小于100(mA/mg)/(V)。
实施方案9.如实施方案8所述的碳材料，其中当在包含硫酸的电解液存在下在包含铅并且使用铂对电极的基板上作为工作电极通过循环伏安法测试时，所述碳材料在相对于Hg/Hg2SO4为-1.55V下产生小于50(mA/mg)/(V)。
实施方案10.如实施方案8所述的碳材料，其中当在包含硫酸的电解液存在下在包含铅并且使用铂对电极的基板上作为工作电极通过循环伏安法测试时，所述碳材料在相对于Hg/Hg2SO4为-1.55V下产生小于30(mA/mg)/(V)。
实施方案11.如实施方案8所述的碳材料，其中当在包含硫酸的电解液存在下在包含铅并且使用铂对电极的基板上作为工作电极通过循环伏安法测试时，所述碳材料在相对于Hg/Hg2SO4为-1.55V下产生小于25(mA/mg)/(V)。
实施方案12.如实施方案8所述的碳材料，其中当在包含硫酸的电解液存在下在包含铅并且使用铂对电极的基板上作为工作电极通过循环伏安法测试时，所述碳材料在相对于Hg/Hg2SO4为-1.55V下产生小于20(mA/mg)/(V)。
实施方案13.如实施方案8所述的碳材料，其中当在包含硫酸的电解液存在下在包含铅并且使用铂对电极的基板上作为工作电极通过循环伏安法测试时，所述碳材料在相对于Hg/Hg2SO4为-1.55V下产生小于10(mA/mg)/(V)。
实施方案14.如实施方案8所述的碳材料，其中当在包含硫酸的电解液存在下在包含铅并且使用铂对电极的基板上作为工作电极通过循环伏安法测试时，所述碳材料在相对于Hg/Hg2SO4为-1.55V下产生小于5(mA/mg)/(V)。
实施方案15.碳材料，当在包含硫酸的电解液存在下在包含铅并且使用铂对电极的基板上作为工作电极通过循环伏安法测试时，所述碳材料在相对于Hg/Hg2SO4为-1.52V下产生小于200(mA/mg)2/(V)。
实施方案16.如实施方案15所述的碳材料，其中当在包含硫酸的电解液存在下在包含铅并且使用铂对电极的基板上作为工作电极通过循环伏安法测试时，所述碳材料在相对于Hg/Hg2SO4为-1.52V下产生小于100(mA/mg)2/(V)。
实施方案17.如实施方案15所述的碳材料，其中当在包含硫酸的电解液存在下在包含铅并且使用铂对电极的基板上作为工作电极通过循环伏安法测试时，所述碳材料在相对于Hg/Hg2SO4为-1.52V下产生小于50(mA/mg)2/(V)。
实施方案18.如实施方案15所述的碳材料，其中当在包含硫酸的电解液存在下在包含铅并且使用铂对电极的基板上作为工作电极通过循环伏安法测试时，所述碳材料在相对于Hg/Hg2SO4为-1.52V下产生小于40(mA/mg)2/(V)。
实施方案19.如实施方案15所述的碳材料，其中当在包含硫酸的电解液存在下在包含铅并且使用铂对电极的基板上作为工作电极通过循环伏安法测试时，所述碳材料在相对于Hg/Hg2SO4为-1.52V下产生小于20(mA/mg)2/(V)。
实施方案20.如实施方案15所述的碳材料，其中当在包含硫酸的电解液存在下在包含铅并且使用铂对电极的基板上作为工作电极通过循环伏安法测试时，所述碳材料在相对于Hg/Hg2SO4为-1.52V下产生小于10(mA/mg)2/(V)。
实施方案21.如实施方案15所述的碳材料，其中当在包含硫酸的电解液存在下在包含铅并且使用铂对电极的基板上作为工作电极通过循环伏安法测试时，所述碳材料在相对于Hg/Hg2SO4为-1.52V下产生小于5(mA/mg)2/(V)。
实施方案22.碳材料，当在包含硫酸的电解液存在下在包含铅并且使用铂对电极的基板上作为工作电极通过循环伏安法测试时，所述碳材料产生小于5:1的(在相对于Hg/Hg2SO4为-1.6V下的mA/mg电流):(在相对于Hg/Hg2SO4为1.2V下的mA/mg电流)。
实施方案23.如实施方案22所述的碳材料，其中当在包含硫酸的电解液存在下在包含铅并且使用铂对电极的基板上作为工作电极通过循环伏安法测试时，所述碳材料产生小于4:1的(在相对于Hg/Hg2SO4为-1.6V下的mA/mg电流):(在相对于Hg/Hg2SO4为1.2V下的mA/mg电流)。
实施方案24.如实施方案22所述的碳材料，其中当在包含硫酸的电解液存在下在包含铅并且使用铂对电极的基板上作为工作电极通过循环伏安法测试时，所述碳材料产生小于3:1的(在相对于Hg/Hg2SO4为-1.6V下的mA/mg电流):(在相对于Hg/Hg2SO4为1.2V下的mA/mg电流)。
实施方案25.如实施方案22所述的碳材料，其中当在包含硫酸的电解液存在下在包含铅并且使用铂对电极的基板上作为工作电极通过循环伏安法测试时，所述碳材料产生小于2:1的(在相对于Hg/Hg2SO4为-1.6V下的mA/mg电流):(在相对于Hg/Hg2SO4为1.2V下的mA/mg电流)。
实施方案26.碳材料，当在包含硫酸的电解液存在下在包含铅并且使用铂对电极的基板上作为工作电极通过循环伏安法测试时，所述碳材料产生0.75:1至1.25:1的(在相对于Hg/Hg2SO4为-1.4V下的mA/mg电流):(在相对于Hg/Hg2SO4为1.2V下的mA/mg电流)。
实施方案27.如实施方案26所述的碳材料，其中当在包含硫酸的电解液存在下在包含铅并且使用铂对电极的基板上作为工作电极通过循环伏安法测试时，所述碳材料产生0.85:1至1.15:1的(在相对于Hg/Hg2SO4为-1.4V下的mA/mg电流):(在相对于Hg/Hg2SO4为1.2V下的mA/mg电流)。
实施方案28.如实施方案26所述的碳材料，其中当在包含硫酸的电解液存在下在包含铅并且使用铂对电极的基板上作为工作电极通过循环伏安法测试时，所述碳材料产生0.9:1至1.1:1的(在相对于Hg/Hg2SO4为-1.4V下的mA/mg电流):(在相对于Hg/Hg2SO4为1.2V下的mA/mg电流)。
实施方案29.如实施方案1至28中任一项所述的碳材料，包含至少15重量％的氮。
实施方案30.如实施方案1至29中任一项所述的碳材料，包含至少300m2/g的BET比表面积。
实施方案31.碳材料，包含至少15重量％的氮和至少300m2/g的BET比表面积。
实施方案32.如实施方案29至31中任一项所述的碳材料，包含15重量％至30重量％的氮。
实施方案33.如实施方案29至31中任一项所述的碳材料，包含多至20重量％的氮。
实施方案34.如实施方案29至31中任一项所述的碳材料，包含多至20重量％至25重量％的氮。
实施方案35.如实施方案1至34中任一项所述的碳材料，包含小于500PPM的总杂质。
实施方案36.如实施方案35所述的碳材料，其中所述杂质是原子序数大于10的元素。
实施方案37.如实施方案35或36中任一项所述的碳材料，其中铁的水平为小于30ppm的铁，铜的水平为小于30ppm，小于20ppm的镍，小于20ppm的锰和小于10ppm的氯。
实施方案38.如实施方案1至37中任一项所述的碳材料，其中属于小于20埃的孔的所述碳材料的总表面积为20％至60％。
实施方案39.如实施方案1至37中任一项所述的碳材料，其中属于小于20埃的孔的所述碳材料的总表面积为40％至60％。
实施方案40.如实施方案1至37中任一项所述的碳材料，其中属于大于20埃的孔的所述碳材料的总表面积为60％至99％。
实施方案41.如实施方案1至37中任一项所述的碳材料，其中属于小于20埃的孔的所述碳材料的总表面积为80％至95％。
实施方案42.如实施方案1至41中任一项所述的碳材料，其中所述碳的灰分含量小于0.03％。
实施方案43.如实施方案1至41中任一项所述的碳材料，其中所述碳的灰分含量小于0.01％。
实施方案44.如实施方案1至43中任一项所述的碳材料，其中所述碳材料包含热解聚合物冷冻凝胶。
实施方案45.如实施方案1至43中任一项所述的碳材料，其中所述碳材料包含热解且活化的聚合物冷冻凝胶。
实施方案46.如实施方案1至43中任一项所述的碳材料，其中所述碳材料包含热解聚合物。
实施方案47.如实施方案1至43中任一项所述的碳材料，其中所述碳材料包含热解且活化的聚合物。
实施方案48.如实施方案1至47中任一项所述的碳材料，其中所述碳材料包含至少1000m2/g的BET比表面积。
实施方案49.如实施方案48所述的碳材料，其中所述碳材料包含至少1500m2/g的BET比表面积。
实施方案50.如实施方案1至49中任一项所述的碳材料，其中所述碳材料包含0.1cc/g至0.3cc/g的总孔体积。
实施方案51.如实施方案1至49中任一项所述的碳材料，其中所述碳材料包含0.3cc/g至0.5cc/g的总孔体积。
实施方案52.如实施方案1至49中任一项所述的碳材料，其中所述碳材料包含0.5cc/g至0.7cc/g的总孔体积。
实施方案53.如实施方案1至49中任一项所述的碳材料，其中所述碳材料包含0.7cc/g至1.0cc/g的总孔体积。
实施方案54.如实施方案1至53中任一项所述的碳材料，其中所述碳材料包含所述碳材料中每cc孔体积大于0.6g H2O的吸水率。
实施方案55.如实施方案1至53中任一项所述的碳材料，其中所述碳材料包含所述碳材料中每cc孔体积大于1.0g H2O的吸水率。
实施方案56.如实施方案1至53中任一项所述的碳材料，其中所述碳材料包含所述碳材料中每cc孔体积大于2.0g H2O的吸水率。
实施方案57.如实施方案1至56中任一项所述的碳材料，其中所述碳材料包含在约10％至100％的相对湿度下的0.4cc/g至1.4cc/g的孔体积和0.2或更小的R因子。
实施方案58.如实施方案57所述的碳材料，其中所述碳材料包含0.6或更小的R因子。
实施方案59.如实施方案57或58中任一项所述的碳材料，其中所述碳材料包含0.6cc/g至1.2cc/g的孔体积。
实施方案60.如实施方案1至59中任一项所述的碳材料，其中所述碳材料具有小于7.5的pH。
实施方案61.如实施方案1至59中任一项所述的碳材料，其中所述碳材料具有pH3.0至pH 7.5的pH。
实施方案62.如实施方案1至59中任一项所述的碳材料，其中所述碳材料具有pH5.0至pH 7.0的pH。
实施方案63.如实施方案1至62中任一项所述的碳材料，包含1.0um至10.0um的Dv,50。
实施方案64.如实施方案1至62中任一项所述的碳材料，包含10.0um至20.0um的Dv,50。
实施方案65.如实施方案1至62中任一项所述的碳材料，包含20.0um至50.0um的Dv,50。
实施方案66.如实施方案1至62中任一项所述的碳材料，包含40.0um至80.0um的Dv,50。
实施方案67.如实施方案1至66中任一项所述的碳材料，其中所述碳材料包含大于85％的微孔，小于15％的中孔和小于1％的大孔。
实施方案68.如实施方案1至66中任一项所述的碳材料，其中所述碳材料包含小于50％的微孔，大于50％的中孔和小于0.1％的大孔。
实施方案69.如实施方案1至66中任一项所述的碳材料，其中所述碳材料包含小于30％的微孔和大于70％的中孔。
实施方案70.电能储存装置，包含实施方案1至69中任一项所述的碳材料。
实施方案71.如实施方案70所述的装置，其中所述装置是电池，其包括：
a)至少一个正极，其包含与第一集电器电接触的第一活性材料；
b)至少一个负极，其包含与第二集电器电接触的第二活性材料；和
c)电解液；
其中所述正极和所述负极通过惰性多孔隔板分隔，并且其中所述第一活性材料或第二活性材料中的至少一种包含实施方案1至69中任一项所述的碳材料。
实施方案72.如实施方案71所述的装置，其中所述碳材料占所述负极的0.1％至2％。
实施方案73.如实施方案71所述的装置，其中所述碳材料占所述负极的0.2％至1％。
实施方案74.如实施方案71所述的装置，其中所述碳材料占所述负极的0.3％至0.7％。
实施方案75.如实施方案71至72中任一项所述的装置，其中所述电解液包含硫酸和水。
实施方案76.如实施方案71至74中任一项所述的装置，其中所述电解液包含硅胶。
实施方案77.如实施方案71至76中任一项所述的装置，其中至少一个电极还包含膨胀剂。
实施方案78.如实施方案1至69中任一项所述的碳材料在电能储存装置中的用途。
实施方案79.如实施方案78所述的用途，其中所述电能储存装置是电池。
实施方案80.如实施方案78或79所述的用途或如实施方案70至78中任一项所述的装置，其中所述电能储存装置处于微混合动力，起动-停止混合动力，轻度混合动力车辆，具有电涡轮增压的车辆，具有再生制动的车辆，混合动力车辆，电动车辆，工业动力例如叉车，电动自行车，高尔夫球车，航空航天应用，电力储存和配电网，太阳能或风力发电系统，电力备用系统例如用于便携式军事备用设备、医院或军事基础设施的紧急备用设备，以及制造备用设备或蜂窝塔式电力系统中。
实施方案81.包含实施方案1至69中任一项所述的碳材料的装置用于储存和分配电能的用途。
实施方案82.如实施方案81所述的用途，其中所述装置是电池。
实施方案83.如实施方案81或82中任一项所述的用途，其中所述装置处于微混合动力，起动-停止混合动力，轻度混合动力车辆，具有电涡轮增压的车辆，具有再生制动的车辆，混合动力车辆，电动车辆，工业动力例如叉车，电动自行车，高尔夫球车，航空航天应用，电力储存和配电网，太阳能或风力发电系统，电力备用系统如用于便携式军事备用设备、医院或军事基础设施的紧急备用设备，以及制造备用设备或蜂窝塔式电力系统中。
可将以上所述各种实施方案组合以提供进一步的实施方案。在本说明书中提及和/或在申请数据表中列出的所有美国专利、美国专利申请公开、美国专利申请、外国专利、外国专利申请和非专利公开，包括第62/242,181号美国临时申请，都通过引用整体并入本文。如果需要采用各种专利、申请和公开的概念来提供另外的实施方案，则可以修改实施方案的各方面。根据以上详细描述，可以对这些实施方案进行这些和其他改变。通常，在以下权利要求中，所使用的术语不应被解释为将权利要求限制为说明书和权利要求中所公开的具体实施方案，而应被解释为包括所有可能的实施方案以及这些权利要求所授权的等同物的全部范围。因此，权利要求不受本公开内容的限制。

Claims (83)

1.碳材料，当在包含硫酸的电解液存在下在包含铅并且使用铂对电极的基板上作为工作电极通过循环伏安法测试时，所述碳材料形成在相对于Hg/Hg2SO4为-1.6V下小于绝对值10mA/mg的电流。
2.如权利要求1所述的碳材料，当在包含硫酸的电解液存在下在包含铅并且使用铂对电极的基板上作为工作电极通过循环伏安法测试时，所述碳材料形成在相对于Hg/Hg2SO4为-1.6V下小于绝对值5mA/mg的电流。
3.如权利要求1所述的碳材料，当在包含硫酸的电解液存在下在包含铅并且使用铂对电极的基板上作为工作电极通过循环伏安法测试时，所述碳材料形成在相对于Hg/Hg2SO4为-1.6V下小于绝对值3mA/mg的电流。
4.如权利要求1所述的碳材料，当在包含硫酸的电解液存在下在包含铅并且使用铂对电极的基板上作为工作电极通过循环伏安法测试时，所述碳材料形成在相对于Hg/Hg2SO4为-1.6V下小于绝对值2.5mA/mg的电流。
5.如权利要求1所述的碳材料，当在包含硫酸的电解液存在下在包含铅并且使用铂对电极的基板上作为工作电极通过循环伏安法测试时，所述碳材料形成在相对于Hg/Hg2SO4为-1.6V下小于绝对值2mA/mg的电流。
6.如权利要求1所述的碳材料，当在包含硫酸的电解液存在下在包含铅并且使用铂对电极的基板上作为工作电极通过循环伏安法测试时，所述碳材料形成在相对于Hg/Hg2SO4为-1.6V下小于绝对值1.5mA/mg的电流。
7.如权利要求1所述的碳材料，当在包含硫酸的电解液存在下在包含铅并且使用铂对电极的基板上作为工作电极通过循环伏安法测试时，所述碳材料形成在相对于Hg/Hg2SO4为-1.6V下小于绝对值1.0mA/mg的电流。
8.碳材料，当在包含硫酸的电解液存在下在包含铅并且使用铂对电极的基板上作为工作电极通过循环伏安法测试时，所述碳材料在相对于Hg/Hg2SO4为-1.55V下产生小于100(mA/mg)/(V)。
9.如权利要求8所述的碳材料，其中当在包含硫酸的电解液存在下在包含铅并且使用铂对电极的基板上作为工作电极通过循环伏安法测试时，所述碳材料在相对于Hg/Hg2SO4为-1.55V下产生小于50(mA/mg)/(V)。
10.如权利要求8所述的碳材料，其中当在包含硫酸的电解液存在下在包含铅并且使用铂对电极的基板上作为工作电极通过循环伏安法测试时，所述碳材料在相对于Hg/Hg2SO4为-1.55V下产生小于30(mA/mg)/(V)。
11.如权利要求8所述的碳材料，其中当在包含硫酸的电解液存在下在包含铅并且使用铂对电极的基板上作为工作电极通过循环伏安法测试时，所述碳材料在相对于Hg/Hg2SO4为-1.55V下产生小于25(mA/mg)/(V)。
12.如权利要求8所述的碳材料，其中当在包含硫酸的电解液存在下在包含铅并且使用铂对电极的基板上作为工作电极通过循环伏安法测试时，所述碳材料在相对于Hg/Hg2SO4为-1.55V下产生小于20(mA/mg)/(V)。
13.如权利要求8所述的碳材料，其中当在包含硫酸的电解液存在下在包含铅并且使用铂对电极的基板上作为工作电极通过循环伏安法测试时，所述碳材料在相对于Hg/Hg2SO4为-1.55V下产生小于10(mA/mg)/(V)。
14.如权利要求8所述的碳材料，其中当在包含硫酸的电解液存在下在包含铅并且使用铂对电极的基板上作为工作电极通过循环伏安法测试时，所述碳材料在相对于Hg/Hg2SO4为-1.55V下产生小于5(mA/mg)/(V)。
15.碳材料，当在包含硫酸的电解液存在下在包含铅并且使用铂对电极的基板上作为工作电极通过循环伏安法测试时，所述碳材料在相对于Hg/Hg2SO4为-1.52V下产生小于200(mA/mg)2/(V)。
16.如权利要求15所述的碳材料，其中当在包含硫酸的电解液存在下在包含铅并且使用铂对电极的基板上作为工作电极通过循环伏安法测试时，所述碳材料在相对于Hg/Hg2SO4为-1.52V下产生小于100(mA/mg)2/(V)。
17.如权利要求15所述的碳材料，其中当在包含硫酸的电解液存在下在包含铅并且使用铂对电极的基板上作为工作电极通过循环伏安法测试时，所述碳材料在相对于Hg/Hg2SO4为-1.52V下产生小于50(mA/mg)2/(V)。
18.如权利要求15所述的碳材料，其中当在包含硫酸的电解液存在下在包含铅并且使用铂对电极的基板上作为工作电极通过循环伏安法测试时，所述碳材料在相对于Hg/Hg2SO4为-1.52V下产生小于40(mA/mg)2/(V)。
19.如权利要求15所述的碳材料，其中当在包含硫酸的电解液存在下在包含铅并且使用铂对电极的基板上作为工作电极通过循环伏安法测试时，所述碳材料在相对于Hg/Hg2SO4为-1.52V下产生小于20(mA/mg)2/(V)。
20.如权利要求15所述的碳材料，其中当在包含硫酸的电解液存在下在包含铅并且使用铂对电极的基板上作为工作电极通过循环伏安法测试时，所述碳材料在相对于Hg/Hg2SO4为-1.52V下产生小于10(mA/mg)2/(V)。
21.如权利要求15所述的碳材料，其中当在包含硫酸的电解液存在下在包含铅并且使用铂对电极的基板上作为工作电极通过循环伏安法测试时，所述碳材料在相对于Hg/Hg2SO4为-1.52V下产生小于5(mA/mg)2/(V)。
22.碳材料，当在包含硫酸的电解液存在下在包含铅并且使用铂对电极的基板上作为工作电极通过循环伏安法测试时，所述碳材料产生小于5:1的(在相对于Hg/Hg2SO4为-1.6V下的mA/mg电流):(在相对于Hg/Hg2SO4为1.2V下的mA/mg电流)。
23.如权利要求22所述的碳材料，其中当在包含硫酸的电解液存在下在包含铅并且使用铂对电极的基板上作为工作电极通过循环伏安法测试时，所述碳材料产生小于4:1的(在相对于Hg/Hg2SO4为-1.6V下的mA/mg电流):(在相对于Hg/Hg2SO4为1.2V下的mA/mg电流)。
24.如权利要求22所述的碳材料，其中当在包含硫酸的电解液存在下在包含铅并且使用铂对电极的基板上作为工作电极通过循环伏安法测试时，所述碳材料产生小于3:1的(在相对于Hg/Hg2SO4为-1.6V下的mA/mg电流):(在相对于Hg/Hg2SO4为1.2V下的mA/mg电流)。
25.如权利要求22所述的碳材料，其中当在包含硫酸的电解液存在下在包含铅并且使用铂对电极的基板上作为工作电极通过循环伏安法测试时，所述碳材料产生小于2:1的(在相对于Hg/Hg2SO4为-1.6V下的mA/mg电流):(在相对于Hg/Hg2SO4为1.2V下的mA/mg电流)。
26.碳材料，当在包含硫酸的电解液存在下在包含铅并且使用铂对电极的基板上作为工作电极通过循环伏安法测试时，所述碳材料产生0.75:1至1.25:1的(在相对于Hg/Hg2SO4为-1.4V下的mA/mg电流):(在相对于Hg/Hg2SO4为1.2V下的mA/mg电流)。
27.如权利要求26所述的碳材料，其中当在包含硫酸的电解液存在下在包含铅并且使用铂对电极的基板上作为工作电极通过循环伏安法测试时，所述碳材料产生0.85:1至1.15:1的(在相对于Hg/Hg2SO4为-1.4V下的mA/mg电流):(在相对于Hg/Hg2SO4为1.2V下的mA/mg电流)。
28.如权利要求26所述的碳材料，其中当在包含硫酸的电解液存在下在包含铅并且使用铂对电极的基板上作为工作电极通过循环伏安法测试时，所述碳材料产生0.9:1至1.1:1的(在相对于Hg/Hg2SO4为-1.4V下的mA/mg电流):(在相对于Hg/Hg2SO4为1.2V下的mA/mg电流)。
29.如权利要求1至28中任一项所述的碳材料，包含至少15重量％的氮。
30.如权利要求1至29中任一项所述的碳材料，包含至少300m2/g的BET比表面积。
31.碳材料，包含至少15重量％的氮和至少300m2/g的BET比表面积。
32.如权利要求29至31中任一项所述的碳材料，包含15重量％至30重量％的氮。
33.如权利要求29至31中任一项所述的碳材料，包含多至20重量％的氮。
34.如权利要求29至31中任一项所述的碳材料，包含多至20重量％至25重量％的氮。
35.如权利要求1至34中任一项所述的碳材料，包含小于500PPM的总杂质。
36.如权利要求35所述的碳材料，其中所述杂质是原子序数大于10的元素。
37.如权利要求35或36中任一项所述的碳材料，其中铁的水平为小于30ppm的铁，铜的水平为小于30ppm，小于20ppm的镍，小于20ppm的锰和小于10ppm的氯。
38.如权利要求1至37中任一项所述的碳材料，其中属于小于20埃的孔的所述碳材料的总表面积为20％至60％。
39.如权利要求1至37中任一项所述的碳材料，其中属于小于20埃的孔的所述碳材料的总表面积为40％至60％。
40.如权利要求1至37中任一项所述的碳材料，其中属于大于20埃的孔的所述碳材料的总表面积为60％至99％。
41.如权利要求1至37中任一项所述的碳材料，其中属于小于20埃的孔的所述碳材料的总表面积为80％至95％。
42.如权利要求1至41中任一项所述的碳材料，其中所述碳的灰分含量小于0.03％。
43.如权利要求1至41中任一项所述的碳材料，其中所述碳的灰分含量小于0.01％。
44.如权利要求1至43中任一项所述的碳材料，其中所述碳材料包含热解聚合物冷冻凝胶。
45.如权利要求1至43中任一项所述的碳材料，其中所述碳材料包含热解且活化的聚合物冷冻凝胶。
46.如权利要求1至43中任一项所述的碳材料，其中所述碳材料包含热解聚合物。
47.如权利要求1至43中任一项所述的碳材料，其中所述碳材料包含热解且活化的聚合物。
48.如权利要求1至47中任一项所述的碳材料，其中所述碳材料包含至少1000m2/g的BET比表面积。
49.如权利要求48所述的碳材料，其中所述碳材料包含至少1500m2/g的BET比表面积。
50.如权利要求1至49中任一项所述的碳材料，其中所述碳材料包含0.1cc/g至0.3cc/g的总孔体积。
51.如权利要求1至49中任一项所述的碳材料，其中所述碳材料包含0.3cc/g至0.5cc/g的总孔体积。
52.如权利要求1至49中任一项所述的碳材料，其中所述碳材料包含0.5cc/g至0.7cc/g的总孔体积。
53.如权利要求1至49中任一项所述的碳材料，其中所述碳材料包含0.7cc/g至1.0cc/g的总孔体积。
54.如权利要求1至53中任一项所述的碳材料，其中所述碳材料包含所述碳材料中每cc孔体积大于0.6g H2O的吸水率。
55.如权利要求1至53中任一项所述的碳材料，其中所述碳材料包含所述碳材料中每cc孔体积大于1.0g H2O的吸水率。
56.如权利要求1至53中任一项所述的碳材料，其中所述碳材料包含所述碳材料中每cc孔体积大于2.0g H2O的吸水率。
57.如权利要求1至56中任一项所述的碳材料，其中所述碳材料包含在约10％至100％的相对湿度下的0.4cc/g至1.4cc/g的孔体积和0.2或更小的R因子。
58.如权利要求57所述的碳材料，其中所述碳材料包含0.6或更小的R因子。
59.如权利要求57或58中任一项所述的碳材料，其中所述碳材料包含0.6cc/g至1.2cc/g的孔体积。
60.如权利要求1至59中任一项所述的碳材料，其中所述碳材料具有小于7.5的pH。
61.如权利要求1至59中任一项所述的碳材料，其中所述碳材料具有pH 3.0至pH 7.5的pH。
62.如权利要求1至59中任一项所述的碳材料，其中所述碳材料具有pH 5.0至pH 7.0的pH。
63.如权利要求1至62中任一项所述的碳材料，包含1.0um至10.0um的Dv,50。
64.如权利要求1至62中任一项所述的碳材料，包含10.0um至20.0um的Dv,50。
65.如权利要求1至62中任一项所述的碳材料，包含20.0um至50.0um的Dv,50。
66.如权利要求1至62中任一项所述的碳材料，包含40.0um至80.0um的Dv,50。
67.如权利要求1至66中任一项所述的碳材料，其中所述碳材料包含大于85％的微孔，小于15％的中孔和小于1％的大孔。
68.如权利要求1至66中任一项所述的碳材料，其中所述碳材料包含小于50％的微孔，大于50％的中孔和小于0.1％的大孔。
69.如权利要求1至66中任一项所述的碳材料，其中所述碳材料包含小于30％的微孔和大于70％的中孔。
70.电能储存装置，包含权利要求1至69中任一项所述的碳材料。
71.如权利要求70所述的装置，其中所述装置是电池，其包括：
a)至少一个正极，其包含与第一集电器电接触的第一活性材料；
b)至少一个负极，其包含与第二集电器电接触的第二活性材料；和
c)电解液；
其中所述正极和所述负极通过惰性多孔隔板分隔，并且其中所述第一活性材料或第二活性材料中的至少一种包含权利要求1至69中任一项所述的碳材料。
72.如权利要求71所述的装置，其中所述碳材料占所述负极的0.1％至2％。
73.如权利要求71所述的装置，其中所述碳材料占所述负极的0.2％至1％。
74.如权利要求71所述的装置，其中所述碳材料占所述负极的0.3％至0.7％。
75.如权利要求71至72中任一项所述的装置，其中所述电解液包含硫酸和水。
76.如权利要求71至74中任一项所述的装置，其中所述电解液包含硅胶。
77.如权利要求71至76中任一项所述的装置，其中至少一个电极还包含膨胀剂。
78.权利要求1至69中任一项所述的碳材料在电能储存装置中的用途。
79.如权利要求78所述的用途，其中所述电能储存装置是电池。
80.如权利要求78或79所述的用途或如权利要求70至78中任一项所述的装置，其中所述电能储存装置处于微混合动力，起动-停止混合动力，轻度混合动力车辆，具有电涡轮增压的车辆，具有再生制动的车辆，混合动力车辆，电动车辆，工业动力例如叉车，电动自行车，高尔夫球车，航空航天应用，电力储存和配电网，太阳能或风力发电系统，电力备用系统例如用于便携式军事备用设备、医院或军事基础设施的紧急备用设备，以及制造备用设备或蜂窝塔式电力系统中。
81.包含权利要求1至69中任一项所述的碳材料的装置用于储存和分配电能的用途。
82.如权利要求81所述的用途，其中所述装置是电池。
83.如权利要求81或82中任一项所述的用途，其中所述装置处于微混合动力，起动-停止混合动力，轻度混合动力车辆，具有电涡轮增压的车辆，具有再生制动的车辆，混合动力车辆，电动车辆，工业动力例如叉车，电动自行车，高尔夫球车，航空航天应用，电力储存和配电网，太阳能或风力发电系统，电力备用系统如用于便携式军事备用设备、医院或军事基础设施的紧急备用设备，以及制造备用或蜂窝塔式电力系统中。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111082001A (zh) * 2019-11-29 2020-04-28 吉林省凯禹电化学储能技术发展有限公司 一种用于铅炭电池负极的多孔氧化铅-碳复合材料及其制备方法
CN113937370A (zh) * 2021-10-18 2022-01-14 雅迪科技集团有限公司 一种自动补水型铅酸电池及其制备方法

Families Citing this family (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2100317B1 (en) 2006-11-15 2016-01-27 Energ2, Inc. Electric double layer capacitance device
US20120262127A1 (en) 2011-04-15 2012-10-18 Energ2 Technologies, Inc. Flow ultracapacitor
EP2715840B1 (en) 2011-06-03 2015-05-27 Basf Se Carbon-lead blends for use in hybrid energy storage devices
US9409777B2 (en) 2012-02-09 2016-08-09 Basf Se Preparation of polymeric resins and carbon materials
WO2014143213A1 (en) 2013-03-14 2014-09-18 Energ2 Technologies, Inc. Composite carbon materials comprising lithium alloying electrochemical modifiers
US10195583B2 (en) 2013-11-05 2019-02-05 Group 14 Technologies, Inc. Carbon-based compositions with highly efficient volumetric gas sorption
JP6665121B2 (ja) 2014-03-14 2020-03-13 グループ１４・テクノロジーズ・インコーポレイテッドＧｒｏｕｐ１４ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ， Ｉｎｃ． 無溶媒中におけるゾル−ゲル重合のための新規方法、及びゾル−ゲル重合由来の可変炭素構造の作製
WO2017031006A1 (en) 2015-08-14 2017-02-23 Energ2 Technologies, Inc. Composites of porous nano-featured silicon materials and carbon materials
JP7115976B2 (ja) 2015-08-28 2022-08-09 グループ１４・テクノロジーズ・インコーポレイテッド リチウムの非常に耐久性のある挿入を有する新規な材料およびその製造方法
JP7376360B2 (ja) 2017-03-09 2023-11-08 グループ１４・テクノロジーズ・インコーポレイテッド 多孔質足場材料の上のケイ素含有前駆体の分解
FR3071361B1 (fr) * 2017-09-15 2019-09-13 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Procede de fabrication d'une electrode pour accumulateur lithium-soufre utilisant du li2s comme materiau actif
JP2020536830A (ja) * 2017-09-20 2020-12-17 エナジーツー・テクノロジーズ・インコーポレイテッドＥｎｅｒｇ２ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ， Ｉｎｃ． 炭素水和物材料
CA3089585A1 (en) 2018-01-24 2019-08-01 Energ2 Technologies, Inc. Methods for preparing carbon materials
KR102527676B1 (ko) 2018-07-13 2023-05-03 삼성전자주식회사 위상 고정 루프 회로
US20200144619A1 (en) 2018-09-05 2020-05-07 Basf Se Carbon materials for improving performance of lead acid batteries
CN111668456B (zh) * 2020-05-12 2021-05-25 吉林省凯禹电化学储能技术发展有限公司 一种外敷式铅炭启停电池负极板及其制备方法和电池
US11174167B1 (en) 2020-08-18 2021-11-16 Group14 Technologies, Inc. Silicon carbon composites comprising ultra low Z
US11335903B2 (en) 2020-08-18 2022-05-17 Group14 Technologies, Inc. Highly efficient manufacturing of silicon-carbon composites materials comprising ultra low z
US11639292B2 (en) 2020-08-18 2023-05-02 Group14 Technologies, Inc. Particulate composite materials
WO2022168987A1 (ja) * 2021-02-08 2022-08-11 積水化学工業株式会社 材料、材料の製造方法及び機能性材料

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103282984A (zh) * 2010-11-26 2013-09-04 巴斯夫欧洲公司 制备含氮的多孔碳质材料的方法
CN103947017A (zh) * 2011-06-03 2014-07-23 艾纳G2技术公司 用于混合能量存储装置中的碳-铅共混物
CN104108698A (zh) * 2014-07-30 2014-10-22 兰州理工大学 高掺杂量氮硫共掺杂有序介孔碳的制备方法
CN104114650A (zh) * 2011-12-22 2014-10-22 卡博特公司 炭黑以及在铅酸电池用电极中的用途

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6443490B2 (en) 1998-06-12 2002-09-03 William E. Webb Dual mode stabilizer for backhoe loaders and backhoe attachments
KR102048196B1 (ko) * 2010-12-28 2019-11-25 바스프 에스이 향상된 전기화학적 특성을 포함하는 탄소 물질

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103282984A (zh) * 2010-11-26 2013-09-04 巴斯夫欧洲公司 制备含氮的多孔碳质材料的方法
CN103947017A (zh) * 2011-06-03 2014-07-23 艾纳G2技术公司 用于混合能量存储装置中的碳-铅共混物
CN104114650A (zh) * 2011-12-22 2014-10-22 卡博特公司 炭黑以及在铅酸电池用电极中的用途
CN104108698A (zh) * 2014-07-30 2014-10-22 兰州理工大学 高掺杂量氮硫共掺杂有序介孔碳的制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
BO HONG 等: "Hydrogen evolution inhibition with diethylenetriamine modification of activated carbon for a lead-acid battery", 《RSC ADVANCES》 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111082001A (zh) * 2019-11-29 2020-04-28 吉林省凯禹电化学储能技术发展有限公司 一种用于铅炭电池负极的多孔氧化铅-碳复合材料及其制备方法
CN111082001B (zh) * 2019-11-29 2023-03-21 吉林省凯禹电化学储能技术发展有限公司 一种用于铅炭电池负极的多孔氧化铅-碳复合材料及其制备方法
CN113937370A (zh) * 2021-10-18 2022-01-14 雅迪科技集团有限公司 一种自动补水型铅酸电池及其制备方法
CN113937370B (zh) * 2021-10-18 2023-11-03 雅迪科技集团有限公司 一种自动补水型铅酸电池及其制备方法

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