CN111133545A - 水合碳材料粉末及其用于制备电存储装置的电极的用途 - Google Patents

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Abstract

本申请通常涉及包含碳材料和水的水合碳材料粉末以及含有水合碳材料粉末的装置。发现了所述水合碳材料粉末在任何数量的装置中的效用，例如在双电层电容装置和电池中。还公开了用于制备所述水合碳材料粉末的方法和所述水合碳材料粉末的用途。

Description

水合碳材料粉末及其用于制备电存储装置的电极的用途
背景
技术领域
本发明的实施方案通常涉及水合碳材料粉末以及含有水合碳材料粉末的装置和与其相关的方法。
相关技术的描述
含有活化的碳、硅、硫、锂及其组合的装置在整个电力工业中无处不在。其中，活性碳颗粒在许多装置中具有特定用途，因为活性碳的高的表面积、导电率和孔隙率使得电力装置的设计具有比采用其它材料的装置更高的能量密度。
双电层电容器(EDLC)是含有活性碳颗粒的装置的实例。EDLC通常具有由活性碳材料和合适的电解质制备的电极，并且与更常用的电容器相比具有极高的能量密度。EDLC的典型用途包括在需要用于数据传输或峰值功率运行的功率短脉冲的装置中的能量存储和分配，所述装置例如无线调制解调器、移动电话、数码相机和其它手提电子装置。EDLC还通常用于诸如电动汽车、火车、公共汽车等的电动车辆中。
电池是另一种常用的能量存储和分配装置，其通常含有活性碳颗粒(例如，作为阳极材料、集电器或导电率增强器)。含碳的电池的实例包括将多孔碳用作用于空气电极的集电器的锂空气电池，以及通常在阳极或阴极中包含碳添加剂的铅酸电池。电池用于许多需要低电流密度电力(与EDLC的高电流密度相比)的电子装置中。
基于碳颗粒的材料的使用通常要求活性碳材料被水合或“润湿”。未充分水合的碳材料可以从周围的材料中渗出水，这可能导致损坏的组件和/或装置故障。例如，当在铅酸糊料中使用不适当的水合碳材料时，渗出导致干燥点，这可能损害最终固化和形成的板的完整性。
水合过程(例如，通过形成水性浆料)通常涉及在数小时的过程内将碳材料浸入过量的水中。必须对碳材料进行监测并且持续混合以确保均匀且完全的水合，这在时间、精力和设备方面均是资源密集型的。因为高的运输成本和处理难度，通过以水分散体(即预浸湿)制造和运输碳材料来节约时间是不切实际的。处理干燥碳材料也具有缺点，因为处理干燥碳材料可以释放潜在有害的微粒，该过程称为“起尘”。
因此，本领域对可以在制造过程中容易处理的水合碳材料粉末，以及制造所述水合碳材料粉末的方法和含有所述水合碳材料粉末的装置存在需求。本发明的实施方案满足了这些需求并且提供了其它相关的优点。
简述
一般而言，本发明的实施方案涉及包含碳材料和水的水合碳材料粉末。具体地，一个实施方案提供了包含具有孔体积的多孔碳材料和体积大于孔体积的水的水合碳材料粉末。
另一个实施方案提供了包含多孔碳材料和水的分离的固体组合物，其中所述组合物包含体积大于多孔碳材料的总孔体积的水。
另一个实施方案提供了用于制备水合碳材料粉末的方法，所述方法包括：
使具有孔体积的多孔碳材料与大于孔体积的第一体积的水接触，从而用水基本上填充孔体积；
去除第一体积的水的一部分；以及
以粉末形式分离水合碳材料，
其中水合碳材料粉末包含大于孔体积的第二体积的水。
另一个实施方案提供了用于制备用于铅酸电池的负活化材料的方法，所述方法包括将根据本文公开的实施方案的水合碳材料粉末或根据本文公开的实施方案的分离的固体组合物与铅、水和硫酸混合，从而形成糊料。
另一个实施方案提供了如本文公开的水合碳材料粉末或根据本文公开的实施方案的分离的固体组合物用于制备用于电存储装置(例如EDLC)的电极的用途。
参考以下详细描述，这些和其它方面将是显而易见的。
附图简述
在附图中，相同的参考数字标识相似的要素。附图中要素的尺寸和相对位置不必按比率绘制，并且这些要素中的一些被放大和定位以改善附图的可读性。此外，绘制的要素的具体形状并非旨在传达与具体要素的实际形状有关的任何信息，而仅被选择以易于在附图中识别。
图1A和图1B示出了用水合碳材料粉末和非水合碳材料粉末制备的负活化材料的容量没有可测量的差异。
图2示出了NAM 1和NAM 2的动力再充电时间，其中NAM2示出了极大降低的平均充电时间(降低43％)。
图3描绘了包括NAM 1和NAM 2的电池直至第1次故障的平均循环的改善，其中NAM2示出了直至故障循环数量改善了33％。
图4A和图4B例示了在处理期间用干燥碳3制备的浆料1未保持悬浮，而用干燥碳3制备的浆料2保持悬浮。
具体实施方式
在以下描述中，陈述了某些具体细节，以便提供对各种实施方案的透彻理解。然而，本领域技术人员应理解，本发明的实施方案可以在没有这些细节的情况下实践。在其它情况下，未示出或详细描述众所周知的结构，以避免不必要地模糊实施方案的描述。除非上下文另外要求，否则在整个说明书和随附的权利要求书中，词语“包含(comprise)”及其变体(例如“包含(comprises)”和“包含(comprising)”)应解释为开放式、包含性含义，即，解释为“包括，但不限于”。此外，本文提供的标题仅为了便利，并不解释所要求保护的发明的范围和含义。
整个本说明书对“一个实施方案”或“实施方案”的提及意指结合实施方案描述的特定特征、结构或特性包括在至少一个实施方案中。因此，在整个本说明书的多处中出现的短语“在一个实施方案中”或“在实施方案中”不必都是指相同的实施方案。此外，特定特征、结构或特性可以以任何适合的方式组合在一个或多个实施方案中。此外，如在本说明书和所附的权利要求书中使用，单数形式“一(a)”、“一(an)”和“所述(the)”包括复数指示物，除非内容另外明确说明。还应注意，术语“或”通常以其包含“和/或”的含义使用，除非内容另外明确说明。
在目前的描述中，任何浓度范围、百分比范围、比率范围或整数范围均应理解为包括在所述范围内的任何整数的值，以及在适当时包括其分数(例如整数的十分之一和百分之一)，除非另外说明。此外，本文陈述的与任何物理特征(例如亚单元、尺寸等)有关的任何数值范围应被理解为包括所述范围内的任何整数，除非另外说明。如本文所用，术语“约”和“大约”意指所示范围、值或结构的±20％、±10％、±5％或±1％，除非另外说明。
如本文使用，除非上下文另外说明，以下术语具有如以下规定的含义。
“碳材料”是指基本上由碳构成的材料或物质。碳材料的实例包括但不限于，活性碳、热解的干燥聚合物凝胶、热解的聚合物冻凝胶、热解的聚合物干凝胶、热解的聚合物气凝胶、活化的干燥聚合物凝胶、活化的聚合物冻凝胶、活化的聚合物干凝胶、活化的聚合物气凝胶等。
“无定形”是指诸如无定形碳材料的材料，其的组成原子、分子或离子在没有规则的重复模式下随机排列。无定形材料可以具有一些局部结晶性(即，规整度)，但缺乏原子位置的长程有序。热解和/或活化的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。
“粉末”是指含有相对自由流动且不溶解或悬浮在溶剂中的细小分散的固体颗粒的组合物。
“合成”是指通过化学方式制备而非来自天然来源的物质。例如，合成的碳材料是由前体材料合成而非从天然来源分离的碳材料。
“杂质”或“杂质元素”是指在材料内的外来物质(例如，化学元素)，其不同于基础材料的化学组成。例如，碳材料中的杂质是指存在于碳材料中的除了碳以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”是具有11至92的原子序数(即从钠到铀)的任何杂质元素。短语“总PIXE杂质含量”和“总PIXE杂质水平”二者是指在样品中存在的所有PIXE杂质的总和，所述样品例如聚合物凝胶或碳材料。PIXE杂质浓度和身份可以通过质子诱导X射线发射(PIXE)来测定。
纯度还可以使用总的X射线反射(TXRF)来测定。短语“总TXRF杂质含量”和“总TXRF杂质水平”二者是指在样品中存在的所有TXRF杂质的总和，所述样品例如聚合物凝胶或碳材料。
在一些实施方案中，“超纯”是指具有小于0.050％的总PIXE杂质含量的物质。例如，在一些实施方案中，“超纯碳材料”是具有小于0.050％(即，500ppm)的总PIXE杂质含量的碳材料。
在一些实施方案中，“超纯”是指具有小于0.050％的总TXRF杂质含量的物质。例如，在一些实施方案中，“超纯碳材料”是具有小于0.050％(即，500ppm)的总TXRF杂质含量的碳材料。
“灰分含量”是指在物质经过高分解温度之后残留的非挥发性无机物。在本文中，碳材料的灰分含量由通过质子诱导X射线发射测量的总PIXE杂质含量来计算，其假设非挥发性元素完全转化成预期的燃烧产物(即，氧化物)。
“酸”是指能够降低溶液的pH的任何物质。酸包括阿伦尼乌斯(Arrhenius)酸、布朗斯泰德
Figure BDA0002413670560000051
酸和路易斯(Lewis)酸。“固体酸”是指当溶解在溶剂中时产生酸性溶液的干燥或粒状化合物。术语“酸性”意指具有酸的性质。
“碱”是指能够升高溶液的pH的任何物质。碱包括阿伦尼乌斯碱、布朗斯泰德碱和路易斯碱。“固体碱”是指当溶解在溶剂中时产生碱性溶液的干燥或粒状化合物。术语“碱性”意指具有碱的性质。
“热解的干燥聚合物凝胶”是指已热解但未活化的干燥聚合物凝胶，而“活化的干燥聚合物凝胶”是指已经活化的干燥聚合物凝胶。
“冻凝胶”是指已经通过冷冻干燥进行干燥的干燥凝胶。
“热解的冻凝胶”为已热解但未活化的冻凝胶。
“活化的冻凝胶”为已被活化以获得活性碳材料的冻凝胶。
“干凝胶”是指例如在大气压或低于大气压下，已通过空气干燥进行干燥的干燥凝胶。
“热解的干凝胶”为已热解但未活化的干凝胶。
“活化的干凝胶”为已被活化以获得活性碳材料的干凝胶。
“气凝胶”是指例如使用超临界二氧化碳，已通过超临界干燥进行干燥的干燥凝胶。
“热解的气凝胶”为已热解但未活化的气凝胶。
“活化的气凝胶”为已被活化以获得活性碳材料的气凝胶。
“孔”是指表面中的开口或凹陷，或者碳颗粒中的通道，碳颗粒例如活性碳、热解的干燥聚合物凝胶、热解的聚合物冻凝胶、热解的聚合物干凝胶、热解的聚合物气凝胶、活化的干燥聚合物凝胶、活化的聚合物冻凝胶、活化的聚合物干凝胶、活化的聚合物气凝胶等。孔可以是单独的通道或是连接至其他通道形成贯穿结构的连续网络。
“孔结构”是指在诸如活性碳材料的碳材料内的内部孔的表面的布局。孔结构的构成包括孔径、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”通常是指具有约2纳米至约30纳米
Figure BDA0002413670560000061
的直径的孔，而术语“微孔”是指具有小于约2纳米
Figure BDA0002413670560000062
的直径的孔。“中孔”是指其中大于50％的孔体积是中孔的碳材料，而“微孔”是指其中大于50％的孔体积是微孔的碳材料。
“孔体积”是指每单位质量碳材料(例如，每克)被孔或空隙(empty space)占据的碳材料的体积。
“表面积”是指可通过BET技术测量的物质的总比表面积。表面积通常以m2/g的单位表示。BET(Brunauer/Emmett/Teller)技术采用诸如氮气的惰性气体以测量在材料上吸附的气体的量，并且通常在本领域中使用以测定材料的可及表面积。
碳材料的结构性质可以在17K下使用氮吸附来测量，这是本领域技术人员已知的方法。Micromeretics ASAP 2020可以用于进行详细的微孔和中孔分析。该系统产生在10- 7atm的压力下开始的氮等温线，其在1nm之下的范围内实现了高分辨率的孔径分布。软件产生的报告利用密度泛函理论(DFT)方法来计算诸如孔径分布、表面积分布、总表面积、总孔体积和一定孔径范围内的孔体积的性质。
“有效长度”是指具有足够直径使得其可用于从电解质接收盐离子的孔的部分的长度。
“电极”是指电进入或离开目标、物质或区域所通过的导体。
“粘合剂”是指能够将碳的单独颗粒保持在一起的材料，使得在将粘合剂和碳混合在一起之后，得到的混合物可以成形为片状、球状、盘状或其它形状。粘合剂的非排他性实例包括氟聚合物，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(聚乙烯氯三氟乙烯，以Halar销售)、PVDF(聚偏二氟乙烯，以Kynar销售)、PCTFE(聚氯三氟乙烯，以Kel-F和CTFE销售)、三氟乙醇及其组合。
“惰性”是指在电解质中不具有活性的材料，即，其不吸附大量的离子或化学改变(例如，降解)。
“导电性”是指材料通过传输松散保持的价电子来传导电子的能力。
“集电器”是指电能存储和/或分配装置的一部分，其提供电连接以促进电流流入或流出所述装置。集电器通常包含金属和/或其它导电材料，并且可以用作电极的衬垫以促进电流流入和流出电极。
“电解质”意指含有游离离子以使物质导电的物质。电解质的实例包括但不限于与溶质结合的溶剂，所述溶剂例如碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、碳酸丁烯酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯、环丁砜、甲基环丁砜、乙腈或其混合物，所述溶质例如四烷基铵盐，诸如TEA TFB(四氟硼酸四乙铵)、MTEATFB(四氟硼酸甲基三乙铵)、EMITFB(四氟硼酸1-乙基-3-甲基咪唑鎓)、四乙铵、基于三乙铵的盐或其混合物。在一些实施方案中，电解质可以为基于水的酸电解质或基于水的碱电解质，例如温和的硫酸水溶液或氢氧化钾水溶液。
1.水合碳材料粉末
一个实施方案提供了包含具有孔体积的多孔碳材料和体积大于孔体积的水的水合碳材料粉末。应理解，“粉末”是指相对自由流动的细小分散的固体颗粒，其不溶解或悬浮在溶剂或载体介质中(例如，分离的固体颗粒)。
一个具体实施方案提供了由具有孔体积的多孔碳材料和体积大于孔体积的水构成的水合碳材料粉末。在一些实施方案中，水合碳材料粉末是不溶解或悬浮在溶剂或载体介质中的粉末，但以不含其它添加剂的分离的固体颗粒的形式存在。即，在一些实施方案中，所述体积的水仅被多孔碳材料吸收。
在前述的某些相关实施方案中，水合碳材料粉末包括活性碳。在某些实施方案中，水合碳材料粉末包括结晶碳材料、无定形碳材料或其组合。在某些实施方案中，水合碳材料粉末包括合成碳材料。在一些实施方案中，水合碳材料粉末和/或多孔碳材料是超纯的。在一些实施方案中，水合碳材料粉末和/或多孔碳材料是热解的干燥聚合物凝胶，例如热解的聚合物冻凝胶、热解的聚合物干凝胶或热解的聚合物气凝胶。在其它实施方案中，碳材料被热解和活化(例如，合成的活性碳材料)。例如，在其它实施方案中，水合碳材料粉末和/或多孔碳材料是活化的干燥聚合物凝胶、活化的聚合物冻凝胶、活化的聚合物干凝胶或活化的聚合物气凝胶。
在一些实施方案中，碳材料的表面官能度可以由pH确定并且与pH相关。对于此类实施方案，碳的pH可以大于pH 6.0、大于pH 7.0、大于pH 8.0、大于pH 9.0、大于pH 10.0、大于pH 11.0。在某些实施方案中，碳材料的pH为pH 6.0至pH 11.0、pH 6.0至pH 10.0、pH 7.0至pH 9.0、pH 8.0至pH 10.0、pH 7.0至pH 9.0、pH 6.0至pH 7.0、pH 7.0至pH 8.0、或pH8.0至pH 9.0。在一些实施方案中，碳材料的pH 为8至9、7.5至9.5、7至10、6.5至8、6.5至8.5、6至10、6.5至7.5、6至9或5至10。在一些实施方案中，碳材料的pH为约8.5、约7.5、约7.0或约8.5。
在一些实施方案中，基于水合碳材料粉末的总重量，水合碳材料粉末的含水量大于1％w/w、大于5％w/w、大于7％w/w、大于10％w/w、大于12％w/w、大于15％w/w、大于17％w/w、大于20％w/w、大于22％w/w、大于25％w/w、大于30％w/w、大于32％w/w、大于35％w/w、大于37％w/w、大于40％w/w、大于42％w/w、大于45％w/w、大于47％w/w、大于50％w/w、大于52％w/w、大于55％w/w、大于57％w/w、大于60％w/w、大于62％w/w或大于65％w/w。在某些实施方案中，水合碳材料粉末的含水量多至约99％、约90％、约85％、约80％、约75％、约70％、约65％、约60％、约55％、约50％或约45％。
在某些实施方案中，基于水合碳材料粉末的总重量，水合碳材料粉末的含水量为30％至70％。在一些实施方案中，基于水合碳材料粉末的总重量，水合碳材料粉末的含水量为1％至99％、5％至90％、10％至87％、15％至85％、20％至85％、22％至80％、25％至77％、27％至75％或30％至72％。
在某些实施方案中，水的体积大于多孔碳材料的孔体积。在一些实施方案中，水的体积比孔体积大至少1％、至少2％、至少3％、至少4％、至少5％、至少6％、至少7％、至少8％、至少9％、至少10％、至少12％、至少15％、至少17％、至少20％、至少22％、至少25％、至少27％、至少30％、至少32％、至少35％、至少37％、至少40％、至少42％、至少45％、至少47％、至少50％或至少60％。在一些实施方案中，水的体积大于多孔碳材料的孔体积。在一些实施方案中，水的体积比孔体积大至少10％、至少20％、至少30％、至少40％、至少50％、至少60％、至少70％、至少80％、至少90％、至少100％、至少75％、至少125％、至少150％、至少175％或至少200％。
在一些实施方案中，水的体积比孔体积大10％至90％。在一些实施方案中，水的体积比孔体积大10％至75％。在一些实施方案中，水的体积比孔体积大10％至50％。在一些实施方案中，水的体积比孔体积大10％至50％。在更具体的实施方案中，水的体积比孔体积大20％至30％。在更具体的实施方案中，水的体积比孔体积大40％至50％。在一些实施方案中，水的体积比孔体积大10％至70％、10％至65％、10％至60％、12％至57％、15％至55％、17％至52％、20％至50％、22％至50％、25％至50％、27％至50％、30％至50％、32％至50％、35％至50％或37％至55％。
在一些具体实施方案中，水的体积比孔体积大30％至50％、35％至45％或37％至42％。例如，在一个具体实施方案中，水的体积比孔体积大约40％。在一些实施方案中，水的体积比孔体积大约60％、约70％、约80％或约90％(例如，如由等式1计算)。
在一些具体实施方案中，水的体积比孔体积大60％至80％、65％至75％或67％至72％。例如，在一个具体实施方案中，水的体积比孔体积大约70％。
在一些具体实施方案中，水的体积比孔体积大45％至65％、50％至60％或52％至57％。例如，在一个具体实施方案中，水的体积比孔体积大约55％。本公开内容的水合碳材料粉末可以以其孔隙率为特征。因此，在一些实施方案中，水合碳材料粉末具有不规则的孔隙率。在某些实施方案中，水合碳材料粉末包含最佳孔径分布，例如，微孔和中孔二者的最佳混合。在某些实施方案中，水合碳材料粉末是中孔的。在其它实施方案中，水合碳材料粉末是微孔的。
孔结构通常描述为以微孔或中孔或两者存在的孔体积分数(百分比)。因此，在一些实施方案中，水合碳材料粉末的孔结构包含10％至90％的微孔。在一些其它实施方案中，水合碳材料粉末的孔结构包含20％至80％的微孔。在其它实施方案中，水合碳材料粉末的孔结构包含30％至70％的微孔。在其它实施方案中，水合碳材料粉末的孔结构包含40％至60％的微孔。在其它实施方案中，水合碳材料粉末的孔结构包含40％至50％的微孔。在其它实施方案中，水合碳材料粉末的孔结构包含43％至47％的微孔。在某些实施方案中，水合碳材料粉末的孔结构包含约45％的微孔。
在某些实施方案中，水合碳材料粉末的孔结构包含大于10％的微孔、大于20％的微孔、大于30％的微孔、大于40％的微孔、大于50％的微孔、大于60％的微孔、大于70％的微孔、大于80％的微孔、大于90％的微孔或大于99％的微孔。在一些实施方案中，水合碳材料粉末的孔结构包含100％的微孔。
在某些实施方案中，水合碳材料粉末的孔结构包含大于10％的中孔、大于20％的中孔、大于30％的中孔、大于40％的中孔、大于50％的中孔、大于60％的中孔、大于70％的中孔、大于80％的中孔、大于90％的中孔或大于99％的中孔。在一些实施方案中，水合碳材料粉末的孔结构包含100％的中孔。在一些其它实施方案中，水合碳材料粉末的孔结构包含20％至50％的微孔。在其它实施方案中，水合碳材料粉末的孔结构包含20％至40％的微孔，例如25％至35％的微孔或27％至33％的微孔。在一些其它实施方案中，水合碳材料粉末的孔结构包含30％至50％的微孔，例如35％至45％的微孔或37％至43％的微孔。在一些特定实施方案中，水合碳材料粉末的孔结构包含约30％的微孔或约40％的微孔。
在一个具体实施方案中，水合碳材料粉末具有包含微孔、中孔和总孔体积的孔结构，并且其中总孔体积的40％至90％存在于微孔中，总孔体积的10％至60％存在于中孔中，并且总孔体积的小于10％存在于大于30nm的孔中。
在某些具体实施方案中，孔体积包括直径大于0nm至50nm的孔。在更具体的实施方案中，大于50％的孔体积存在于直径为2nm至50nm的孔中。在一些实施方案中，大于5％、大于7％、大于10％、大于12％、大于15％、大于17％、大于20％、大于22％、大于25％、大于27％、大于30％、大于32％、大于35％、大于37％、大于40％、大于42％、大于45％、大于47％或大于55％的孔体积存在于直径为2nm至50nm的孔中。在一些具体实施方案中，大于50％的孔体积存在于直径为大于0nm至小于2nm的孔中。在一些实施方案中，大于5％、大于7％、大于10％、大于12％、大于15％、大于17％、大于20％、大于22％、大于25％、大于27％、大于30％、大于32％、大于35％、大于37％、大于40％、大于42％、大于45％、大于47％或大于55％的孔体积存在于直径为大于0nm至小于2nm的孔中。
在一些实施方案中，大于10％、大于20％、大于30％、大于40％、大于50％、大于60％、大于70％、大于80％、大于90％或大于99％的孔体积存在于直径为约
Figure BDA0002413670560000111
至约
Figure BDA0002413670560000112
的孔中。在一些实施方案中，100％的孔体积存在于直径为约
Figure BDA0002413670560000113
至约
Figure BDA0002413670560000114
的孔中。
在一个实施方案中，水合碳材料粉末包含100nm或小于100nm的孔的一定分数的孔体积，其占孔体积的至少50％、孔体积的至少75％、孔体积的至少90％或孔体积的至少99％。在其它实施方案中，水合碳材料粉末包含20nm或小于20nm的孔的一定分数的孔体积，其占孔体积的至少50％、孔体积的至少75％、孔体积的至少90％或孔体积的至少99％。
在另一个实施方案中，水合碳材料粉末包含100nm或小于100nm的孔的一定分数的孔表面积，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，水合碳材料粉末包含20nm或小于20nm的孔的一定分数的孔表面积，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％。
在一些其它实施方案中，水合碳材料粉末的孔结构包含20％至50％的微孔。在其它实施方案中，水合碳材料粉末的孔结构包含20％至40％的微孔，例如25％至35％的微孔或27％至33％的微孔。在一些其它实施方案中，水合碳材料粉末的孔结构包含30％至50％的微孔，例如35％至45％的微孔或37％至43％的微孔。在一些特定实施方案中，水合碳材料粉末的孔结构包含约30％的微孔或约40％的微孔。
在一些其它实施方案中，水合碳材料粉末的孔结构包含40％至90％的微孔。在其它实施方案中，水合碳材料粉末的孔结构包含45％至90％的微孔，例如55％至85％的微孔。在一些其它实施方案中，水合碳材料粉末的孔结构包含65％至85％的微孔，例如75％至85％的微孔或77％至83％的微孔。在其它实施方案中，水合碳材料粉末的孔结构包含65％至75％的微孔，例如67％至73％的微孔。在一些特定实施方案中，水合碳材料粉末的孔结构包含约80％的微孔或约70％的微孔。
在一些实施方案中，水合碳材料粉末的孔结构包含10％至90％的中孔。在一些其它实施方案中，水合碳材料粉末的孔结构包含20％至80％的中孔。在其它实施方案中，水合碳材料粉末的孔结构包含30％至70％的中孔。在其它实施方案中，水合碳材料粉末的孔结构包含40％至60％的中孔。在其它实施方案中，水合碳材料粉末的孔结构包含50％至60％的中孔。在其它实施方案中，水合碳材料粉末的孔结构包含53％至57％的中孔。在其它实施方案中，水合碳材料粉末的孔结构包含约55％的中孔。
在一些其它实施方案中，水合碳材料粉末的孔结构包含50％至80％的中孔。在其它实施方案中，水合碳材料粉末的孔结构包含60％至80％的中孔，例如65％至75％的中孔或67％至73％的中孔。在一些其它实施方案中，水合碳材料粉末的孔结构包含50％至70％的中孔，例如55％至65％的中孔或57％至53％的中孔。在一些特定实施方案中，水合碳材料粉末的孔结构包含约30％的中孔或约40％的中孔。
在一些其它实施方案中，水合碳材料粉末的孔结构包含10％至60％的中孔。在一些其它实施方案中，水合碳材料粉末的孔结构包含10％至55％的中孔，例如15％至45％的中孔或15％至40％的中孔。在一些其它实施方案中，水合碳材料粉末的孔结构包含15％至35％的中孔，例如15％至25％的中孔或17％至23％的中孔。在一些其它实施方案中，水合碳材料粉末的孔结构包含25％至35％的中孔，例如27％至33％的中孔。在一些特定实施方案中，水合碳材料粉末的孔结构包含约20％的中孔，并且在其它实施方案中，水合碳材料粉末包含约30％的中孔。
在一些实施方案中，水合碳材料粉末的孔结构包含10％至90％的微孔和10％至90％的中孔。在一些其它实施方案中，水合碳材料粉末的孔结构包含20％至80％的微孔和20％至80％的中孔。在其它实施方案中，水合碳材料粉末的孔结构包含30％至70％的微孔和30％至70％的中孔。在其它实施方案中，水合碳材料粉末的孔结构包含40％至60％的微孔和40％至60％的中孔。在其它实施方案中，水合碳材料粉末的孔结构包含40％至50％的微孔和50％至60％的中孔。在其它实施方案中，水合碳材料粉末的孔结构包含43％至47％的微孔和53％至57％的中孔。在其它实施方案中，水合碳材料粉末的孔结构包含约45％的微孔和约55％的中孔。
在其它实施方案中，水合碳材料粉末的孔结构包含40％至90％的微孔和10％至60％的中孔。在其它实施方案中，水合碳材料粉末的孔结构包含45％至90％的微孔和10％至55％的中孔。在其它实施方案中，水合碳材料粉末的孔结构包含40％至85％的微孔和15％至40％的中孔。在其它实施方案中，水合碳材料粉末的孔结构包含55％至85％的微孔和15％至45％的中孔，例如65％至85％的微孔和15％至35％的中孔。在其它实施方案中，水合碳材料粉末的孔结构包括65％至75％的微孔和15％至25％的中孔，例如67％至73％的微孔和27％至33％的中孔。在一些其它实施方案中，水合碳材料粉末的孔结构包括75％至85％的微孔和15％至25％的中孔，例如，83％至77％的微孔和17％至23％的中孔。在其它特定实施方案中，水合碳材料粉末的孔结构包含约80％的微孔和约20％的中孔，或者在其它实施方案中，水合碳材料粉末的孔结构包括约70％的微孔和约30％的中孔。
在其它实施方案中，水合碳材料粉末的孔结构包含20％至50％的微孔和50％至80％的中孔。例如，在一些实施方案中，20％至40％的孔体积存在于微孔中，并且60％至80％的孔体积存在于中孔中。在其它实施方案中，25％至35％的孔体积存在于微孔中，并且65％至75％的孔体积存在于中孔中。例如，在一些实施方案中，约30％的孔体积存在于微孔中，并且约70％的孔体积存在于中孔中。
在其它实施方案中，30％至50％的孔体积存在于微孔中，并且50％至70％的孔体积存在于中孔中。在其它实施方案中，35％至45％的孔体积存在于微孔中，并且55％至65％的孔体积存在于中孔中。例如，在一些实施方案中，约40％的孔体积存在于微孔中，并且约60％的孔体积存在于中孔中。
在前述水合碳材料粉末的任一种的其它变体中，水合碳材料粉末不具有大量体积的大于20nm或30nm的孔。例如，在某些实施方案中，水合碳材料粉末包含小于50％、小于40％、小于30％、小于25％、小于20％、小于15％、小于10％、小于5％、小于2.5％或甚至小于1％的大于20nm或30nm的孔的孔体积。
在一个实施方案中，基于多孔碳材料在不存在水的情况下的重量，水合碳材料粉末包含存在于小于20埃的孔中的至少1.8cc/g、至少1.2cc/g、至少0.60cc/g、至少0.30cc/g、至少0.25cc/g、至少0.20cc/g或至少0.15cc/g的孔体积。在其它实施方案中，基于多孔碳材料在不存在水的情况下的重量，水合碳材料粉末包含存在于大于20埃的孔中的至少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、至少1.80cc/g、至少1.70cc/g、至少1.60cc/g、至少1.50cc/g、至少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0.5cc/g、至少0.4cc/g、至少0.3cc/g、至少0.4cc/g、至少0.3cc/g、至少0.2cc/g、至少0.1cc/g、至少0.075cc/g、至少0.05cc/g、至少0.025cc/g、至少0.01cc/g的孔体积。
在其它实施方案中，基于多孔碳材料在不存在水的情况下的重量，水合碳材料粉末包含20埃至300埃的孔的大于4.00cc/g、大于3.75cc/g、大于3.50cc/g、大于3.25cc/g、大于3.00cc/g、大于2.75cc/g、大于2.50cc/g、大于2.25cc/g、大于2.00cc/g、大于1.90cc/g、大于1.80cc/g、大于1.70cc/g、大于1.60cc/g、大于1.50cc/g、大于1.40cc/g、大于1.30cc/g、大于1.20cc/g、大于1.10cc/g、大于1.00cc/g、大于0.85cc/g、大于0.80cc/g、大于0.75cc/g、大于0.70cc/g、大于0.65cc/g或大于0.50cc/g的孔体积。
在其它实施方案中，基于多孔碳材料在不存在水的情况下的重量，水合碳材料粉末包含20埃至500埃的孔的大于4.00cc/g、大于3.75cc/g、大于3.50cc/g、大于3.25cc/g、大于3.00cc/g、大于2.75cc/g、大于2.50cc/g、大于2.25cc/g、大于2.00cc/g、大于1.90cc/g、大于1.80cc/g、大于1.70cc/g、大于1.60cc/g、大于1.50cc/g、大于1.40cc/g、大于1.30cc/g、大于1.20cc/g、大于1.10cc/g、大于1.00cc/g、大于0.85cc/g、大于0.80cc/g、大于0.75cc/g、大于0.70cc/g、大于0.65cc/g、大于0.50cc/g、至少0.4cc/g、至少0.3cc/g、至少0.2cc/g、至少0.1cc/g、至少0.075cc/g、至少0.05cc/g、至少0.025cc/g、至少0.01cc/g的孔体积。
在其它实施方案中，基于多孔碳材料在不存在水的情况下的重量，水合碳材料粉末包含大于4.00cc/g、大于3.75cc/g、大于3.50cc/g、大于3.25cc/g、大于3.00cc/g、大于2.75cc/g、大于2.50cc/g、大于2.25cc/g、大于2.00cc/g、大于1.90cc/g、大于1.80cc/g、大于1.70cc/g、大于1.60cc/g、大于1.50cc/g、大于1.40cc/g、大于1.30cc/g、大于1.20cc/g、大于1.10cc/g、大于1.00cc/g、大于0.85cc/g、大于0.80cc/g、大于0.75cc/g、大于0.70cc/g、大于0.65cc/g、大于0.60cc/g、大于0.55cc/g、大于0.50cc/g、大于0.45cc/g、大于0.40cc/g、大于0.35cc/g、大于0.30cc/g、大于0.25cc/g、大于0.20cc/g、大于0.10cc/g、大于0.05cc/g或大于0.025cc/g的孔体积。
在某些实施方案中，基于多孔碳材料在不存在水的情况下的重量，孔体积为0.3cc/g至1.5cc/g、0.3cc/g至0.7cc/g或1.0cc/g至1.5cc/g。在某些实施方案中，孔体积为0.1cc/g至5.0cc/g、0.1cc/g至3.5cc/g、0.2cc/g至2.0cc/g、0.5cc/g至1.5cc/g、0.5cc/g至1.3cc/g、0.9cc/g至1.2cc/g或1.0cc/g至2.0cc/g。
在某些实施方案中，基于多孔碳材料在不存在水的情况下的重量，孔体积为0.5cc/g至0.9cc/g、0.60cc/g至0.80cc/g或0.65cc/g至0.75cc/g。在某些实施方案中，基于多孔碳材料在不存在水的情况下的重量，孔体积为约0.7cc/g。
在某些实施方案中，基于多孔碳材料在不存在水的情况下的重量，孔体积为1.10cc/g至1.50cc/g、1.20cc/g至1.40cc/g或1.25cc/g至1.35cc/g。在某些实施方案中，基于多孔碳材料在不存在水的情况下的重量，孔体积为约1.30cc/g。
在一个实施方案中，基于多孔碳材料在不存在水的情况下的重量，水合碳材料粉末包含小于20埃的孔的至少0.35cc/g、至少0.30cc/g、至少0.25cc/g、至少0.20cc/g或至少0.15cc/g的孔体积。在其它实施方案中，基于多孔碳材料在不存在水的情况下的重量，水合碳材料粉末包含大于20埃的孔的至少7cc/g、至少5cc/g、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1.0cc/g、至少0.8cc/g、至少0.6cc/g、至少0.4cc/g、至少0.2cc/g、至少0.1cc/g的孔体积。
在其它实施方案中，基于多孔碳材料在不存在水的情况下的重量，水合碳材料粉末包含20埃至500埃的孔的至少7cc/g、至少5cc/g、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1.0cc/g、至少0.8cc/g、至少0.6cc/g、至少0.4cc/g、至少0.2cc/g、至少0.1cc/g的孔体积。
在其它实施方案中，基于多孔碳材料在不存在水的情况下的重量，水合碳材料粉末包含20埃至1000埃的孔的至少7cc/g、至少5cc/g、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1.0cc/g、至少0.8cc/g、至少0.6cc/g、至少0.4cc/g、至少0.2cc/g、至少0.1cc/g的孔体积。
在其它实施方案中，基于多孔碳材料在不存在水的情况下的重量，水合碳材料粉末包含20埃至2000埃的孔的至少7cc/g、至少5cc/g、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1.0cc/g、至少0.8cc/g、至少0.6cc/g、至少0.4cc/g、至少0.2cc/g、至少0.1cc/g的孔体积。
在其它实施方案中，基于多孔碳材料在不存在水的情况下的重量，水合碳材料粉末包含20埃至5000埃的孔的至少7cc/g、至少5cc/g、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1.0cc/g、至少0.8cc/g、至少0.6cc/g、至少0.4cc/g、至少0.2cc/g、至少0.1cc/g的孔体积。
在其它实施方案中，基于多孔碳材料在不存在水的情况下的重量，水合碳材料粉末包含20埃至1微米的孔的至少7cc/g、至少5cc/g、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1.0cc/g、至少0.8cc/g、至少0.6cc/g、至少0.4cc/g、至少0.2cc/g、至少0.1cc/g的孔体积。
在其它实施方案中，基于多孔碳材料在不存在水的情况下的重量，水合碳材料粉末包含20埃至2微米的孔的至少7cc/g、至少5cc/g、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1.0cc/g、至少0.8cc/g、至少0.6cc/g、至少0.4cc/g、至少0.2cc/g、至少0.1cc/g的孔体积。
在其它实施方案中，基于多孔碳材料在不存在水的情况下的重量，水合碳材料粉末包含20埃至3微米的孔的至少7cc/g、至少5cc/g、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1.0cc/g、至少0.8cc/g、至少0.6cc/g、至少0.4cc/g、至少0.2cc/g、至少0.1cc/g的孔体积。
在其它实施方案中，基于多孔碳材料在不存在水的情况下的重量，水合碳材料粉末包含20埃至4微米的孔的至少7cc/g、至少5cc/g、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1.0cc/g、至少0.8cc/g、至少0.6cc/g、至少0.4cc/g、至少0.2cc/g、至少0.1cc/g的孔体积。
在其它实施方案中，基于多孔碳材料在不存在水的情况下的重量，水合碳材料粉末包含20埃至5微米的孔的至少7cc/g、至少5cc/g、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1.0cc/g、至少0.8cc/g、至少0.6cc/g、至少0.4cc/g、至少0.2cc/g、至少0.1cc/g的孔体积。
在其它实施方案中，基于多孔碳材料在不存在水的情况下的重量，水合碳材料粉末包含至少7cc/g、至少5cc/g、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1.0cc/g、至少0.8cc/g、至少0.6cc/g、至少0.4cc/g、至少0.2cc/g、至少0.1cc/g的总孔体积。
在一些实施方案中，水合碳材料粉末具有0.675cc/g至0.755cc/g、0.665cc/g至0.765cc/g或0.5cc/g至1.0cc/g的总(BET)孔体积。在一个具体实施方案中，水合碳材料粉末具有约0.715cc/g的总(BET)孔体积。
在一些实施方案中，水合碳材料粉末具有1.09cc/g至1.49cc/g、0.89cc/g至1.69cc/g或0.69cc/g至1.89cc/g的总(BET)孔体积。在一个具体实施方案中，水合碳材料粉末具有约1.29cc/g的总(BET)孔体积。
在一些实施方案中，水合碳材料粉末具有0.650cc/g至0.750cc/g、0.630cc/g至0.780cc/g或0.5cc/g至0.90cc/g的总(BET)孔体积。在一个具体实施方案中，水合碳材料粉末具有约0.700cc/g的总(BET)孔体积。
在一些实施方案中，水合碳材料粉末具有1.05cc/g至1.35cc/g、0.85cc/g至1.55cc/g或0.65cc/g至1.75cc/g的总(BET)孔体积。在一个具体实施方案中，水合碳材料粉末具有约1.15cc/g的总(BET)孔体积。
在其它实施方案中，基于多孔碳材料在不存在水的情况下的重量，水合碳材料粉末包含存在于小于20埃的孔中的至少0.2cc/g的孔体积，以及存在于20埃至300埃的孔中的至少0.8cc/g的孔体积。在其它实施方案中，基于多孔碳材料在不存在水的情况下的重量，水合碳材料粉末包含存在于小于20埃的孔中的至少0.5cc/g的孔体积，以及存在于20埃至300埃的孔中的至少0.5cc/g的孔体积。在其它实施方案中，基于多孔碳材料在不存在水的情况下的重量，水合碳材料粉末包含存在于小于20埃的孔中的至少0.6cc/g的孔体积，以及存在于20埃至300埃的孔中的至少2.4cc/g的孔体积。在其它实施方案中，基于多孔碳材料在不存在水的情况下的重量，水合碳材料粉末包含存在于小于20埃的孔中的至少1.5cc/g的孔体积，以及存在于20埃至300埃的孔中的至少1.5cc/g的孔体积。
在其它实施方案中，基于多孔碳材料在不存在水的情况下的重量，水合碳材料粉末包含存在于小于20埃的孔中的至少0.2cc/g的孔体积，以及存在于20埃至500埃的孔中的至少0.8cc/g的孔体积。在其它实施方案中，基于多孔碳材料在不存在水的情况下的重量，水合碳材料粉末包含存在于小于20埃的孔中的至少0.5cc/g的孔体积，以及存在于20埃至500埃的孔中的至少0.5cc/g的孔体积。在其它实施方案中，基于多孔碳材料在不存在水的情况下的重量，水合碳材料粉末包含存在于小于20埃的孔中的至少0.6cc/g的孔体积，以及存在于20埃至500埃的孔中的至少2.4cc/g的孔体积。在其它实施方案中，基于多孔碳材料在不存在水的情况下的重量，水合碳材料粉末包含存在于小于20埃的孔中的至少1.5cc/g的孔体积，以及存在于20埃至500埃的孔中的至少1.5cc/g的孔体积。
在某些实施方案中，提供了包含中孔碳材料的水合碳材料粉末，所述中孔碳材料具有微孔区中的低孔体积(例如，小于60％、小于50％、小于40％、小于30％、小于20％的微孔隙率)。例如，中孔碳可以是已热解但未活化的聚合物凝胶。在一些实施方案中，热解的中孔碳包含至少400m2/g、至少500m2/g、至少600m2/g、至少675m2/g或至少750m2/g的比表面积。在其它实施方案中，中孔碳材料包含至少0.50cc/g、至少0.60cc/g、至少0.70cc/g、至少0.80cc/g或至少0.90cc/g的孔体积。在其它实施方案中，中孔碳材料包含至少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。
在一些实施方案中，多孔碳材料具有存在于微孔中或存在于孔径为约0埃至20埃的孔中的约93％的总孔体积。在一些实施方案中，多孔碳材料的91％至95％、89％至98％或85％至100％的总孔体积存在于微孔中或存在于孔径为约0埃至20埃的孔中。
在一些实施方案中，多孔碳材料具有存在于中孔中或存在于孔径为约20埃至300埃的孔中的约7％的总孔体积。在一些实施方案中，多孔碳材料的5％至9％、2％至11％或0％至15％的总孔体积存在于中孔中或存在于孔径为约20埃至300埃的孔中。
在某些实施方案中，提供了包含中孔碳材料的水合碳材料粉末，所述中孔碳材料具有中孔区中的低孔体积(例如，小于60％、小于50％、小于40％、小于30％、小于20％的中孔隙率)。在一些实施方案中，多孔碳材料包含至少500m2/g、至少1000m2/g、至少1500m2/g、至少1600m2/g或至少1690m2/g的比表面积。在其它实施方案中，中孔碳材料包含至少0.70cc/g、至少0.80cc/g、至少0.90cc/g、至少1.00cc/g或至少1.20cc/g的孔体积。在其它实施方案中，中孔碳材料包含至少0.10g/cc、至少0.15g/cc、至少0.20g/cc、至少0.25g/cc、至少0.30g/cc或至少0.35g/cc的振实密度。
在另一个实施方案中，基于多孔碳材料在不存在水的情况下的重量，水合碳材料粉末包含多孔碳材料，所述多孔碳材料包含0.1g/cc至1.0g/cc、0.2g/cc至0.6g/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，基于多孔碳材料在不存在水的情况下的重量，水合碳材料粉末的孔体积为至少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。
在一些实施方案中，水合碳材料粉末包含振实密度为0.25cm3/g至0.30cm3/g、0.20cm3/g至0.35cm3/g、0.10cm3/g至0.45cm3/g、0.38cm3/g至0.43cm3/g、0.35cm3/g至0.45cm3/g、0.25cm3/g至0.50cm3/g、0.53cm3/g至0.58cm3/g、0.50cm3/g至0.62cm3/g、0.45cm3/g至0.65cm3/g、0.38cm3/g至0.53cm3/g或0.30cm3/g至0.60cm3/g的多孔碳材料。
在另一个实施方案中，水合碳材料粉末包含20埃至300埃的孔的一定分数的孔表面积，其占总孔表面积的至少40％、总孔表面积的至少50％、总孔表面积的至少70％或总孔表面积的至少80％。在另一个实施方案中，水合碳材料粉末包含20nm或小于20nm的孔的一定分数的孔表面积，其占总孔表面积的至少20％、总孔表面积的至少30％、总孔表面积的至少40％或总孔表面积的至少50％。
在另一个实施方案中，水合碳材料粉末包含20埃至500埃的孔的一定分数的孔表面积，其占总孔表面积的至少40％、总孔表面积的至少50％、总孔表面积的至少70％或总孔表面积的至少80％。在另一个实施方案中，水合碳材料粉末包含20埃或小于20埃的孔的一定分数的孔表面积，其占总孔表面积的至少20％、总孔表面积的至少30％、总孔表面积的至少40％或总孔表面积的至少50％。
在另一个实施方案中，水合碳材料粉末包含主要为1000埃或更小的孔，例如100埃或更小，例如50埃或更小。在替代实施方案中，水合碳材料粉末包含0埃至20埃的微孔和20埃至300埃的中孔。在一些实施方案中，微孔范围与中孔范围相比的孔体积或孔表面的比率可以为95:5至5:95。或者，在一些实施方案中，微孔范围与中孔范围相比的孔体积或孔表面的比率可以为20:80至60:40。
在其它实施方案中，水合碳材料粉末是中孔的并且包含单分散的中孔。如本文使用，当关于孔径使用时，术语“单分散”通常是指跨度(还定义为(Dv90-Dv10)/Dv50，其中Dv10、Dv50和Dv90是指在10％、50％和90％的体积分布处的约3或更小、通常约2或更小、通常约1.5或更小的孔径)。
在其它实施方案中，基于多孔碳材料在不存在水的情况下的重量，水合碳材料粉末包含至少1cc/g、至少2cc/g、至少3cc/g、至少4cc/g或至少7cc/g的孔体积。在一个具体实施方案中，基于多孔碳材料在不存在水的情况下的重量，水合碳材料粉末包含1cc/g至7cc/g的孔体积。
在水合碳材料粉末的其它实施方案中，至少50％的孔体积存在于直径为
Figure BDA0002413670560000231
至
Figure BDA0002413670560000232
的孔中。在水合碳材料粉末的一些实施方案中，至少50％的孔体积存在于直径为
Figure BDA0002413670560000233
至
Figure BDA0002413670560000234
的孔中。在水合碳材料粉末的其它情况中，至少50％的孔体积存在于直径为
Figure BDA0002413670560000235
至
Figure BDA0002413670560000236
的孔中。在水合碳材料粉末的其它情况中，至少50％的孔体积存在于直径为
Figure BDA0002413670560000237
至
Figure BDA0002413670560000238
的孔中。
在一些实施方案中，约40％至约60％的总孔体积存在于微孔中，并且约40％至约60％的总孔体积存在于中孔中。
在一些实施方案中，水合碳材料粉末的平均粒径为1微米至1000微米。在其它实施方案中，水合碳材料粉末的平均粒径为1微米至100微米。在其它实施方案中，水合碳材料粉末的平均粒径为1微米至50微米、1微米至60微米或1微米至70微米(例如，约8.5微米、约60微米)。在其它实施方案中，水合碳材料粉末的平均粒径为5微米至15微米或1微米至5微米。在其它实施方案中，水合碳材料粉末的平均粒径为约10微米。在其它实施方案中，水合碳材料粉末的平均粒径小于4微米、小于3微米、小于2微米、小于1微米。
在一些实施方案中，水合碳材料粉末的D(50)为1微米至1000微米。在其它实施方案中，水合碳材料粉末的D(50)为1微米至100微米。在其它实施方案中，水合碳材料粉末的D(50)为1微米至50微米、1微米至60微米或1微米至70微米(例如，约8.5微米、约60微米)。在其它实施方案中，水合碳材料粉末的D(50)为5微米至15微米或1微米至5微米。在其它实施方案中，水合碳材料粉末的D(50)为约10微米。在其它实施方案中，水合碳材料粉末的D(50)小于4微米、小于3微米、小于2微米、小于1微米。
在一些实施方案中，D(50)粒度为约7.5微米至9.5微米、7微米至10微米、2微米至12微米、45微米至75微米、40微米至80微米、10微米至100微米、25微米至100微米、20微米至100或50微米至100微米。在一些实施方案中，D(50)粒度为约8.5微米或约60微米。在一些实施方案中，D(50)粒度为约8.5微米或约60微米。
有利地，在一些实施方案中，水合碳材料粉末的相对大的粒度减少了聚集，并且在其它混合物或组合物(例如，铅酸糊料)中提供了优异的分散性。在这方面，如本文公开的碳材料粉末可以以离散颗粒形式存在于组合物中(例如，不聚集以形成较高的有序结构)。在一些实施方案中，通过光学显微镜、激光衍射、扫描电子显微镜或其组合测定粒度。在一些实施方案中，聚集可以确定为多个颗粒均处于相对紧密接近或接触以形成较大的聚集体或较高的有序结构。在一些实施方案中，紧密接近可以在1nm至2nm、1nm至3nm、1nm至4nm、1nm至5nm或1nm至10nm。另一方面，碳材料的聚集或簇尺寸小于约100微米、约90微米、约80微米、约70微米、约60微米、约50微米、约40微米、约30微米、约25微米、约20微米、约15微米或约10微米。另一方面，碳材料的聚集或簇尺寸小于约100微米、约200微米、约300微米、约400微米、约500微米、约600微米、约700微米、约800微米、约900微米、约1000微米、约1100微米、约1200微米、约1300微米、约1400微米、约1500微米、约1600微米、约1700微米、约1800微米、约1900微米或约2000微米。
因此，在一些实施方案中，水合碳材料粉末的D(50)大于2微米、5微米、8.5微米、9微米、10微米、大于15微米、大于20微米、大于25微米、大于30微米、大于35微米、大于40微米、大于45微米、大于50微米、大于55微米、大于60微米、大于65微米、大于70微米、大于75微米或大于80微米。
在一些实施方案中，水合碳材料粉末的D(50)为约25微米至约200微米、约30微米至约200微米、约35微米至约200微米、约40微米至约200微米、约45微米至约200微米、约50微米至约200微米、约55微米至约200微米、约60微米至约200微米、约65微米至约200微米、约70微米至约200微米、约75微米至约200微米、约80微米至约200微米、约85微米至约200微米、约90微米至约175微米、约25微米至约150微米、约25微米至约125微米、约25微米至约100微米、约10微米至约175微米、约10微米至约150微米、约10微米至约125微米、约10微米至约100微米、约10微米至约80微米、约10微米至约70微米、约20微米至约80微米、约30微米至约100微米、约40微米至约100微米、或约50微米至约100微米。
在一些实施方案中，水合碳材料粉末表现出1nm至10nm的平均粒径。在其它实施方案中，平均粒径为10nm至20nm。在其它实施方案中，平均粒径为20nm至30nm。在其它实施方案中，平均粒径为30nm至40nm。在其它实施方案中，平均粒径为40nm至50nm。在其它实施方案中，平均粒径为50nm至100nm。
在一些实施方案中，水合碳材料粉末表现出1nm至10nm的D(50)。在其它实施方案中，D(50)为10nm至20nm。在其它实施方案中，D(50)为20nm至30nm。在其它实施方案中，D(50)为30nm至40nm。在其它实施方案中，D(50)为40nm至50nm。在其它实施方案中，D(50)为50nm至100nm。
可以通过本领域已知的任何数量的技术来测定公开的水合碳材料粉末中的多孔碳材料的纯度。用于测定纯度的一种特定方法是质子诱导X射线发射(PIXE)。这种技术非常灵敏，并且能够在低ppm水平下测定原子序数为11至92(即，PIXE杂质)的元素的存在。经由PIXE测定杂质水平的方法是本领域熟知的。
通常，水合碳材料粉末的碳材料可以包含低总PIXE杂质。因此，在一些实施方案中，水合碳材料粉末中的总PIXE杂质含量(如通过质子诱导X射线发射测量的)小于1000ppm。在其它实施方案中，多孔碳材料包含小于800ppm、小于500ppm、小于300ppm、小于200ppm、小于150ppm、小于100ppm、小于50ppm、小于25ppm、小于10ppm、小于5ppm或小于1ppm的原子序数为11至92的元素的总杂质含量，如通过质子诱导X射线发射测量的。在前述的其它实施方案中，多孔碳材料是热解的干燥聚合物凝胶、热解的聚合物冻凝胶、热解的聚合物干凝胶、热解的聚合物气凝胶、活化的干燥聚合物凝胶、活化的聚合物冻凝胶、活化的聚合物干凝胶或活化聚合物气凝胶。
除了低含量的不需要的PIXE杂质以外，公开的水合碳材料粉末的多孔碳材料可以包含高的总碳含量。除了碳以外，水合碳材料粉末的多孔碳材料还可以包含氧、氢、氮和电化学改性剂。在一些实施方案中，以重量/重量计，水合碳材料粉末的多孔碳材料包含至少75％的碳、至少80％的碳、至少85％的碳、至少90％的碳、至少95％的碳、至少96％的碳、至少97％的碳、至少98％的碳或至少99％的碳。在一些其它实施方案中，以重量/重量计，水合碳材料粉末的多孔碳材料包含小于10％的氧、小于5％的氧、小于3.0％的氧、小于2.5％的氧、小于1％的氧或小于0.5％的氧。在其它实施方案中，以重量/重量计，水合碳材料粉末的多孔碳材料包含小于10％的氢、小于5％的氢、小于2.5％的氢、小于1％的氢、小于0.5％的氢或小于0.1％的氢。在其它实施方案中，以重量/重量计，水合碳材料粉末的多孔碳材料包含小于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。可以通过燃烧分析测定公开的水合碳材料粉中多孔碳材料的氧、氢和氮含量。通过燃烧分析测定元素组成的技术是本领域熟知的。
在一些实施方案中，多孔碳材料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，多孔碳材料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，多孔碳材料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，多孔碳材料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，多孔碳材料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，多孔碳材料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，多孔碳材料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，多孔碳材料中存在的钾的水平小于1000ppm、小于100ppm、小于50ppm、小于10ppm或小于1ppm。
在其它实施方案中，多孔碳材料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，多孔碳材料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。
在其它实施方案中，多孔碳材料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。
在其它实施方案中，多孔碳材料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。
在一些其它实施方案中，多孔碳材料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。
在其它实施方案中，多孔碳材料中存在的锌的水平小于20ppm、小于10ppm、小于5ppm、小于2ppm或小于1ppm。
在其它实施方案中，多孔碳材料中的所有PIXE杂质(不包括钠、镁、铝、硅、磷、硫、氯、钾、钙、铬、铁、镍、铜和锌)的总和小于1000ppm、小于500pm、小于300ppm、小于200ppm、小于100ppm、小于50ppm、小于25ppm、小于10ppm或小于1ppm。在一些实施方案中，其它杂质(例如氢、氧和/或氮)可以以小于10％至小于0.01％的水平存在。
一些实施方案的多孔碳材料包含接近或低于质子诱导X射线发射分析的检测极限的不需要的PIXE杂质。例如，在一些实施方案中，多孔碳材料包含小于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的钌、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的金、小于1ppm的汞、小于1ppm的铊、小于1ppm的铅、小于1.5ppm的铋、小于2ppm的钍、或小于4ppm的铀。
在一些具体实施方案中，多孔碳材料包含小于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X射线发射测量的。在其它具体实施方案中，多孔碳材料包含小于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。
在其它具体实施方案中，多孔碳材料包含小于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。
在一些其它具体实施方案中，多孔碳材料包含小于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。
在一些实施方案中，多孔碳材料包含小于10ppm的铁。在其它实施方案中，多孔碳材料包含小于3ppm的镍。在其它实施方案中，多孔碳材料包含小于30ppm的硫。在其它实施方案中，多孔碳材料包含小于1ppm的铬。在其它实施方案中，多孔碳材料包含小于1ppm的铜。在其它实施方案中，多孔碳材料包含小于1ppm的锌。
在其它实例中，如通过质子诱导X射线发射测量的，多孔碳材料包括小于100ppm的钠、小于100ppm的硅、小于10ppm的硫、小于25ppm的钙、小于1ppm的铁、小于2ppm的镍、小于1ppm的铜、小于1ppm的铬、小于50ppm的镁、小于10ppm的铝、小于25ppm的磷、小于5ppm的氯、小于25ppm的钾、小于2ppm的钛、小于2ppm的锰、小于0.5ppm的钴和小于5ppm的锌，并且其中原子序数为11至92的所有其它元素均未被质子诱导X射线发射检测到。
此外，在一些情况下，多孔碳材料的总灰分含量可以对水合碳材料粉末的电化学性能产生影响。因此，在一些实施方案中，多孔碳材料的灰分含量为0.1％至0.001％，例如在一些具体实施方案中，多孔碳材料的灰分含量小于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％。
在其它实施方案中，多孔碳材料包含小于500ppm的总PIXE杂质含量和小于0.08％的灰分含量。在其它实施方案中，多孔碳材料包含小于300ppm的总PIXE杂质含量和小于0.05％的灰分含量。在其它实施方案中，多孔碳材料包含小于200ppm的总PIXE杂质含量和小于0.05％的灰分含量。在其它实施方案中，多孔碳材料包含小于200ppm的总PIXE杂质含量和小于0.025％的灰分含量。在其它实施方案中，多孔碳材料包含小于100ppm的总PIXE杂质含量和小于0.02％的灰分含量。在其它实施方案中，多孔碳材料包含小于50ppm的总PIXE杂质含量和小于0.01％的灰分含量。
在其它实施方案中，多孔碳材料包含小于500ppm的总TXRF杂质含量和小于0.08％的灰分含量。在其它实施方案中，多孔碳材料包含小于300ppm的总TXRF杂质含量和小于0.05％的灰分含量。在其它实施方案中，多孔碳材料包含小于200ppm的总TXRF杂质含量和小于0.05％的灰分含量。在其它实施方案中，多孔碳材料包含小于200ppm的总TXRF杂质含量和小于0.025％的灰分含量。在其它实施方案中，多孔碳材料包含小于100ppm的总TXRF杂质含量和小于0.02％的灰分含量。在其它实施方案中，多孔碳材料包含小于50ppm的总TXRF杂质含量和小于0.01％的灰分含量。
水合碳材料粉末还可以包含高表面积。因此，在一些实施方案中，水合碳材料粉末包含大于50m2/g、大于100m2/g、大于150m2/g、大于250m2/g、大于300m2/g、大于400m2/g、大于500m2/g、大于600m2/g、大于700m2/g、大于800m2/g、大于900m2/g、大于1000m2/g、大于1,500m2/g、大于2000m2/g、大于2400m2/g、大于2500m2/g、大于2750m2/g或大于3000m2/g的BET比表面积。在其它实施方案中，BET比表面积为约100m2/g至约3000m2/g，例如，约500m2/g至约1000m2/g、约1000m2/g至约1500m2/g、约1500m2/g至约2000m2/g、约2000m2/g至约2500m2/g或约2500m2/g至约3000m2/g。在某些具体实施方案中，多孔碳材料具有500m2/g至3,000m2/g的BET比表面积。在其它具体实施方案中，多孔碳材料具有500m2/g至1,000m2/g的BET比表面积。在一些实施方案中，多孔碳材料具有1,000m2/g至2,000m2/g的BET比表面积。
在一些实施方案中，多孔碳材料具有1650m2/g至1750m2/g、1600m2/g至1800m2/g，或1400m2/g至2200m2/g的BET比表面积。在一些实施方案中，多孔碳材料具有约1700m2/g的BET比表面积。
在一些实施方案中，多孔碳材料具有650m2/g至750m2/g、600m2/g至800m2/g，或400m2/g至1200m2/g的BET比表面积。在一些实施方案中，多孔碳材料具有约700m2/g的BET比表面积。
一个具体实施方案提供了包含多孔碳材料和水的分离的固体组合物，其中所述组合物包含体积大于多孔碳材料的总孔体积的水。在前述相关的实施方案中，水的体积比总孔体积大10％至99％、10％至90％、10％至80％、10％至75％、10％至70％、10％至60％、30％至50％、35％至50％、45％至65％、40％至70％、65％至75％、60％至80％、55％至85％、10％至50％、20％至30％、40％至50％、10％至70％、10％至65％、10％至60％、12％至57％、15％至55％、17％至52％、20％至50％、22％至50％、25％至50％、27％至50％、30％至50％、32％至50％、35％至50％，或37％至55％。
在前述相关的实施方案中，水的体积比总孔体积大10％至200％、10％至190％、10％至180％、10％至175％、10％至170％、10％至160％、30％至150％、35％至150％、45％至165％、40％至170％、65％至175％、60％至180％、55％至185％、10％至150％、20％至130％、40％至150％、10％至170％、10％至165％、10％至160％、12％至157％、15％至155％、17％至152％、20％至150％、122％至50％、125％至150％、27％至150％、30％至150％、32％至150％、35％至150％，或37％至155％。
在前述的另一个实施方案中，基于多孔碳材料在不存在水的情况下的重量，总孔体积为0.3cc/g至1.5cc/g、0.3cc/g至0.7cc/g、0.3cc/g至0.8cc/g，或1.0cc/g至1.5cc/g。
根据以下等式(等式1)，可以基于总孔体积和孔特性相关因子(被称为“过量水因子”或“EWF”)计算所需的水与碳的比率：
Figure BDA0002413670560000311
其中i表示代表总孔体积的一部分的分级孔特性(例如，直径为0埃至20埃的孔，直径为20埃至300埃的孔等)，并且n为分级的数量，其必须包括总孔体积。“孔体积i”是存在于相关分级特性的孔体积，i。不希望受理论约束，具有较大孔径的多孔碳材料似乎需要较大的相对体积的过量水。
例如，使用以下等式(即，等式1经修正以计算具有中孔和微孔的碳材料的EWF)计算微孔、中孔或具有微孔和中孔的组合的碳材料的过量水因子：
EWF＝(％PVmicro×EWFmicro)+(％PVmeso×EWFmeso)
其中EWF是过量水因子，％PVmicro是存在于微孔中的总孔体积的百分比，EWFmicro是微孔的EWF(即，1.39)，％PVmeso是存在于中孔中的总孔体积的百分比，并且EWFmeso是中孔的EWF(即，1.7)。
某些实施方案提供了过量水因子为1.7的多孔碳材料(例如，中孔碳材料)。在一些实施方案中，多孔碳材料的过量水因子为1.65至1.75、1.60至1.80、1.50至1.90、1.20至2.20、或大于0.9。
在某些实施方案中，多孔碳材料是过量水因子为1.55、过量水因子为1.50至1.60、1.40至1.70、1.20至1.90、1.00至2.10、或大于0.5的微孔/中孔混合的碳材料。
在某些实施方案中，多孔碳材料是过量水因子为约1.39、1.30至1.50、1.20至1.60、1.00至1.80、0.75至2.00、或大于0.5的微孔碳材料。描述过量水因子的实施方案可以与描述孔径或孔体积分布的前述实施方案中的任一个结合。
如以上描述的过量水因子不特别受到限制，并且可以调整和外推至更多各种孔结构(例如，具有大孔，中孔、微孔或大孔的组合的碳材料)。
2.装置
公开的水合碳材料粉末可以用作任何数量的电能存储和分配装置中的电极材料。一个此类装置是超级电容器。在共同拥有的第7,835,136号美国专利中详细描述了包含碳材料的超级电容器，所述专利通过引用整体并入本文。
因此，某些实施方案提供了水合碳材料粉末在制备装置中的用途，例如，其中所述装置是超级电容器。在一个实施方案中，超级电容器装置包括至少5W/g、至少10W/g、至少15W/g、至少20W/g、至少25W/g、至少30W/g、至少35W/g、至少50W/g的重量功率。
在另一个实施方案中，超级电容器装置包括至少2W/g、至少4W/cc、至少5W/cc、至少10W/cc、至少15W/cc或至少20W/cc的体积功率。在另一个实施方案中，超级电容器装置包括至少2.5Wh/kg、至少5.0Wh/kg、至少7.5Wh/kg、至少10Wh/kg、至少12.5Wh/kg、至少15.0Wh/kg、至少17.5.Wh/kg、至少20.0Wh/kg、至少22.5Wh/kg或至少25.0Wh/kg的重量能量。在另一个实施方案中，超级电容器装置包括至少1.5Wh/升、至少3.0Wh/升、至少5.0Wh/升、至少7.5Wh/升、至少10.0Wh/升、至少12.5Wh/升、至少15Wh/升、至少17.5Wh/升或至少20.0Wh/升的体积能量。
在前述的一些实施方案中，使用1.0M的四乙铵-四氟硼酸盐在乙腈(AN中的1.0MTEATFB)电解质中的溶液和0.5秒时间常数，通过从2.7V至1.89V的恒电流放电测量超级电容器装置的重量功率、体积功率、重量能量和体积能量。
在一个实施方案中，超级电容器装置包括至少10W/g的重量功率、至少5W/cc的体积功率、至少100F/g(@0.5A/g)的重量电容量和至少10F/cc(@0.5A/g)的体积电容量。在一个实施方案中，上述超级电容器装置是包含水合碳材料粉末、导电性增强剂、粘合剂、电解质溶剂和电解质盐的纽扣电池双层超级电容器。在其它实施方案中，上述导电性增强剂是本领域已知的碳黑和/或其它导电性增强剂。在其它实施方案中，上述粘合剂是特氟龙(Teflon)和/或本领域已知的其它粘合剂。在其它前述实施方案中，电解质溶剂为乙腈或碳酸丙烯酯，或本领域已知的其它电解质溶剂。在其它前述实施方案中，电解质盐是四乙基氨基四氟硼酸盐或三乙基甲基氨基四氟硼酸盐或本领域已知的其它电解质盐，或本领域已知的液体电解质。
在一个实施方案中，超级电容器装置包括至少15W/g的重量功率、至少10W/cc的体积功率、至少110F/g(@0.5A/g)的重量电容量和至少15F/cc(@0.5A/g)的体积电容量。在一个实施方案中，上述超级电容器装置是包含水合碳材料粉末、导电性增强剂、粘合剂、电解质溶剂和电解质盐的纽扣电池双层超级电容器。在其它实施方案中，上述导电性增强剂是本领域已知的碳黑和/或其它导电性增强剂。在其它实施方案中，上述粘合剂是特氟龙(Teflon)和/或本领域已知的其它粘合剂。在其它前述实施方案中，电解质溶剂为乙腈或碳酸丙烯酯，或本领域已知的其它电解质溶剂。在其它前述实施方案中，电解质盐是四乙基氨基四氟硼酸盐或三乙基甲基氨基四氟硼酸盐或本领域已知的其它电解质盐，或本领域已知的液体电解质。
在一些前述实施方案中，超级电容器装置包括至少25W/g的重量功率、至少10.0W/cc的体积功率、至少5.0Wh/kg的重量能量和至少3.0Wh/L的体积能量。
在另一个前述实施方案中，超级电容器装置包括至少15W/g的重量功率、至少10.0W/cc的体积功率、至少20.0Wh/kg的重量能量和至少12.5Wh/L的体积能量。
在一个上述实施方案中，超级电容器装置包括至少15F/g、至少20F/g、至少25F/g、至少30F/g、至少35F/g、至少90F/g、至少95F/g、至少100F/g、至少105F/g、至少110F/g、至少115F/g、至少120F/g、至少125F/g或至少130F/g的重量电容量。在另一个实施方案中，超级电容器装置包括至少5F/cc、至少10F/cc、至少15F/cc、至少18F/cc、至少20F/cc或至少25F/cc的体积电容量。在前述的一些实施方案中，使用1.8M的四乙铵-四氟硼酸盐在乙腈(AN中的1.8M TEATFB)电解质中的溶液和0.5A/g、1.0A/g、4.0A/g或8.0A/g的电流密度，通过从2.7V至0.1V的恒电流放电在5秒时间常数的情况下测量重量电容量和体积电容量。
在一些前述实施方案中，提供了如本文公开的超级电容器，其中在电压保持期之后，超级电容器的原始电容量(即，经历电压保持之前的电容量)的百分比降低小于包含已知碳材料的超级电容器的原始电容量的百分比降低。在一个实施方案中，在将电压在65℃下保持在2.7V持续24小时后，超级电容器的剩余的原始电容量的百分比为至少90％、至少80％、至少70％、至少60％、至少50％、至少40％、至少30％、至少20％或至少10％。在前述的其它实施方案中，在0.5A/g、1A/g、4A/g或8A/g的电流密度下测量电压保持期后剩余的原始电容量的百分比。
在另一个实施方案中，本公开内容提供了如本文公开的超级电容器，其中重复的电压循环后的超级电容器的原始电容量的百分比降低小于经历相同条件的包含已知碳材料的超级电容器的原始电容量的百分比降低。例如，在一个实施方案中，在1000、2000、4000、6000、8000或10,000次电压循环事件(包括在2V至1V和4A/g的电流密度下的循环)后，超级电容器的剩余的原始电容量的百分比大于包含已知碳材料的超级电容器的剩余的原始电容量的百分比。在另一个实施方案中，在1000、2000、4000、6000、8000或10,000次电压循环事件(包括在2V至1V和4A/g的电流密度下的循环)后，超级电容器的剩余的原始电容量的百分比为至少90％、至少80％、至少70％、至少60％、至少50％、至少40％、至少30％、至少20％或至少10％。
如上所述，水合碳材料粉末可以用于制备超级电容器装置。在一些实施方案中，将水合碳材料粉末或多孔碳材料使用根据本领域的喷磨机碾磨至约10微米的平均粒度。
公开的水合碳材料粉末可以用于需要稳定、高表面积的微孔和中孔结构的装置中。公开的水合碳材料粉末的应用的实例包括但不限于：能量存储和分配装置、电容器电极、超级电容器电极、伪电容器电极、电池电极、锂离子阳极、锂离子阴极、锂-碳电容器电极、铅酸电池电极、气体扩散电极(包括锂-空气电极和锌-空气电极)、锂离子电池和电容器(例如作为阴极材料)、电化学系统中的其它活性材料的传导集电器/支架、纳米结构的材料支撑支架、固态气体存储(例如，H2和CH4存储)、吸附剂和作为用于其它催化功能(如氢存储或燃料电池电极)的基于碳的支架支撑结构。
公开的水合碳材料粉末也可以用于动能收集应用，例如：混合动力车辆、重型混合动力车辆、所有电驱动车辆、起重机、叉车、电梯、电力轨道、混合动力机车和电动自行车。水合碳材料粉末也可以用于电力备份应用，例如：UPS、数据中心桥电源、电压突跌补偿、电制动致动器、电动门致动器、电子产品、电信塔桥电源。其中本公开内容的水合碳材料粉末可能有用的需要脉冲功率的应用包括但不限于：配电板稳定化、电子产品，包括移动电话、PDA、相机闪光、电子玩具、风力涡轮机叶片俯仰致动器、功率质量/功率调节/频率调节和电增压器。水合碳材料粉末的其它用途包括在汽车启动和停止系统、动力工具、手电筒、个人电子产品、独立的太阳能照明系统、RFID芯片和系统、用于测量装置功率的风场开发器、传感器、脉冲激光系统和相位器中的用途。
本文公开的水合碳材料粉末在任何数量的电子装置中均发现效用，所述电子装置包括无线消费和商业装置，例如数字静态相机、笔记本电脑、医疗装置、位置跟踪装置、汽车装置、微型快闪装置、移动电话、PCMCIA卡、手持装置和数字音乐播放器。
一个实施方案提供了根据前述实施方案的水合碳材料粉末的用途，其中电能存储装置是双电层电容器(EDLC)装置，其包括：
a.正极和负极，其中正极和负极中的每一个均包含水合碳；
b.惰性多孔隔板；以及
c.电解质；
其中正极和负极被惰性多孔隔板隔开。
在相关的实施方案中，EDLC装置包括至少13F/cc的重量电容量，如通过从2.7V至0.1V的恒电流放电和用至少0.24Hz频率响应并且使用1.8M的四乙铵-四氟硼酸盐在乙腈电解质中的溶液和0.5A/g的电流密度测量的。在其它实施方案中，EDLC装置包括至少17F/cc的重量电容量，如通过从2.7V至0.1V的恒电流放电和用至少0.24Hz频率响应并且使用1.8M的四乙铵-四氟硼酸盐在乙腈电解质中的溶液和0.5A/g的电流密度测量的。在某些其它相关的实施方案中，EDLC装置包括至少20F/cc的体积电容量，如通过从2.7V至0.1V的恒电流放电在5秒时间常数的情况下，使用1.8M的四乙铵-四氟硼酸盐在乙腈电解质中的溶液和0.5A/g的电流密度测量的。在一些前述实施方案中，EDLC装置包括至少25F/g的体积电容量，如通过从2.7V至0.1V的恒电流放电在5秒时间常数的情况下，使用1.8M的四乙铵-四氟硼酸盐在乙腈电解质中的溶液和0.5A/g的电流密度测量的。
在其它实施方案中，EDLC装置包括104F/g或更大的重量电容量，如通过从2.7V至0.1V的恒电流放电在5秒时间常数的情况下，使用1.8M的四乙铵-四氟硼酸盐在乙腈电解质中的溶液和0.5A/g的电流密度测量的。在其它实施方案中，EDLC装置包括5.0F/cc或更大的体积电容量，如通过从2.7V至0.1V的恒电流放电在5秒时间常数的情况下，使用1.8M的四乙铵-四氟硼酸盐在乙腈电解质中的溶液和0.5A/g的电流密度测量的。在前述的一些其它实施方案中，体积电容量为10.0F/cc或更大、15.0F/cc或更大、20.0F/cc或更大、21.0F/cc或更大、22.0F/cc或更大、或者23.0F/cc或更大。
可以用适当的电解质溶液润湿公开的EDLC的碳电极(即，包含水合碳材料粉末)。用于本公开内容的装置的电解质溶液中的溶剂的实例包括但不限于碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、碳酸丁烯酯、碳酸二甲酯、碳酸甲基乙酯、碳酸二乙酯、环丁砜、甲基环丁砜和乙腈。此类溶剂通常与溶质混合，所述溶质包括四烷基铵盐，例如TEATFB(四乙铵四氟硼酸盐)；TEMATFB(三乙基甲基铵四氟硼酸盐)；EMITFB(1-乙基-3-甲基咪唑鎓四氟硼酸盐)、基于四甲铵或三乙铵的盐。电解质可以是水性酸或碱电解质，例如温和的硫酸或氢氧化钾。
因此，在一些实施方案中，用1.0M的四乙铵-四氟硼酸盐在乙腈(在AN中的1.0MTEATFB)电解质中的溶液润湿EDLC的电极。在其它实施方案中，用1.0M的四乙铵-四氟硼酸盐在碳酸丙烯酯(在PC中的1.0M TEATFB)电解质中的溶液润湿EDLC的电极。这些是在研究和工业中使用的常用电解质并且被认为是评估装置性能的标准。
在第2012/0202033号美国公开中描述了用于测定电容量和功率输出的方法，所述美国公开通过引用整体并入本文。
3.方法
一个实施方案提供了用于制备水合碳材料粉末的方法，所述方法包括：
使具有孔体积的多孔碳材料与大于孔体积的第一体积的水接触，从而用水基本上填充孔体积；
去除第一体积的水的一部分；以及
以粉末形式分离水合碳材料，
其中水合碳材料粉末包含大于孔体积的第二体积的水。
在前述方法的相关实施方案中，如根据本文以上描述的实施方案定义水合碳材料粉末。
一个实施方案提供了用于制备铅酸电池的负活性材料的方法，所述方法包括将任一前述实施方案的水合碳材料粉末或任一前述方法的分离的固体组合物与铅、水和硫酸混合，从而形成糊料。
本公开内容的范围内的活性材料包括能够存储和/或传导电力的材料。活性材料可以是本领域已知的任何活性材料并且可以用于铅酸电池中，例如，活性材料可以包括铅、铅(II)氧化物、铅(IV)氧化物或其组合并且可以是糊料的形式。
一些实施方案提供了包含水合碳材料粉末的铅酸电池。例如，一些实施方案提供了电池，其包括：包含正活性材料的至少一个正极、包含根据任一前述实施方案的水合碳材料粉末的至少一个负极，其中正极和负极被惰性多孔隔板隔开。在一些实施方案中，铅酸电池是2V铅酸电池。在一些实施方案中，电池具有约2伏特的操作电压。
一个实施方案提供了任一前述实施方案的水合碳材料粉末、或本文描述的方法的任一实施方案的分离的固体组合物用于制备电存储装置的电极的用途。在前述的实施方案中，电能存储装置是电池，例如铅酸电池。
还发现公开的水合碳材料粉末作为在许多类型的电池中的电极的效用。一个此类电池是金属空气电池，例如锂空气电池。锂空气电池通常包括插入正极与负极之间的电解质。正极通常包括锂化合物(例如氧化锂或过氧化锂)并且用于氧化或还原氧。负极通常包括吸收和释放锂离子的碳质物质。与超级电容器一样，包含公开的水合碳材料粉末的电池(例如锂空气电池)预期优于包含已知碳材料的电池。
任何数量的其它电池(例如，锌-碳电池、锂/碳电池、铅酸电池等)也期望用碳材料表现更好。本领域技术人员将认识到将受益于公开的水合碳材料粉末的其它具体类型的含碳电池。
在与前述实施方案相关的另一个实施方案中，电能存储装置是双电层电容器(EDLC)装置，其包括：
a.正极和负极，其中正极和负极中的每一个均包含水合碳；
b.惰性多孔隔板；以及
c.电解质；
其中正极和负极被惰性多孔隔板隔开。
可以改变混合的方法并且混合的方法在本领域是已知的。例如，混合的方法可以包括，例如，使用不同的混合设备(例如，ROSS行星混合器、“Thinky”行星混合器等)、水注入方法(例如，蒸气或液体)和混合叶片和/或轴。此外，可以使用不同的放电方法以促进萃取过程。可以对与制备水合碳材料粉末有关的条件进行微调，包括施加部分真空以诱导较高的吸水率。
因此，在一些实施方案中，在混合期间以蒸气的形式注入所述体积的水。在一些其它实施方案中，在混合期间施加部分真空。
4.公开的水合碳材料粉末的性质
本文公开的实施方案改善碳分散体质量，促进处理的简易性，并且避免“起尘”或将潜在有害颗粒释放进入空气中。本公开内容提供的实施方案保持自由流动的粉末特性，同时节省与水合(或“润湿”)碳材料，特别是具有不规则孔隙率的碳材料相关的时间和资源。
本文公开的水合碳材料粉末的实施方案的优异的分散性提供了在浆料中时与其它添加剂更均匀且快速的混合。如此，本公开内容的实施方案提供了碳材料与其它材料的更全面且均匀的混合，产生较高质量的产品(例如，电池、电极、EDLC装置等)。
例如，用于在铅酸负活性材料(NAM)中掺入碳添加剂。本公开内容的实施方案避免在与其它干燥成分、水和硫酸混合成铅糊料时渗出水。因此，本公开内容的实施方案避免了在固化的铅酸板中发生干燥点，这可能损害其完整性。
实施例
根据本领域已知的方法制备以下实施例和某些实施方案中公开的碳材料。例如，可以根据第2012/0202033号、第2011/0002086号美国公开中公开的方法制备碳材料，其全部内容通过引用并入本文。
实施例1
水合碳材料粉末的小规模制备
在四个单独的批次中，将10g的碳1、碳2、碳3和碳4粉末添加至“Thinky”行星顶置混合器中。在混合期间添加去离子水的增量添加，以确定使每个样品水合所需的水量。确定了所需的含水量与多孔碳材料的孔体积成正比增加。结果以及每种碳材料的物理特性示于以下表1中。
表1.水合碳材料粉末的物理性质
Figure BDA0002413670560000391
Figure BDA0002413670560000401
使用等式2计算相对于孔体积的过量水(括号里的值)
#使用等式1的过量水因子运算来计算百分比
此外，碳1、碳2、碳3和碳4分别具有计算为8.5、7.5、7.0和8.5的pH值。碳1、碳2、碳3和碳4的主要孔特性分别是微孔/中孔、微孔/中孔、中孔和微孔。过量水的比率具有与多孔碳材料的孔特性(即，微孔隙率或中孔隙率)的相关性。如上所述，碳1和碳2具有微孔和中孔二者，碳3仅具有中孔，并且碳4仅具有微孔。使用表1中的数据导出用于计算最终的水合碳材料粉末的含水量等式1的版本。必要的水与碳的比率可以基于用于中孔和微孔的等式1、总孔体积以及被称为“过量水因子”或“EWF”的孔特性相关因子(即，当等式1适用于计算具有中孔和微孔的碳材料时)来计算：
EWF＝(％PVmicro×EWFmicro)+(％PVmeso×EWFmeso)
其中EWF是过量水因子，％PVmicro是存在于微孔中的总孔体积的百分比，EWFmicro是微孔的EWF(即，1.39)，％PVmeso是存在于中孔中的总孔体积的百分比，并且EWFmeso是中孔的EWF(即，1.7)。
这些数据显示出，使每批多孔碳材料水合所需的水的体积出乎意料地比多孔碳材料的孔体积大。即，体积大于多孔碳材料的总孔体积的水产生以自由流动的粉末形式存在的水合碳材料粉末。
使用表1中的这些数据导出用于计算最终的水合碳材料粉末的含水量的等式。可以使用中孔的EWF(EWFmeso)＝1.7和微孔的过量水因子(EWFmicro)＝1.39(PV＝以下计算中的孔体积)进行计算。即，根据以下计算水与碳材料：
水:碳材料＝
(％微孔体积×EWFmicro+％中孔体积×EWFmeso)×(总PV)
碳1的计算(2.0mL/g的水与碳的比率)
[(50％中孔隙率)(1.7)+(50％微孔隙率)(1.39)]×1.29＝2.0mL/g
碳3的计算(0.9mL/g的水与碳的比率)
[(100％中孔隙率)(1.7)]×0.53＝0.9mL/g
碳4的计算(1.0mL/g的水与碳的比率)
[(100％微孔隙率)(1.39)]×0.72＝1.0mL/g
或者，可以根据以下等式(等式2)，基于孔体积和过量水来计算含水量：
Figure BDA0002413670560000411
此外，过量水的比率似乎具有与多孔碳材料的孔特性的相关性。碳1和碳2含有微孔和中孔二者，而碳3仅含有中孔。不希望被理论束缚，似乎是微孔以与中孔相比更高的速率通过毛细管作用水合。因此，当碳材料与水跨相同时间段混合时，具有微孔的水合碳材料粉末与仅具有中孔的水合碳材料粉末相比具有更高的含水量。基于孔结构的预测水合比率的范围示于以下表2中。等式1是用于计算过量水(即，使用过量水因子)的优选方法。
表2.基于孔隙率的期望的水合比率
Figure BDA0002413670560000413
Figure BDA0002413670560000412
基于100％孔体积计算(等式2)
#使用等式1计算
实施例2
水合碳材料粉末的中试规模制备
将碳1和碳2粉末(1kg)添加至ROSS行星混合器中。添加水并且与多孔碳材料混合以使多孔碳材料适当地水合，产生水合碳材料粉末。使用实施例1中显示的等式计算最终的水合碳材料粉末的含水量。通过对碳1和碳2的水合碳材料粉末取样并且在100℃的对流烘箱中干燥12小时，测定实际含水量。碳1和碳2的水合碳材料粉末的实际含水量分别为59％w/w和46％w/w。
实施例3
均匀性测试
从实施例2的混合物中采集额外的碳2样品，以测定最终的水合碳材料粉末的均匀性。如以下表3所示，从松散材料的不同位置收集样品。根据实施例2中描述的程序，测定每种样品的含水量。表3的数据表明，整个混合物始终显示出高度均匀的含水量。
表3.水合碳材料粉末的均匀性测量
Figure BDA0002413670560000421
Figure BDA0002413670560000422
标准偏差＝0.4％
实施例4
电化学性能—干燥碳对比水合碳
制备用于产生负活性材料或NAM(即，NAM 1和NAM 2)的两种糊料组合物，以确定在加工期间向铅酸糊料中加入水合碳的作用。根据以下表4添加NAM组分：
表4.铅酸糊料的组分
Figure BDA0002413670560000423
Figure BDA0002413670560000424
水合碳3具有43.8％的水分含量，因此添加17.8g的水和碳3引入10g的碳材料和8mL的水。
为了开始糊料加工，向Eirich EL1混合桶中加入水体积。将硫酸钡、木质素、N220碳黑和碳3(水合或干燥的)添加至水中并且用刮刀手动混合60秒。然后向混合物中添加含铅氧化物，并且将所得的混合物以高强度混合100秒。然后将酸在12分钟时期内在活性混合期间添加至混合物中。在完成酸的添加后，将糊料再混合2分钟。将所得的糊料应用于铅网中并且固化以形成负极。
使用NAM 1和NAM 2制备的铅酸电池显示出在测试C/20和1C容量时的容量没有显著差异，分别如图1A和图1B所示。
实施例5
动力再充电时间
动力测试用于测定用水合碳制备的NAM的平均充电时间的减少。即，对用如实施例4中描述的NAM 1和NAM 2制备的电池进行测试，以测定动力再充电时间。动力测试使用在0.1A(C/20)下至20％充电状态的放电，1分钟休息，在2.6V下充电，0.8A限制，直至达到105％的放电容量，然后是1小时休息。用NAM 2制备的电池显示出显著减少的平均充电时间(例如，4.5小时相对于6小时)，如图2所示(理论上最低2.5小时)。即，对于用NAM 2制备的电池，观察到了43％的改善。
实施例6
微循环—直至第一次故障的循环
将微循环/时间变化的高倍率部分充电状态测试方案用于测试使用如实施例4中描述的NAM 1和NAM 2制备的电池。微循环测试使用以下步骤：
1.在1A(1C)下放电至50％充电状态
2.1分钟休息
3.在2A下放电60秒
4.10秒休息
5.在2.4V下充电直至达到0.0333Ah(即，与放电Ah相同)
6.10秒休息
7.重复步骤4至7直至达到1.7V(即，第1次故障)
微循环测试方案的结果示于图3中。总之，与使用NAM 1制备的电池相比，对于用NAM 2制备的电池观察到了平均33％的改善。即，与用NAM 2制备的电池的10,000次相比，用NAM 1制备的电池在故障前的平均循环数量从7,500次改善。
实施例7
扩大规模研究
在Littleford混合器中使用碳3材料制备了9批样品，每批样品具有与18Kg去离子水混合的20kg碳3材料。持续不断地混合25分钟(以38RPM)，经由注射以1400mL/分钟在13分钟内添加水，并且总混合时间为25分钟。使用60RPM至160RPM的排放收集水合碳材料粉末，以产生以下表5中所列的以下水分含量：
表5.水合碳材料粉末的水分含量
批次编号 水分含量(％)
1 47.27
2 47.24
3 45.7
4 45.89
5 47.42
6 47.34
7 46.58
8 46.93
9 46.46
实施例8
定性浆料分析
制备了两种浆料，一种是干燥碳3(浆料1)，并且一种是水合碳3(浆料2)。使浆料在分析前静置24小时。通过轻轻的倾斜搅拌样品，观察到浆料1保持粘在烧杯的壁上(即，不再处于悬浮；图4A中用箭头指示)，而浆料2保持悬浮(图4B)。碳材料为了便于操作和减少材料在制造过程期间的损失而保持悬浮是高度期望的。
实施例9
水合碳的制造
本公开内容的示例性水合碳可以以相对小的规模(1kg)至相对大的规模(25kg)制备。向
Figure BDA0002413670560000452
5L混合器中填充1kg的干燥碳3，并且以40mL/分钟的速率供应去离子水，以实现1:0.9的固体:溶剂比率。将所得的混合物以150RPM混合23分钟。通过将50g所得的水合碳材料粉末在100℃下放置在对流烘箱中过夜，测定所得的水合碳材料粉末的水分含量为47％。
实施例10
水合碳的制造
使用Littleford 130L混合器制备两个其它代表性批次样品。根据以下表6中描述的参数制备批次样品。
表6.大规模的批次参数
Figure BDA0002413670560000451
实施例11
粒度的比较
使用不同的固体与溶剂的比率根据实施例1使碳1(粒度：约8.5微米)和碳2(粒度：约60微米)水合。对所得的水分含量进行测试，并且结果示于以下表7中：
表7.用不同的固体与溶剂的比率水合的碳1和碳2的水分含量
碳 固体与溶剂的比率 水分含量(％)
碳1 1:1 48
碳1 1:1.5 58
碳1 1:2 64
碳2 1:1 48
碳2 1:1.5 60
碳2 1:2 68
2017年9月20日提交的第62/561,081号美国临时申请通过引用整体并入本文。
可以将以上描述的各种实施方案进行组合以提供其它实施方案。将本说明书涉及的和/或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、国外专利、国外专利申请和非专利公开通过引用整体并入本文。若必要，实施方案的方面可以修改以采用各种专利、申请和公开的概念，从而提供其它实施方案。可以根据以上详细描述对实施方案作出这些和其它改变。通常，在所附权利要求书中，使用的术语不应被解释为将权利要求限制于本说明书和权利要求书中公开的具体实施方案，而是应解释为包括所有可能的实施方案连同此类权利要求所规定的等效物的所有范围。因此，权利要求不受本公开内容限制。

Claims (61)

1.水合碳材料粉末，包含：
具有孔体积的多孔碳材料；以及
体积比所述孔体积大的水。
2.如权利要求1所述的水合碳材料粉末，其中所述水合碳材料粉末包含活性碳。
3.如权利要求1或2所述的水合碳材料粉末，其中基于所述水合碳材料粉末的总重量，所述水合碳材料粉末具有30％至70％的含水量。
4.如权利要求1至3中任一项所述的水合碳材料粉末，其中基于所述水合碳材料粉末的总重量，所述水合碳材料粉末具有大于40％的含水量。
5.如权利要求1至3中任一项所述的水合碳材料粉末，其中基于所述水合碳材料粉末的总重量，所述水合碳材料粉末具有大于50％的含水量。
6.如权利要求1至3中任一项所述的水合碳材料粉末，其中基于所述水合碳材料粉末的总重量，所述水合碳材料粉末具有大于60％的含水量。
7.如权利要求1至6中任一项所述的水合碳材料粉末，其中所述水的体积比所述孔体积大约10％至90％。
8.如权利要求1至7中任一项所述的水合碳材料粉末，其中所述水的体积比所述孔体积大约10％至75％。
9.如权利要求1至8中任一项所述的水合碳材料粉末，其中所述水的体积比所述孔体积大10％至50％。
10.如权利要求1至9中任一项所述的水合碳材料粉末，其中所述水的体积比所述孔体积大约35％至45％。
11.如权利要求1至10中任一项所述的水合碳材料粉末，其中所述水的体积比所述孔体积大约40％。
12.如权利要求1至8中任一项所述的水合碳材料粉末，其中所述水的体积比所述孔体积大约50％至60％。
13.如权利要求12所述的水合碳材料粉末，其中所述水的体积比所述孔体积大约55％。
14.如权利要求1至8中任一项所述的水合碳材料粉末，其中所述水的体积比所述孔体积大约65％至75％。
15.如权利要求14所述的水合碳材料粉末，其中所述水的体积比所述孔体积大约70％。
16.如权利要求1至9中任一项所述的水合碳材料粉末，其中所述水的体积比所述孔体积大20％至30％。
17.如权利要求1至9中任一项所述的水合碳材料粉末，其中所述水的体积比所述孔体积大40％至50％。
18.如权利要求1至17中任一项所述的水合碳材料粉末，其中所述水的体积比所述孔体积大至少20％。
19.如权利要求1至10中任一项所述的水合碳材料粉末，其中所述水的体积比所述孔体积大至少40％。
20.如权利要求1至8中任一项所述的水合碳材料粉末，其中所述水的体积比所述孔体积大至少60％。
21.如权利要求1至20中任一项所述的水合碳材料粉末，其中所述孔体积包括具有大于0nm至50nm的直径的孔。
22.如权利要求1至21中任一项所述的水合碳材料粉末，其中大于50％的所述孔体积存在于具有2nm至50nm的直径的孔中。
23.如权利要求1至21中任一项所述的水合碳材料粉末，其中大于50％的所述孔体积存在于具有大于0nm至小于2nm的直径的孔中。
24.如权利要求1至23中任一项所述的水合碳材料粉末，其中约40％至约60％的总孔体积存在于微孔中，并且约40％至约60％的总孔体积存在于中孔中。
25.如权利要求1至8中任一项所述的水合碳材料粉末，其中过量水因子为约1.60至约1.80。
26.如权利要求25所述的水合碳材料粉末，其中所述过量水因子为约1.7。
27.如权利要求1至8中任一项所述的水合碳材料粉末，其中过量水因子为约1.45至约1.65。
28.如权利要求27所述的水合碳材料粉末，其中所述过量水因子为约1.55。
29.如权利要求1至8中任一项所述的水合碳材料粉末，其中过量水因子为约1.29至约1.49。
30.如权利要求29所述的水合碳材料粉末，其中所述过量水因子为约1.39。
31.如权利要求1至30中任一项所述的水合碳材料粉末，其中基于所述多孔碳材料在不存在水的情况下的重量，所述孔体积为0.3cc/g至1.5cc/g。
32.如权利要求31所述的水合碳材料粉末，其中基于所述多孔碳材料在不存在水的情况下的重量，所述孔体积为0.3cc/g至0.8cc/g。
33.如权利要求31所述的水合碳材料粉末，其中基于所述多孔碳材料在不存在水的情况下的重量，所述孔体积为0.3cc/g至0.7cc/g。
34.如权利要求31所述的水合碳材料粉末，其中基于所述多孔碳材料在不存在水的情况下的重量，所述孔体积为1.0cc/g至1.5cc/g。
35.如权利要求1至31中任一项所述的水合碳材料粉末，其中基于所述多孔碳材料在不存在水的情况下的重量，所述孔体积大于0.5cc/g。
36.如权利要求1至31中任一项所述的水合碳材料粉末，其中基于所述多孔碳材料在不存在水的情况下的重量，所述孔体积大于1.0cc/g。
37.如权利要求1至36中任一项所述的水合碳材料粉末，其中如通过质子诱导X射线发射测量，所述多孔碳材料包含原子序数为11至92的元素的小于500ppm的总杂质含量。
38.如权利要求1至36中任一项所述的水合碳材料粉末，其中如通过质子诱导X射线发射测量，所述多孔碳材料包含原子序数为11至92的元素的小于100ppm的总杂质含量。
39.如权利要求1至38中任一项所述的水合碳材料粉末，其中所述多孔碳材料具有500m2/g至3,000m2/g的BET比表面积。
40.如权利要求39所述的水合碳材料粉末，其中所述多孔碳材料具有500m2/g至1,000m2/g的BET比表面积。
41.如权利要求39所述的水合碳材料粉末，其中所述多孔碳材料具有1,000m2/g至2,000m2/g的BET比表面积。
42.如权利要求1至39中任一项所述的水合碳材料粉末，其中所述碳材料粉末具有大于500m2/g的BET比表面积。
43.如权利要求1至39中任一项所述的水合碳材料粉末，其中所述碳材料粉末具有大于1,500m2/g的BET比表面积。
44.如权利要求1至43中任一项所述的水合碳材料粉末，其中所述碳材料粉末具有约2微米至约12微米的D(50)粒度。
45.如权利要求1至43中任一项所述的水合碳材料粉末，其中所述碳材料粉末具有约10微米至约100微米的D(50)粒度。
46.如权利要求1至43中任一项所述的水合碳材料粉末，其中所述碳材料粉末具有约25微米至约100微米的D(50)粒度。
47.如权利要求1至43中任一项所述的水合碳材料粉末，其中所述碳材料粉末具有约20微米至约80微米的D(50)粒度。
48.如权利要求1至43中任一项所述的水合碳材料粉末，其中所述碳材料粉末具有约50微米至约100微米的D(50)粒度。
49.包含多孔碳材料和水的分离的固体组合物，其中所述组合物包含体积大于所述多孔碳材料的总孔体积的水。
50.如权利要求49所述的分离的固体组合物，其中所述水的体积比所述总孔体积大10％至90％。
51.如权利要求49至50中任一项所述的分离的固体组合物，其中所述水的体积比所述总孔体积大10％至75％。
52.如权利要求49至51中任一项所述的分离的固体组合物，其中所述水的体积比所述总孔体积大10％至50％。
53.如权利要求49至52中任一项所述的分离的固体组合物，其中基于所述多孔碳材料在不存在水的情况下的重量，所述总孔体积为0.3cc/g至1.5cc/g。
54.水合碳材料粉末，其由以下构成：
具有孔体积的多孔碳材料；以及
体积比所述孔体积大的水。
55.用于制备水合碳材料粉末的方法，所述方法包括：
使具有孔体积的多孔碳材料与大于所述孔体积的第一体积的水接触，从而用水基本上填充所述孔体积；
去除所述第一体积的水的一部分；以及
以粉末形式分离所述水合碳材料，
其中所述水合碳材料粉末包含大于所述孔体积的第二体积的水。
56.如权利要求55所述的方法，其中所述水合碳材料粉末如权利要求2至54中任一项所限定。
57.制备用于铅酸电池的负活性材料的方法，所述方法包括将权利要求1至48或54中任一项所述的水合碳材料粉末或权利要求49至53中任一项所述的分离的固体组合物与铅、水和硫酸混合，从而形成糊料。
58.权利要求1至48或54中任一项所述的水合碳材料粉末或权利要求49至53中任一项所述的分离的固体组合物用于制备用于电存储装置的电极的用途。
59.如权利要求58所述的用途，其中所述电能存储装置是电池。
60.如权利要求59所述的用途，其中所述电池是铅酸电池。
61.如权利要求57所述的用途，其中所述电能存储装置是双电层电容器(EDLC)装置，所述双电层电容器装置包括：
a.正极和负极，其中所述正极和所述负极中的每一个均包含所述水合碳；
b.惰性多孔隔板；以及
c.电解质；
其中所述正极和所述负极被所述惰性多孔隔板隔开。
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