CN116940524A - 用于生产活性炭基电极材料的吹扫气体制程 - Google Patents

用于生产活性炭基电极材料的吹扫气体制程 Download PDF

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Abstract

提供了活性炭及制备活性炭的方法。该活性炭可以借由活化木质素或高木质素原料且随后使该活性炭经受第一高温下的吹扫气体来生产。

Description

用于生产活性炭基电极材料的吹扫气体制程
相关申请的交叉引用
本申请案主张2021年2月17日申请的美国临时专利申请案第63/150244号的优先权及权益，其发明名称为用于生产活性炭基电极材料的吹扫气体制程(Sweeping GasProcess for Production of Activated Carbon-Based Electrode Materials)，该申请案以全文引用的方式并入本文中用于所有目的。
技术领域
一些实施例涉及用于制造具有相对高电导的活性炭的方法。一些实施例涉及用于制造具有相对低氧含量的活性炭的方法。一些实施例涉及利用本文描述的方法制造的活性炭。一些实施例涉及具有由此类材料制成的电极的超级电容器或电池组。一些实施例涉及含有储能结构的建筑及模块化建筑构件，所述储能结构具有由此类材料制成的电极。
背景技术
电化学储能装置利用物理及化学特性来储存能量。举例而言，超级电容器使用物理储存机制来产生高功率与长寿命。电池组采用氧化还原反应来产生能量。
储能系统的电极在超级电容器及电池组应用(包括锂硫(LiS)电池组应用)中需要高吸附容量与良好的微孔度及低电阻。典型的活性炭具有高吸附能力，但通常不具有适合的电特性。典型的活性炭具有与氧相关的官能团，所述官能团以化学方式结合在表面上，此能造成超级电容器及锂硫电池组的使用寿命缩短。
在解决其电特性的缺点的情况下，诸如活性炭之类的碳材料可以提供用于制造电极的有用材料。举例而言，碳基材料可以设计为高度多孔的材料，从而具有高表面积。材料中的孔径可以是微孔的，主要是为了提供高表面积。碳材料亦可以提供良好的吸附性(亦即，离子附着在材料表面上)及低电阻(亦即，在大电流下有效的电子及离子运动)。碳孔径可以描述为微孔(具有小于2nm的孔宽)、中孔(具有2nm与50nm之间的孔宽)及大孔(具有大于50nm的孔宽)。
活性炭由于表面积高(1,000-3,000m2/g)已被用于电极材料。活性炭广泛地由许多天然物质生产，诸如煤(褐煤、烟煤及无烟煤)、泥煤、木材及椰子壳。在这些天然原料中，椰子壳为一种很好的活性炭，因为其主要的微孔度小于超级电容器碳所要求的2nm。
活性炭的生产主要涉及碳化及用氧化剂活化。在没有氧气的情况下，碳化将天然物质转化为炭(碳)。炭被部分氧化以产生活性炭。活化形成活性炭的多孔表面，但此种部分氧化过程不能去除含氧官能团。当活性炭用于超级电容器的电极材料时，含氧官能团可以为超级电容器产生寄生反应，从而降低初始电容并限制使用寿命。含氧官能团亦为超级电容器及电池组应用(诸如锂硫应用)产生高电阻。
具有改进电特性的活性炭材料的潜在应用实例包括超级电容器及电池组，包括金属硫(例如锂硫(LiS))电池组。超级电容器为高容量电容器，可以弥合电解电容器与可充电电池组之间的差距。超级电容器每单位体积或质量可以储存比电解电容器更多的功率(例如，通常为10到100倍的功率)，并且可以比电池组更快地接受及传递电荷，因为充电/放电仅涉及离子的物理运动，而并非化学反应。与电池组相比，超级电容器亦可以承受更多的充电及放电循环，并且可用于功率猝增，例如在混合动力车中在再生制动期间回收及提供电力，或作为建筑或建筑构件的一部分进行储能。碳为超级电容器的理想材料，因为其表面积高、电阻低且成本有利。
可充电电池组技术中越来越受关注的领域为锂硫(Li-S)电池组。锂硫电池组具有锂金属阳极及硫阴极。硫作为主体材料浸渍在活性炭的微孔中，活性炭为锂硫电池组系统中的硫物种提供导电及吸附能力。硫及锂的理论容量分别为1672或1675mA h g-1。因此，Li-S电池组的理论能量密度为2500Wh kg-1，此为可充电电池组中最高的理论能量密度之一。因此，锂硫电池组为可携电子产品及电动车提供了一种很有前途的电能储存系统。
锂硫(LiS)电池组借由将阴极处的硫还原为硫化锂来工作：
形成硫化锂的硫还原反应很复杂，且涉及形成各种多硫化锂(Li2Sx，8<x<1，例如Li2S8、Li2S6、Li2S4，及Li2S2)。
在一些锂硫电池组的情况下，阳极可以是纯锂金属(在放电过程中Li°被氧化为Li+)，且在一些情况下，阴极可以是含硫的活性炭(在放电过程中S°还原为S2-)。在阳极与阴极之间设置离子可渗透的隔板，且在此种系统中使用的电解质通常基于有机溶剂的混合物，诸如环状醚，诸如1,2-二甲氧基乙烷(DME)及1,3-二氧杂环戊烷(DOXL)，含有1摩尔的双(三氟甲磺酰)亚胺锂(LiN(SO2CF3)2)及1％的硝酸锂或其类似物。
锂硫电池组的潜在优势包括高能量密度(理论上是锂离子的5倍，但实际上是锂离子的2至3倍)，在储存时不需要补充充电(top-up charging)(而锂离子电池组可能需要40％定期充电以防止容量损失)，活性材料比锂离子更轻，且用于制造锂硫电池组的材料比锂离子电池组更环境友好且更便宜(因为不需要稀土金属)。
然而，锂硫电池组系统面临的挑战尚未得到充分解决以使其具有商业价值。举例而言，多硫化锂(Li2Sx，其中x是3与8之间的整数)溶解在电解质中，并进一步还原为在电池组系统的阳极上形成的不溶性硫化锂(例如Li2S2还原为Li2S)。此类形成会造成活性材料的损失，导致寿命周期短(亦即，放电及充电循环更少)，此在商业上是没有用的。
此外，由于硫在电子及离子上是绝缘的，因此需要将硫嵌入至导电基质中才能用于锂硫电池组。碳是锂硫电池组电极的潜在有用材料，因为其具有微孔结构，可以捕获多硫化锂的沉积，并有助于最大限度地减少放电过程中的电极膨胀。锂硫电池组的阴极可以由浸渍硫的活性炭作为活性材料制成，在阳极侧与锂金属中的锂离子发生反应。电极需要高吸附能力与微孔度及低电阻，以便为超级电容器产生高电容，并在阳极侧捕获及减轻导致LiS电池组的使用寿命缩短的不溶性多硫化物的形成。
活性炭的许多形式亦包括高百分比，例如在约15％的范围内，通常呈含氧官能团的形式的氧。氧是一种绝缘材料，且其存在于活性炭中会增加碳产品的电阻。
采用绿色经济及可再生能源(诸如风能及太阳能)需要采用更好的储能系统。可再生能源的发电量无法预测控制，且为了使此类能源向电网供应相当大比例的电力，需要可靠且重要的储能系统来平衡可再生能源提供的不规则发电量。提供有意义的储能系统允许在电力生产期间储存电力，并允许在由可再生能源生产的电力减少期间向电网供电。然而，此类储能系统必须非常大，才能达成所需的电网稳定。
提供可以促进自可再生能源广泛生产电力的储能系统的一种策略是将此类储能系统结合至建筑或建筑构件中。此种策略可以允许储存大量能量，而不会为储能系统产生显著的单独占用空间。然而，将用作建筑或建筑构件的一部分的储能系统需要稳固且可靠(例如，具有长寿命，涵盖许多充电及放电循环)，因为此类系统的更换或维修可能很困难或对建筑的其他用途有破坏性。此外，此类储能系统应该提供高能量密度，以便使储能增至最大，同时最大限度地减少由此类储能系统占据的空间量。
仍然需要提高超级电容器及/或金属硫(包括锂硫电池组系统)的能力的技术。相关技术的先前实例及与其相关的限制意欲为说明性的且非排他性的。相关技术的其他局限性对于本领域技术人员在研读说明书且研究附图时将变得显而易知。
发明内容
以下实施例及其态样在结合于系统、工具及方法中被描述及说明，所述系统、工具及方法是为了例示性及说明性的，不是为了限制范畴。在多个实施例中，已减少或消除上述问题中之一或多者，但其他实施例是针对其他改良。
本发明的一个态样提供了一种生产活性炭的方法，其借由以下方式进行：提供木质素或高木质素原料；自该木质素或高木质素原料生产活性炭；以及将该活性炭暴露于第一高温下的吹扫气体中。木质素可以为木质素A(衍生自木本植物的低灰分木质素，高级形式的木质素)、木质素B(衍生自木本植物的高灰分木质素，低级形式的木质素)、木质素C(衍生自软木基黑液或小麦秆基黑液的木质素)或其混合物。高木质素原料可以为来自制浆过程的黑液，例如用于硬木、软木或谷物的制浆。谷物可以为小麦秆。
黑液原料可以借由以下方式经受水热碳化制程：在碳化氛围，诸如二氧化碳氛围下，在压力下，例如在30-80psig的初始压力下，在室温下加热，其中在约900-1500psig的压力下将温度升高至介于约200-320℃的范围内，持续2-10小时的时段。
吹扫气体可以为惰性气体与还原气体的组合。惰性气体可以为氮气、氩气或氦气。还原气体可以为氢气、氨、一氧化碳、组成气体或合成气。吹扫气体可含有介于约80％与约99％之间的惰性气体及约1％至约20％的还原气体。第一高温可以在约750℃与约950℃之间。可以按3.5至7.5厘米/分钟的表观速度供应吹扫气体。吹扫气体处理可以进行介于0.5小时与9小时之间的时段。
一个态样提供了一种由木质素或高木质素原料制造的活性炭。一个态样提供了利用如本文定义的方法制造的活性炭，包括已经经受吹扫气体制程的活性炭。亦提供了结合有此类活性炭的电极及含有此类电极的超级电容器或电池组，以及结合有此类活性炭、超级电容器或电池组的建筑或模块化建筑构件。
除了上文所述的例示性态样及实施例之外，其他态样及实施例借由参考附图及借由研究以下详细描述变得显而易知。
附图说明
例示性实施例在附图的参考图中示出。本文中所揭示的实施例及附图意欲视为说明性而非限制性的。
图1显示了使用吹扫气体制程生产活性炭材料的示例方法。
图2显示了使用吹扫气体制程生产活性炭材料的示例方法。
图3显示了使用吹扫气体制程生产活性炭材料的示例方法。
图4显示了使用吹扫气体制程生产活性炭材料的示例方法。
图5显示了使用吹扫气体制程生产活性炭材料的示例方法。
图6显示了用于量测在一个实例中使用的活性炭的电导率的例示性设备。
图7显示了用于制造供在一个实例中测试用的超级电容器电极的实验方案。
图8显示了使用吹扫气体制程生产活性炭材料的示例方法。
图9显示了对由衍生自小麦秆制浆过程的黑液制成的活性炭测定的表面积及碘值。
具体实施方式
在整个以下描述中，阐述了具体细节以便为本领域技术人员提供更透彻的理解。然而，熟知元件可能未示出或未详细描述以避免不必要地混淆本发明。因此，所述描述及附图应视为是说明性而非限制性意义。
在一个例示性实施例中，发明人开发了一种用于生产具有所需物理特性的碳的新方法。此种碳具有潜在的效用，例如，用于制造用于储能的电极，例如用于超级电容器、金属硫电池组、锂硫电池组等。发明人已经确定，与由椰子生产的对照生物基或可再生的活性炭相比，由在还原氛围下经受吹扫气体处理的木质素或高木质素材料(本文称为木质素基活性炭)生产的活性炭在木质素基活性炭的特性方面表现出显著改善。
在特定测试的例示性实施例中，使用氢氧化钾(KOH)作为例示性氧化剂，来自黑液(BL，其在碱性溶液中含有溶解的木质素)的木质素A(LA)、木质素B(LB)及木质素C(LC)被用于生产木质素基活性炭。木质素基活性炭通过吹扫气体(SG)处理，使用还原气体去除含氧官能团。YP50F(YPAC，衍生自椰子壳)被选为生物基可再生来源活性炭的比较类型。比较木质素基活性炭与YP50F的电化学特性，以表明：与由更典型的可再生活性炭来源生产的活性炭相比，本文所述的吹扫气体制程在木质素基活性炭的特性方面产生显著更好的增强。发明人亦发现，通过由黑液作为起始材料的水热碳化可以生产高品质的活性炭，特别是在黑液衍生自小麦秆或木浆的情况下。
观察到实例中测试的木质素基活性炭在吹扫气体处理后显示出显著改善的吸附能力及电特性，从而在测试的超级电容器应用中产生高电容值。吹扫气体处理的木质素基活性炭适用于超级电容器及例如包括金属硫的锂硫电池组的电池组应用中的电极材料。与椰子壳基活性炭相比，观察到本文所述的吹扫气体处理在增强木质素基活性炭的特性方面特别有效。
如本文所用，活性炭的可再生来源是指可以自然补充自身的碳源(例如，其衍生自生物基来源，诸如木质素或椰子)，而并非不可再生的活性炭来源，诸如煤或石油副产品。
如本文所用，木质素是指木质素A、木质素B及木质素C。高木质素原料是指含有显著比例的木质素(例如按重量计，介于65％与98％或更高之间的木质素干物质含量，包括其间的任何子范围，例如至少65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％、96％、97％、98％或大于98％的木质素干物质含量)的材料，或来自由制浆制程中获得的黑液(其湿物质含量通常含有介于10-15％之间的木质素，包括其间的任何值，包括按重量计11、12、13或14％的木质素，并且其干物质含量可能含有按重量计至少20-35％或更高的可回收的木质素，包括其间的任何子范围，例如基于干物质计算按重量计至少20％、21％、22％、23％、24％、25％、26％、27％、28％、29％、30％、31％、32％、33％、34％或35％的可回收的木质素)。在一些实施例中，高木质素原料具有的可回收的木质素含量基于干重计在65％与98％或更高之间，包括其间的任何子范围，例如基于干重计至少65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％、96％、97％、98％或大于98％的可回收的木质素)。
在一些实施例中，黑液自涉及硬木的制浆制程获得。在一些实施例中，黑液自涉及软木的制浆制程获得。在一些实施例中，黑液自涉及硬木及软木二者的制浆制程获得。在一些实施例中，黑液自牛皮纸制浆制程获得(例如使用LignoForceTM制程获得的黑液)。在一些实施例中，牛皮纸制浆制程为苏打制浆制程(亦即，无硫制程)。在一些实施例中，黑液获自涉及另一种原料的制浆制程，该另一种原料诸如为谷物，例如小麦秆。
在一个例示性实施例中，活性炭由木质素或高木质素原料，包括例如由含有木质素的黑液生产，并进行吹扫气体处理以自材料中去除氧，以生产具有所需特性的活性炭。不受理论的束缚，据信减少活性炭中存在的氧的量会降低活性炭的电阻(亦即增加其电导率)。在超级电容器的电池中，在活性炭的快速放电速率或高放电电流密度(A/g)下，此可以提供高电容及/或电容保持。发明人已经发现吹扫气体处理特别有利于提高由木质素或高木质素原料生产的活性炭的品质。本发明人亦开发了一种可用于自黑液起始材料生产活性炭的水热碳化制程。
参考图1-5，绘示了使用木质素或高木质素原料制备活性炭的制程200的例示性实施例。在一些实施例中，木质素或高木质素原料为木质素A、木质素B、木质素A及木质素B的混合物、木质素C或黑液(例如自牛皮纸制浆制程获得的)。在一些实施例中，可以使用图1中所示的制程。在一些实施例中，可以使用如图2、3、4及5所绘示的附加步骤。在一些实施例中，用于生产活性炭的步骤可以根据所使用的木质素或高木质素原料而变化。举例而言，在木质素为木质素A的一些实施例中，使用图2中所绘示的方法步骤。在木质素为木质素B的一些实施例中，使用图3中所绘示的方法步骤。在高木质素原料为黑液的一些实施例中，使用图4中所绘示的方法步骤。图5显示了不同原料作为起始材料的方法200的各个步骤之间的潜在相互关系的实例。
大体上如图1所示，在202处供应木质素或高木质素原料。在206处，原料被活化以生产活性炭，并且在226处，活性炭经受如本文所述的吹扫气体制程。
参考图2，在一些实施例中，在202处，供应木质素或高木质素原料。在一些此类实施例中，在202处供应的木质素或高木质素原料为木质素A。木质素或高木质素原料在204处经受碳化制程，例如借由在无氧氛围，例如适用于碳化的惰性氛围(例如氩气、氮气、二氧化碳或其类似氛围)中在介于约500-900℃范围内的温度下加热，持续约1-5小时，包括其间的任何值，例如550、600、650、700、750、800或850℃持续1.5、2、2.5、3、3.5、4或4.5小时。在206处，所得的木质素基炭(经碳化的木质素A或木质素A基炭)以任何合适的方式活化，例如借由使用物理或化学活化，诸如碳化、热解(任择在惰性氛围下)、蒸汽活化、添加强酸、强碱或盐，且随后在介于约250-900℃范围内的温度下加热，持续约1-5小时，包括其间的任何值，例如300、350、400、450、500、550、600、650、700、750、800或850℃持续1.5、2、2.5、3、3.5、4或4.5小时，或其类似条件。在所说明的实施例中，利用在208处添加氢氧化钾作为氧化剂，接着在210处加热，进行经碳化的木质素A的活化。然而，在替代实施例中，可以使用其他活化模式。
在所说明的实施例中，活化步骤206借由以下方式进行：首先将经碳化的木质素A与氧化剂(诸如碱金属氢氧化物(例如氢氧化钾(KOH))组合，以进行活化步骤。例如，在例示性实施例中，可以在步骤208处以合适的浓度提供KOH，例如，介于1份木质素炭:4份KOH(或1:1、1:2或1:3)的质量比范围内的浓度。接着在步骤210处借由以下方式活化混合物：在介于约500-900℃范围内的温度下持续约0.5-5小时的时段(包括其间的任何值，例如550、600、650、700、750、800或850℃持续1、1.5、2、2.5、3、3.5、4或4.5小时，或其类似条件)在3.5至7.5厘米/分钟(包括其间的任何值，例如4.0、4.5、5.0、5.5、6.0、6.5或7.0厘米/分钟)的惰性气体速度下加热，从而进行活化步骤。在替代实施例中，活化步骤206可以使用目前已知或未来开发的用于自木质素或高木质素原料生产活性炭的任何方法来进行。
如参考图3所示，在一些实施例中，木质素来源为木质素B，该木质素B任择地在212处(在图5中)而并非在202处供应。木质素B在204处经受碳化制程，例如以与对于木质素A所述相同的方式。接着任择地使经碳化的木质素B在214处以任何合适的方式经受去灰分及干燥。仅作为例示而非限制，经碳化的木质素B可以用2M HCl洗涤，冲洗以确保去除任何HCl残留物，接着干燥，例如在高温下在对流烘箱中干燥，例如在约80℃至约120℃的范围内，包括其间的任何温度，例如85、90、95、100、105、110或115℃。接着将由木质素B生产的经去灰分及干燥的炭进料至如上所述的活化步骤206。
如参考图4所示，在其中高木质素原料为黑液的一些实施例中，黑液任择地在216处(在图5中)而并非在202处供应。黑液借由在压力下、在碳化氛围(例如CO2)下加热而经受加压水热碳化。仅作为例示而非限制，黑液可以饱和，接着在室温下加压(例如在介于30-80psig范围内的压力，包括其间的任何值，例如40、50、60或70psig)。CO2加压的黑液可在218处在介于约200-320℃范围内(包括其间的任何温度，例如210、220、230、240、250、260、270、280、290、300或310℃)的温度下在介于约900-1500psig范围内(包括其间的任何值，例如1000、1100、1200、1300或1400psig)的压力下加热约2-10小时(包括其间的任何时段，例如3、4、5、6，7、8或9小时)的时段。可以在220处使用真空过滤回收所得产物(水炭)。仅举例而言，回收的产物可以在220处用2M HCl洗涤以除去任何盐(例如碳酸钠)，接着用水冲洗并在高温下在对流烘箱中干燥，例如在约80℃至约120℃的范围内，包括其间的任何温度，例如85、90、95、100、105、110或115℃，接着供应至活化步骤206。
在活化步骤206之后，在222处任择地进行酸洗及干燥步骤以去除任何残留的活化剂，例如在使用化学活化剂的实施例中。举例而言，在所示实施例中使用氢氧化钾作为活化剂的情况下，可以使用水洗来回收未反应的及用过的氢氧化钾以进行再生，接着用强酸(诸如盐酸)洗涤以除去氢氧化钾残留物及灰分，接着用热水洗涤以除去残留的氯离子。任何合适的干燥条件可用于进行步骤222，包括环境条件。在仅作为例示的一些实施例中，干燥在介于约70℃-150℃范围内(包括其间的任何值，例如80、90、100、110、120、130或140℃)的温度下进行。在一些实施例中，干燥在任何合适的设备(诸如烘箱、对流烘箱或真空烘箱)中进行介于10与48小时之间的时段(包括其间的任何时段，例如24或36小时)。在一些实施例中，干燥在大气压下进行。在一些实施例中，干燥在真空下进行，例如在介于约10至约760mmHg范围内的压力下。
任择地，在224处，使所得的活性炭经受微粉化或尺寸减小，例如借由用球磨机、喷射磨机、研磨机或其他合适的设备研磨。在一些实施例中，在步骤224处微粉化之后的活性炭的平均粒度在约1μm至约10μm的范围内，包括其间的任何值，例如2、3、4、5、6、7、8或9μm。在一个实施例中，将活性炭研磨至介于约1μm至约10μm范围内的尺寸，平均尺寸为6μm。
干燥后，在226处，活性炭在高温下经受吹扫气体制程。在一些实施例中，使用还原气体与惰性气体的组合进行吹扫气体制程。可用作还原气体的气体的实例包括氢气、氨、一氧化碳、组成气体、合成气或其类似气体。组成气体为本领域已知的氢气及氮气的混合物。合成气为本领域已知的一氧化碳及氢气的混合物。惰性气体的实例包括氮气、氦气及氩气。
在一些实施例中，用于进行吹扫气体制程的气体含有介于约80％至约99％之间的惰性气体，包括其间的任何值或子范围，例如82、84、86、88、90、91、92、93、94、95、96、97或98％的惰性气体，以及介于约1％至约20％之间的还原气体，包括其间的任何值或子范围，例如2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17或18％。在一些实施例中，用于进行吹扫气体制程的气体含有90-96％的惰性气体及4-10％的还原气体。在一些实施例中，吹扫气体含有96％的氩气及4％的氢气。
在一些实施例中，将活性炭混合物作为例如散布在托盘上的固体薄层，提供给吹扫气体处理。在一些实施例中，活性炭混合物在吹扫气体处理期间保持静止。
在一些实施例中，在大气压力下以约3.5至7.5厘米/分钟的表观速度包括其间的任何值，例如4.0、4.5、5.0、5.5、6.0、6.5或7.0厘米/分钟，施加吹扫气体。应用的吹扫气体的表观速度可由本领域技术人员根据用于实施该制程的设备类型来调节。步骤226可以在任何合适的设备中进行，例如在各种实施例中可以使用管形炉、回转窑、流体化床反应器或其他合适的设备。
在一些实施例中，在步骤226使该吹扫气体喷洒在该活性炭材料上或通过该活性炭材料。在一些实施例中，将足量的吹扫气体供应给活性炭材料，使得相对于活性炭中氧官能团的数目，氢气摩尔过量。
在一些实施例中，226处的吹扫气体制程在高温下进行，并且高温为介于约750℃与约950℃之间的范围内的温度，包括其间的任何值或子范围，例如775、800、825、850、875、900、925或950℃。在一些实施例中，吹扫气体处理进行介于约0.5小时与约9小时之间的时段，包括其间的任何值或子范围，例如0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0或8.5小时。
在一些实施例中，所得活性炭产品具有至少约90％的碳含量，包括在约90％与约99％之间，包括其间的任何值，例如91、92、93、94、95、96、97或98％。
在一些实施例中，所得活性炭产品具有使用氮气吸附测定的至少2500m2/g的表面积，包括至少2600、2700、2800、2900、3000、3100、3200或3300m2/g。在一些实施例中，所得活性炭产品具有使用氮气吸附量测的至少0.8cc/g的孔体积，包括至少0.85、0.90、0.95、1.00、1.05、1.10、1.15、1.20、1.25、1.30、1.35或1.40cc/g。在一些实施例中，所得活性炭产品具有至少2500mg/g的碘值，包括至少2550、2600、2650、2700、2750、2800、2850、2900、2950、3000、3050、3100、3150、3200、3250、3300、3350或3400mg/g。
在一些实施例中，本文所述的活性炭产品被结合至电极中。图7示出了使用活性炭制造电极的方法300的例示性实施例。在302处，使用活性炭及黏合剂(例如PVF、聚偏二氟乙烯)在合适的溶剂(例如N-甲基吡咯啶酮，NMP)中制备活性炭浆料。任择地添加导电增强剂，诸如石墨。在304处，浆料以任何合适的方式均化，例如借由超声波处理。在306处，将所得浆料以任何合适的方式(例如使用涂布机)涂布在合适的箔片，例如铝箔上。
在308处，将电极从经涂布的箔片上切割下来，并且在310处，使用任何合适的设备，例如Carver实验室压机来热压电极，例如借由首先将电极加热至合适的温度，诸如200℃，接着在100MPa下压缩电极来进行。在312处，电极被预处理，例如借由在150℃的真空烘箱中隔夜。在314处，在惰性氛围，例如充满氩气的手套箱中，例如使用气密钮扣型电池(例如具有Swagelok的CR2032硬币型电池)装配电极。可以将两个电极放置在电池中，在其间置放合适的隔板，并且可以添加电解质。
其他制造电极的方法对于本领域技术人员而言为已知的并且可以用于其他实施例中，并且前面的描述提供了关于制造电极的一种例示性方法的指导而并非限制性的。
在一些实施例中，将由如本文所述的活性炭材料制成的电极结合至固态锂电池组，例如锂硫电池组。在一些实施例中，将如本文所述的活性炭材料结合至电容器或超级电容器中。
在一些实施例中，将由如本文所述的活性炭材料制成的电极结合至建筑结构的结构及/或构件中以用于储能。在一些实施例中，结合如本文所述制备的活性炭的储能系统可提供比由传统的活性炭制造的材料更高的能量密度，与由传统的活性炭制造的材料相比，可在建筑构件或建筑结构内提供更低的热量积聚风险，可以提供比用传统的活性炭制造的材料更多次的充电及放电循环，及/或可以提供比用传统的活性炭制造的材料更快的充电速率。
在一些实施例中，使用如本文所述的活性炭制造的储能系统被嵌入模块化建筑构件中，例如可用作建筑的内部或外部覆层、地板、屋顶、台面、楼梯或楼梯间、橱柜或其他建筑构件的面板。在一些实施例中，模块化建筑构件包括具有由如本文所述的活性炭材料制成的电极的至少一个超级电容器或至少一个电池组。
在一些实施例中，储能系统永久地结合至模块化建筑构件中，例如借由在制造模块化建筑构件时整体浇铸在模块化建筑构件内或借由永久固定在其中来进行。在一些实施例中，储能系统可移除地结合至模块化建筑构件中，例如借由插入模块化建筑构件内的隔间内来进行，该隔间可经由出入门、快拆门或其他可拆卸或可移除的覆盖结构进入。
在一些实施例中，使用如本文所述的活性炭制造的储能系统在建筑结构的建造或架设期间安装在建筑结构内。储能系统可以在建造期间结合至建筑结构的任何所需部分，例如将最大限度地减少对建筑结构的正常使用的干扰的建筑结构的一部分，例如墙壁、地板、天花板或其内部构件。
提供可移除地结合的储能系统允许在发生故障或一旦储能系统达到其有效使用寿命的终点时移除系统以进行维修或更换。在永久安装储能系统的实施例中，若特定储能系统发生故障或达到其有效使用寿命的终点，则可以停止使用该特定储能系统及/或可以将该特定储能系统与其他储能系统断开，而物理储能单元仍原位保留在建筑结构内。
在一些实施例中，储能系统或结合有储能系统的模块化建筑构件安装在仓库或其他建筑结构内，该建筑结构的规模相对较大，但通常没有大量人员集中在其中(例如，如同办公大楼或住宅建筑结构的情况一样)。
整合至模块化建筑构件或直接整合至建筑中的个别储能系统可以以任何方式相互连接并连接至主供电网。举例而言，可以将适当的连接器及电缆结合至模块化建筑构件或建筑结构中，以允许个别储能系统相互连接。
根据部署储能系统的特定情况，可以选择结合有储能系统的模块化建筑构件或建筑的一部分的热特性。举例而言，在储能系统部署在亦起到隔热功能的模块化建筑面板中的实施例中，模块化建筑面板或建筑构件的材料可以被选择为隔热的。在替代实施例中，模块化建筑面板或建筑构件的材料可以选择为导热的，以允许热量自容纳在其中的储能系统转移出去。
在其中结合了储能系统的模块化建筑构件的表面或建筑的一部分将暴露于外部要素的实施例中，则至少暴露于外部要素的模块化建筑构件的表面或建筑的一部分应该是防风雨的(亦即能够承受雨、雪、风、太阳及其他可能面临的天气条件)。
在储能系统结合至模块化建筑构件的实施例中，模块化建筑构件可以设置有任何适当的表面配置、连接器及/或紧固件，以允许将模块化建筑构件装配至建筑结构中。任何种类的可用模块化建筑系统均可以用于此目的。在一些实施例中，结合至模块化建筑构件中的连接器或紧固件亦可以用作电连接器，以将容纳的储能系统连接至建筑结构的主电气系统。
实例
参考以下实例进一步描述了某些实施例，这些实例旨在说明性而非限制范围。
实例1-用于活性炭增碳的吹扫气体技术
在此实例中，作为活性炭来源的活化水炭(AHC)被纯化及处理以降低其用于电极制备的电阻。该制程涉及在还原条件下在800℃的温度下将气体扫过活化水炭床一小时。吹扫气体包括惰性气体(诸如氩气)及还原气体(诸如氢气)。在一项测试中，使用的吹扫气体按体积计为96％的氩气及4％的氢气的掺合物。
表1显示了活化水炭(样品N6)与分别使用Ar惰性气体及含有4％H2气体及96％Ar气体的吹扫气体(SG)进行的附加处理相比的化学、物理及电化学特性。结果表明，经由使用吹扫气体技术可以改善活化水炭的特性。
在此实例中，N6活化水炭是由含有木质素的黑液经由水热碳化使用二氧化碳加压及氢氧化钾在高温下活化生产的。N6活化水碳含有85.28％碳含量的细粉状材料。其碘值(表明其微孔体积，反映了碳样品的活化程度)为2,701m2/g，明显高于基准活性炭(自Calgon获得的YP50F)。
N6-1hrAR(用Ar处理1小时的N6 AHC)的碳含量(91.06％)及碘值(2,916mg/g)略有增加，而N6-1hSG(用还原性吹扫气体(96％ Ar，4％H2)处理1小时的N6AHC)显示碳含量(97.19％)及碘值(3,345mg/g)显著增加。N6-1hrSG的表面积为3,076m2/g，明显高于基准活性炭的表面积。与基准(0.685cc/g)相比，N6-1hrSG的微孔体积(1.106cc/g)亦显著增加。基准活性炭的碳含量先前确定为99.24％，而基准SG处理的活性炭高于99.9％。
接着将处理过的活化水炭材料用于构建超级电容器样品。N6-1hrSG超级电容器(用经过吹扫气体处理一小时的活化水炭制造的超级电容器)的电容明显优于以类似方式构建的基准活性炭超级电容器。与基准SG处理的活性炭产品(0.5A/g时为83.5F/g，5.0A/g时为26.1F/g)相比，N6-1hrSG超级电容器实现了高效能(0.5A/g时为156.5F/g，5.0A/g为143.2F/g)。此外，N6-1hrSG超级电容器的电容保持率(快速充电产生的电容除以慢速充电产生的电容)为91％。此远高于基准产品(YP50F+SG)仅为33％的电容保持率。此表明N6-1hrSG超级电容器具有非常低的内部电阻。此外，具有90％活性炭及10％黏合剂(未使用石墨)的N6-1hrSG超级电容器实现了122.3F/g，电容保持率为85％。
不受理论束缚，据信吹扫气体处理制程中的还原气体(例如氢气)有效地与氧反应以自碳中除去氧。表1显示了吹扫气体中的氢气与化学结合在活化水炭中的氧反应，从而去除了活化水炭的显著电绝缘组分。不受理论束缚，据信此会导致碳含量增加及活化程度(及电容)提高。此外，由于由黑液生产的活化水碳含有很大比例的木质素，因此可以合理地预测，类似的处理制程同样会对由木质素或高木质素材料生产的其他形式的活性炭的特性产生积极影响。
用含有4％氢气(H2)的吹扫气体还原活化水炭样品，且发现此可以降低电阻并增加最终产品的碳含量。结果如表2所示。自MTI商业购买的石墨称为MTI石墨，用于比较目的。
表2.不同制备方法对交流电阻的影响。
实例2-进一步细化木质素基活性炭作为电极材料
材料及方法
此项工作使用了以下经过碳化及活化的木质素原料。黑液自加工木浆的纸浆厂获得。木质素A及木质素B的样品均自牛皮纸制浆制程中提取，并使用LignoForceTM制程进行分离。
·黑液(BL)：BL样品获自木质素回收厂。BL含有溶解的木质素，其作为纸浆生产工业的副产品留在生产的黑液中。回收厂使用BL回收木质素A(初级)及木质素B。
·木质素A(表示为LA)：自牛皮纸制浆制程中提取，并使用LignoForceTM制程进行回收。
·木质素B(表示为LB)：亦自牛皮纸制浆制程中提取并使用LignoForceTM制程进行回收，但被认为是较低等级的木质素。
此外，选择基准活性炭进行比较。椰子壳衍生的AC获自Calgon。以下AC用作相较于木质素基AC比较电化学特性的基准：YP50F，Calgon：表示为YPAC。
碳化及活化
图5显示了使用碳化或水热碳化(HTC)，接着进行标准KOH活化，去灰化(使用酸洗去除水炭中的灰分)，干燥，且最后进行SG处理，自LA、LB及BL生产木质素基活性炭的整体生产制程。
简而言之，主要碳化途径(图5中的顶部途径)是对LA及LB样品在550℃下1小时以分别产生LA及LB炭。接着使用KOH在800℃下将LA炭活化长达2小时。LB水炭首先被去灰分接着被活化以产生LBAC(参见图5中步骤214处的中间路径)。
对于使用水热碳化的活化水炭(AHC)生产，将BL样品置于加压反应器中，且使反应器饱和并在室温下在50psig下用CO2加压。此加压及随后的反应被加热至280℃的温度(导致压力增加到介于900-1000psig的范围内)，持续长达5小时，产生水炭。接着使用KOH在800℃下将收集的水炭活化长达2小时。
用水洗涤收集的LAAC、LBAC及AHC以回收KOH(可用于下一批KOH活化)，接着用2MHCl冲洗以确保去除未反应的KOH及灰分，接着进行热水洗涤用于去除残余氯。进行此热水洗涤，直至加入几滴0.5％ AgNO3溶液时滤液不再显示白色混浊点。接着将此最终材料在105℃的对流烘箱中干燥隔夜以进行SG处理。
微粉化及吹扫气体处理
若需要减小尺寸，则干燥的生物碳产品可以任何合适的方式粉碎及/或微粉化，诸如使用行星球磨机或喷射磨机(在此项工作中，产生的木质素A及木质素B的粒度(在活化后约17.8μm)足够小，因此未使用进一步减小尺寸来测试超级电容器，尽管对于商业应用可能需要接近例如5μm的较小粒径)，接着进行吹扫气体处理，该吹扫气体处理用含有90％的氮及10％的氢的气体混合物在高温下冲洗碳。活化后的此最终后处理方法去除了与木质素基活性炭化学结合的氧基团。借由在高温下使结合氧与吹扫气体反应/用吹扫气体剥离结合氧，经SG处理的生物碳产品发生了改变，从而产生了更低的电阻、更高的碳含量及改进的表面积特性。在此项工作中，吹扫气体处理使用以下条件：
·吹扫气体(10％ H2及90％氮气(N2))流过炉中托盘上的静态薄层固体，其表观速度为5.5cm3/min(或在6”管中1L/min)，在800℃下持续3小时
化学分析
·木质素含量：木质素含量借由在低pH下沉淀木质素来测定。在此种情况下，将BL样品降至<pH 3.5(Ahvazi,2016)，接着过滤沉淀的木质素并在105℃烘箱中干燥隔夜，以量测干物质木质素含量。
·可回收的木质素含量(酸不溶性木质素)借由以下程序量测(基于Haz的研究中描述的方法(Haz等人,2019))：特定量(W1)的接收状态的黑液(BL)被放置在烧杯中。在准备好的烧杯中加入2M-HCl溶液，直至pH达至1.5，此时木质素沉淀在底部。使用预先称重(W2)的滤纸(201，Whatman)过滤所得溶液。用热水洗涤滤纸上收集的固体，并在105℃的烘箱中干燥直至质量恒定。将干燥的滤纸(固体+滤纸)称重(W3)。接收状态的黑液中的可回收的木质素含量(％)使用以下等式计算：
接收状态的BL中的可回收的木质素含量(％，湿基)＝(W3-W2)×100/W1
·接收状态的黑液中的干物质(DM)含量(质量百分比及按湿基计算)。将特定量(W4)的接收状态的黑液(BL)收集在预先称重(W5)的表玻璃上。将制备的表玻璃在室温下风干直至游离水蒸发。将风干的表玻璃在105℃的烘箱中干燥，直至质量变得恒定。将干燥的表玻璃(固体+表玻璃)称重(W6)。使用以下等式计算接收状态的黑液中的DM含量(％)：
接收状态的BL中的DM含量(％，湿基或w.b.)＝(W6-W5)×100/W4
·接收状态的黑液中的水分含量。使用以下等式计算DM中的含水量(％)：
含水量(％)＝100-DM(％，w.b.)
·DM中可回收的木质素含量(％)。使用以下等式计算DM中的木质素含量(％)：
干物质(DM)含量(％，w.b.)＝可回收的木质素含量(％，w.b.)+非木质素含量(％，w.b.)
干物质中的可回收的木质素含量(％，干基)＝可回收的木质素含量(％)/DM含量(％，w.b.)
·碳及硫分析：使用元素分析仪量测干燥碳样品的碳及硫含量。将固体样品转化为氧化形式，并借由红外侦测器对这些氧化气体进行定量，以测定固体样品中的碳及硫含量(按质量计)。
·灰分分析：所收集的样品中的灰分含量按质量量测。将干燥固体样品在蒙孚炉(Muffle furnace)中在580℃下燃烧隔夜，且收集残余灰分并称重以确定灰分含量。
形态分析
·碘值的测定：碘值(每克活性炭吸附的碘毫克数)为活性炭效能提供了最基本的特性，因为碘值代表了活性炭中的实际微孔体积。碘值的测定为液相应用的标准量测方法(Marsh,2006)。在此项研究中，碘值经常用于评估活性炭对碳电极材料的适用性。
·使用N2吸附的BET表面积分析：碳样品的比表面积借由使用多点测定的氮多层气体吸附状态的布厄特(Brunauer,Emmett and Teller，BET)理论确定。在此技术中，固体样品的总孔体积是根据单个点的气体饱和度结果确定的。
·孔径分布(PSD)：此使用由麦克默瑞提克(Micromeritics)开发的SAIEUS非局部密度泛函理论(NLDFT)分析软体计算得出的。NLDFT可以平均及平滑后续吸附层上的吸附能量密度，并使用积分方程来确定吸附分子的密度作为与吸附剂壁的距离的函数(Kupgan,2017)。
电阻
图6示出了在粉末状活性炭样品402上使用的电阻测试设备400。使用一对具有平坦基底408的铜活塞406来施加压缩404，并且粉末状活性炭样品402容纳在不导电的圆筒410中。铜线412连接至电阻计以量测电阻。此测试用作选择碳产品样品的筛选工具，这些碳产品样品有必要进一步用作超级电容器中的电极材料。将特定量的碳样品放置在腔室中，并在碳样品在45MPa被压缩的同时量测电阻。测得的电阻与基于通常用作导电剂的石墨(自MTI Corp.,USA获得)的电阻的相对交流电阻(ACR％)相关。接着将碳样品的相对ACR与基准YPAC活性炭进行比较。
实例3-超级电容器电极的制造及测试
图7展示了在此实例中测试的具有木质素基AC电极的超级电容器的整体制造。使用75-80％ AC、10％石墨及10-15％黏合剂及NMP(质量比为1固体:2.5NMP或1固体:2NMP)制备AC浆料，这些材料借由高能超声波处理均质化。使用涂布机将AC浆料涂布在铝箔上。经涂布的铝箔在真空烘箱中在80℃下干燥隔夜。将干燥的Al箔圈出，直径为15.0mm。将得到的电极在200℃下压延2分钟并立即在100MPa下压缩。将压缩电极在真空烘箱中在150℃下预处理隔夜，接着将电极放置在充满Ar的手套箱中用于超级电容器装配。使用气密钮扣型电池(CR2032)将电极装配在充满Ar的手套箱中。将两个相同的电极放置在电池中。隔板(Celgard，25μm)放置在两个电极之间。使用了此电池组配件的电解质(100μL)。电极含有溶解在乙腈中的1.5M四氟硼酸四乙基铵(最常见的有机电解质)。
电容器的效能测试-电容
进行电流充放电(GCD)测试以确定超级电容器的比电容(自0.5A/g的慢速充放电(CD)速率至5.0A/g的快速CD速率进行测试)。GCD量测在介于0.5A/g至5A/g范围内的各种电流密度下使用在0至2.3V范围内的电位。使用以下等式计算放电电容。
比电容(Csp，F/g)＝4I dt/mt dV--------等式1
放电率(A/g)＝I/mt--------------------------------等式2
其中：
Csp＝比电容(F/克活性材料)
I＝施加电流(A)
dt＝放电时间(秒)，不包括充电模式最后一点及放电开始点之间的切换时间
mt＝两个电极上的活性材料的总质量(g)
dV＝自最后一个充电点至0伏放电电压终点的电压差(V)
实例4-原材料特征评估
原材料分析
表3总结了用于生产木质素基活性炭的三种木质素基材料中的主要元素及灰分含量。木质素A、B及BL衍生的木质素(自黑液中收集的木质素)具有>63％(65.7％)的高碳及<1.47％的低灰分含量，而LB具有低碳含量(54.6％)及高灰分含量(26.24％)，不适合生产高品质的活化生物炭。这些实验的所有木质素来源均具有高于73.4％的木质素含量，以干物质计算(按重量计)。
表3.木质素A、木质素B及BL中可回收的木质素的主要元素及灰分含量。
*注：黑液中可回收的木质素含量按下式计算：木质素含量(％)＝100％-(硫％+灰分含量％)。
表4显示了含有溶解的可回收的木质素(12.5重量％)的黑液，其是在pH 1.5下添加2M-HCl收集的。接收状态的黑液(其经过多次蒸发制程用于在木质素回收厂回收木质素)具有43.8％的干物质含量及56.2％的含水量，其为黏性浆液。
表4.黑液原料中的主要元素及灰分含量。
活性炭产品的化学及吸附特性
表5总结了木质素基AC与SG处理之前及之后的基准YPAC相比的主要关键指标。木质素基AC的碘值为2,526-2,998mg/g，碳含量为88.3至92.6％，灰分含量为1.07-2.4％，而YPAC的碘值为1,865mg/g，碳含量为99.24％，灰分含量为0.35％。
这些木质素基AC及YPAC经吹扫气体处理后，所有主要关键指标的值均有所增加。吹扫气体处理的木质素基AC的碘值为2,875-3,345mg/g，碳含量为97.03-98.1％，灰分含量为1.07-2.4％，灰分含量为1.07％-3.10％。YPAC+SG的最关键指标提高到碘值为2,048mg/g，碳含量为99.0％，灰分为0.38％。
表5.AC的碘值、碳及灰分含量(SG处理之前及之后)。
注：
1.木质素A及木质素B是自木质素回收厂获得。
2.木质素A是来自木质素回收厂的主要木质素产品。
3.木质素B在活化以便生产LBAC之前进行碳化及去灰分。
活性炭产品的电特性
表6总结了木质素基AC与YPAC相比的电阻数据。当与YPAC相比时，SG处理的木质素基AC改善了所有化学及电特性。木质素基AC具有240％-500％的相对电阻，而YPAC具有558％的相对电阻(基于自MTI Co.,CA,USA获得的石墨)。经SG处理的木质素基AC具有184-340％的相对电阻，而YPAC+SG具有434％的相对电阻。
表6.AC的电阻值(SG处理之前及之后)。
活性炭产品的形态特性
来自木质素回收厂的主要木质素产品为木质素A。木质素A进行了进一步评估，据信该评估代表了所有木质素基来源，包括木质素A、木质素B及BL衍生的木质素。表7总结了LAAC基产品的BET(布厄特)表面积以及使用氮吸附的详细孔隙度资料。将LAAC基产品的详细形态特性与YPAC+SG基产品进行了比较。LAAC的表面积为2,728m2/g，明显高于YPAC(1,810m2/g)。LAAC的总孔体积为1.213cc/g，平均孔径为1.29nm，而YPAC的总孔体积为0.829cc/g，平均孔径为1.18nm。
在LAAC及YPAC的吹扫气体处理后，LAAC+SG及YPAC+SG的表面积分别增加为3,203m2/g及1876m2/g。下表7显示了碘值(mg/g)及BET表面积(m2/g)之间的强相关性。
表7.经SG处理的LAAC及YPAC的表面积及孔隙度。
注：
·微孔及中孔体积采用密度泛函理论方法测定。
·平均孔径按总孔体积的50％累积体积计算。
超级电容器的效能评估
表8总结了在SG处理之前及之后与YPAC相比，具有木质素基AC的超级电容器的初始电容值。分别装配了具有LAAC及LAAC+SG的超级电容器。亦制备了YPAC及YPAC+SG基超级电容器以进行比较。在每组中装配了四(4)个电池。当由于手工装配过程而忽略每组中电容的最差值或将其视为离群值时，LAAC基超级电容器在0.5A/g的慢速放电速率下实现在155.5F/g-160.8F/g范围内的电容，而在快速放电速率下实现在122.4-136.1F/g范围内的电容，而LAAC+SG的电容显著增加，在0.5A/g时为170-176.8F/g，而在5.0A/g时为141.2-156.7F/g。
YPAC基超级电容器在0.5A/g时的电容为76.4-84F/g，在5.0A/g时的电容为7.8-20F/g。在以0.5A/g的慢速放电速率进行测试时，YPAC+SG基超级电容器的电容与YPAC基超级电容器表现相似。YPAC+SG基超级电容器在5.0A/g的高放电率下增加到18.3-44.3F/g的电容值。最后，选择每组中最好的电池进行进一步的测试。
表8.具有木质素基AC及YPAC的超级电容器在经过及不经过SG处理的情况下的初始电容值。
最好的3个电池(基于每组中初始电容的最高值)循环600次，亦即以0.5A/g的慢速充放电速率测试300次循环及以5A/g的快速充放电速率测试300次循环。表9总结了具有LAAC及LAAC+SG的超级电容器与具有YPAC及YPAC+SG的超级电容器在600次循环测试后的电容值。
LAAC基超级电容器在0.5A/g的慢速放电速率下实现了119.4-161.5F/g的电容，在5A/g的快速放电速率下实现了82.6-140.4F/g，而LAAC+SG(在0.5A/g的慢速放电速率下为164.7-170.7F/g及在5A/g的快速放电速率下为149.3-150.3F/g)实现了比LAAC更高的电容。YPAC+SG(在0.5A/g的慢速放电速率下为74.2-78.9F/g，及在5A/g的快速放电速率下为6.1-31.3F/g)的电容略高于YPAC(在0.5A/g的慢速放电速率下为65.2-82.3F/g及在5A/g的快速放电速率下为2.6-19.1F/g)。
清楚地表明，与由椰子椰棕制成的对照活性炭相比，在吹扫气体处理后，木质素基AC具有改善的吸附及电特性。这些改进的特性可以为超级电容器及锂硫电池组应用提供理想的电极材料。
表9.具有木质素基AC及YPAC的超级电容器在经过及不经过SG处理的情况下的600次循环电容值。
实例5-由小麦秆生产的活性炭的表征
自小麦秆制浆中获得的黑液(BL)用于生产经过吹扫气体制程的木质素基活性炭。
水热碳化及活化
图8显示了使用水热碳化(HTC)及/或碳化，接着进行标准KOH活化，去灰化(使用酸洗去除生物炭中的灰分)，干燥，最后进行SG处理，自氢氧化钠基黑液(NaBL)及氢氧化钾基黑液(KBL)生产木质素基AC的整体生产制程500。
简而言之，将NaBL 502及KBL 504样品置于加压反应器中，且使反应器饱和并在室温下在50psig下用CO2加压。将此种加压及随后的反应加热至280℃(导致压力增加至约900-1000psig)，持续长达5-10小时，产生水炭506，该水炭506在508处借由真空过滤回收，用2M HCl洗涤，且干燥。使用在512处添加的KOH在800℃下直接将水炭活化长达2小时，或者在510处将水炭在550℃下碳化1-3小时(以产生HC-炭或HCC)。HCC-炭使用在512处添加的KOH在514处在800℃下活化长达2小时。
用水洗涤收集的木质素基AC以回收KOH(其可用于下一批KOH活化)，接着用2M-HCl冲洗以确保在516处去除未反应的KOH及灰分，接着进行热水洗涤用于去除残余的氯。进行此热水洗涤，直至加入几滴0.5％ AgNO3溶液时滤液不再显示白色混浊点。尽管可以在518处任择地进行微粉化，但此步骤不包括在此实例中。接着将此最终材料在105℃的对流烘箱中干燥隔夜以进行SG处理。
微粉化及SG处理
若需要，可以在518处使用行星球磨机或喷射磨机将干燥的生物碳产品微粉化(在此项工作中，未进行微粉化)，接着在520处进行吹扫气体处理，该吹扫气体处理用含有90％的氮及10％的氢的气体混合物在高温下冲洗碳。活化后的此最终后处理方法去除了与木质素基活性炭化学结合的氧基团。借由在高温下使结合氧与吹扫气体反应/用吹扫气体剥离结合氧，经SG处理的生物碳产品发生了改变，以在最终产品522中产生更低的电阻、更高的碳含量及改进的表面积特性。在此项工作中，SG处理使用以下条件：气体流过炉中托盘上的静态薄层固体，其SG表观速度(10％ H2及90％氮气)为5.5cm/min(或在6”管中1L/min)，在800℃下持续3小时。
化学分析
接收状态的黑液中的可回收的木质素含量(质量百分比且按湿基计算)：可回收的木质素含量(酸不溶性木质素)借由如上所述的以下程序量测(基于Haz研究中描述的方法(Haz等人,2019))。DM中可回收的木质素含量(％)：DM中的木质素含量(％)使用以下等式计算。
干物质(DM)含量(％，w.b.)＝可回收的木质素含量(％，w.b.)+非木质素含量(％，w.b.)+灰分(％，w.b.)
DM中可回收的木质素含量(％，干基)＝可回收的木质素质量(d.b.)/DM质量(d.b.)
元素(碳、氢、氮及硫)分析：使用元素分析仪量测干燥样品中的主要元素。固体样品被转化为氧化形式，且这些氧化气体(CO2、H2O、NO2及SO2)借由红外侦测器或热导侦测器定量，分别用于测定固体样品中的元素(按质量计)。
近似分析：近似分析确定灰分含量、挥发性物质及固定碳(按差值计算)。干燥的固体样品在蒙孚炉中在580℃下燃烧隔夜，且收集残留的灰烬并称重。收集的干物质及固体样品中的灰分含量按质量计算。借由在惰性环境下在950℃下加热干燥的固体样品并量测加热过程后的质量损失来确定挥发性物质的量(VM％)。VM含量是根据固体样品的原始质量借由质量损失计算的。固定碳含量的计算公式如下：固定碳(％)＝100％-(灰分％+VM％)。
形态分析
碘值的测定：碘值(每克活性炭吸附的碘毫克数)为活性炭效能提供了最基本的特性，因为碘值代表了活性炭中的微孔体积。碘值的测定为液相应用的标准量测方法(Marsh,2006)。在此项研究中，碘值经常用于评估活性炭对碳电极材料的适用性。
使用N2吸附的BET表面积分析：碳样品的比表面积使用碘值与来自先前木质素基AC样品的表面积值之间的相关性(y＝0.9374x+47.781，R2＝0.9416)来估计，如图9所示。
电阻
使用图6中所示的实验装置量测电阻。将特定质量的碳样品放入腔室中，并在碳样品在45MPa被压缩的同时量测电阻。测得的电阻与基于石墨电阻的相对交流电阻(ACR％)相关(自MTI Corp.,USA获得)，石墨通常用作超级电容器中的导电剂。接着，将碳样品的相对ACR与基准AC进行比较。使用图7中描述的方法制备用于超级电容器的电极。如上所述进行电流充放电(GCD)测试。
表10总结了NaBL及KBL样品(分别表示为NaBL及KBL)中的干物质(DM)及可回收的木质素含量。NaBL及KBL的DM分别为48.2％及38.6％，可回收的木质素含量分别为12.0％及13.9％。包括碳水化合物及盐(Na、K、Si及其他矿物盐)在内的非木质素含量经测试在NaBL中为36.2％，而在KBL中为24.8％。
表10.干物质及可回收的木质素的湿基含量。
注：
1.木质素在添加酸之后(<pH 2)沉淀并收集木质素内含物
2.非木质素内含物包括碳水化合物及盐类(Na、K、Si及其他矿物盐)
表11显示了自NaBL及KBL样品制备的干物质中的主要元素及灰分。在NaBL衍生的DM(NaBL-DM)及KBL衍生的DM(KBL-DM)中，灰分、不可燃物含量(％)经测试为41.58％及36.72％。碳含量为DM中可燃成分中的主要元素，在NaBL-DM中为31.4％，而在KBL-DM中为32.3％(按干基计算)。
表11.干物质中的主要元素及灰分含量(按干基计算)。
参数 NaBL衍生的DM KBL衍生的DM
碳(％) 31.40％ 32.3％
氢(％) 4.17％ 4.29％
氮(％) 0.62％ 0.64％
硫(％) <0.20％(低于可报导限值) <0.20％(低于可报导限值)
氧(％) 22.03％ 22.69％
灰分(％) 41.58％ 36.72％
注：氧含量按以下差值计算：O(％)＝100-(C％+H％+N％+S％)。
表12总结了来自NaBL及KBL样品的干物质(DM)中的碳源。NaBL-DM具有与KBL-DM相似的碳分布。NaDM及KDM具有与木质素-C及碳水化合物-C(来自酸不溶性木质素的碳及来自碳水化合物的碳)相关的碳比率几乎为1:1。NaBL-DM中酸不溶性木质素(16％碳)的碳含量略高于碳水化合物(13.7％碳)，而KBL-DM中碳水化合物(15.4％碳)的碳含量略高于酸不溶性木质素(16％碳)。NaBL-DM及KBL-DM具有来自碳酸盐的低碳(1-1.8％)。
AC生产有二种碳类型，分为挥发性碳(称为挥发性物质)及非挥发性碳(称为固定碳)。AC生产制程由二个主要制程组成：碳化(HTC及碳化)及活化。固定碳主要在活化制程之前借由热处理(HTC及/或碳化)转化为炭，而大多数挥发性碳在热处理制程中被排出。木质素具有类似于烟煤的分子结构，具有较高的固定碳，而碳水化合物具有较高的挥发性物质含量，其大部分不能转化为水炭或炭。NaBL及KBL(或NaDM及KDM)中的碳分布表明，NaBL及KBL(或NaDM及KDM)中碳水化合物的碳产生的炭转化率低，从而导致总AC收率低。
表12.干物质中的碳分布(按干基计算)。
表13总结了衍生自BL样品的干物质(在105℃下除去水)中的主要无机元素(按干基计算)。NaBL-DM的无机元素含量与KBL-DM相似。NaBL-DM具有12.0％Na(化学计量计算为20.9％NaOH)、2.39％K(化学计量计算为3.43％KOH)及0.7％Si(化学计量计算为1.51％SiO2)。KBL-DM经测试具有15.9％K(化学计量计算为22.82％KOH)、0.4％Na(化学计量计算为3.43％NaOH)及0.68％Si(化学计量计算为0.68％SiO2)。
表13.DM中的主要无机元素。
元素 NaBL-DM KBL-DM
钠 12.0％(20.9％NaOH) 0.40％(0.69％NaOH)
钾 2.4％(3.43％KOH) 15.9％(22.82％KOH)
硅 0.70％(1.51％SiO2) 0.68％(1.45％SiO2)
硫 0.12％ 0.06％
注：硅及硫是半定量的。
表14显示了自小麦秆黑液生产水炭的HTC条件。在介于180至310℃范围内的温度下测试NaBL及KBL样品的水炭生产持续5至10小时。在没有任何催化剂的情况下，使用CO2加压进行HTC试验。接收到的黑液样品是黏稠的。HTC试验使用有及没有水稀释的BL样品。
表14.自小麦秆黑液生产HC的HTC条件。
表15分别总结了来自Na及K基BL样品的水炭的收率及分析结果。HTC制程的目标为以高收率生产高碳水炭。如表15所示，最佳结果(来自NaBL的批次#8及来自KBL的批次#9)基于水炭中的碳含量及基于BL样品中的总碳含量计算的碳收率确定。
Na基BL样品在180-310℃HTC下持续5-10小时水热碳化成水炭，碳收率为23至31.7％(水炭中的碳含量为62.7-68.5％)。在相同的HTC条件下，KBL-HC(衍生自KBL)的碳收率为22.7-39％(KBL-HC中的碳含量为63.5-66.8％)。与上述表征的衍生自木浆(树)的黑液样品(约78％的碳收率)相比，这些总碳收率较低。看起来小麦秆BL样品含有来自无法经由HTC回收的碳水化合物的高碳。
表15.水炭的产品收率及分析结果。
注：总碳收率是根据BL中的总C计算的。
表16显示了水炭及衍生自NaBL的炭的近似分析。由于NaBL在木质素含量、总碳含量及碱含量方面具有相似的化学含量，因此NaBL-HC(衍生自NaBL的水炭)及NaBL-HCC(HC在550℃下额外碳化1小时)为小麦秆BL样品的代表。包括挥发性物质(VM)、固定碳(FC)及灰分含量的近似分析最初是由煤炭行业开发的，用于确定煤燃料品质及焦炭产量(高固定碳表明高能量含量及高焦炭收率)。对于炭生产，高固定含量表示高炭收率。
HC的FC/VM质量比为0.8，而HCC的质量比为5。在KOH活化之前去除挥发物对于高品质AC生产至关重要。在此项工作中，活化过程使用KOH作为氧化剂来发展碳表面。当水炭或炭的挥发性物质与来自KOH氧化剂的游离氧反应时，水炭或炭的固定碳对活化表面发展的可利用性较低。
选择HC样品(表15中的批次#3及#7)用于进一步碳化接着活化以产生AHCC，而HC样品(表15中的批次#2及#6)直接活化以便生产AHC用于比较。
表16.水炭(HC)及HC-炭(HCC)的近似分析。
炭类型 挥发性物质(％) 固定碳(％) 灰分含量(％) FC/VM质量比
NaBL-HC 49.5％ 39.0％ 17.1％ 0.8
NaBL-HCC 13.9％ 69.1％ 28.8％ 5.0
表17总结了小麦秆活性炭的关键绩效指标(KPI)，这些指标与基准活性炭YPAC(YP50F，获得的炭，Calgon)进行了比较。基准YPAC被称为超级电容器碳，其适用于超级电容器的电极材料。
使用KOH作为氧化剂活化批次#2(NaBL-HC)。活化的批次#2表示为NaBL-AHC。批次#3另外碳化(表示为NaBL-HCC)，接着活化(表示为NaBL-AHCC)。KBL-AHC及KBL-AHCC分别使用KBL-HC以相同的方式生产。
碘值(借由ASTM4607量测并表示为1克活性炭中吸附的碘毫克数)表明水相中吸附剂品质的最基本参数，估计其表面积及微孔率(<2nm孔)。当超级电容器充电时，电极(浸泡在超级电容器系统中的含水电解质中)静电吸附电解质的负离子及正离子。当超级电容器放电时，吸收的离子会在主体电解质中被拉回。因此，具有高碘值的电极提供高电容(法拉/克活性炭)，此为超级电容器保持电荷的关键绩效指标。
小麦秆AC具有在1,670至2,003mg/g的范围内的高碘值，而基准YPAC的碘值为1,849mg/g。这些结果表明小麦秆活性炭具有高吸附性。AHCC的碘值(1,720-2,003mg/g)高于分别衍生自NaBL及KBL的AHC(1,670-1,872mg/g)。此表明在活化之前去除挥发性物质(VM)提高了KOH活化的功效。
小麦秆活性炭的灰分含量高(11.6％至17.3％)。小麦秆AHC及AHCC活化后含有未反应的氢氧化钾。将所生产的AC置于反渗透水中以回收未反应的KOH，接着用化学计量的2M-HCl洗涤。高灰分表明第2次酸洗需要过量的HCl以降低活化HC或HCC中的灰分含量。
表17.小麦秆活性炭与基准活性炭的KPI比较。
表18显示，借由在活化前去除挥发性物质并在活化后使用过量的HCl进行去灰分，小麦秆AC的KPI得到了改善。
批次#8被另外碳化接着活化。所得的AHCC用过量的HCl洗涤。使用水炭活化批次#9。所得的AHC用过量的HCl洗涤。NaBL-AHCC(批次#8)达到3,082mg/g的高碘值、94.4％的高碳含量及1.22％的低灰分含量。KBL-AHC(批次#9)亦经测试具有2,461mg/g的高碘值、91.5％的高碳含量及0.88％的低灰分含量。
由于来自批次#8的NaBL-AHCC在所有批次试验中实现了最佳KPI值。选择NaBL-AHCC用吹扫气体进一步处理。
表18.借由在活化前去除VM并用过量的HCl洗涤来改良的小麦秆活性炭的KPI。
原料及比较 批次ID 碳类型 碘值(mg/g) 碳含量(％) 灰分含量(％)
NaBL 批次#8 AHCC 3,082 94.4％ 1.22％
KBL 批次#9 AHC 2,461 91.5％ 0.88％
注：所有含量(％)均按干基计算。
小麦秆AHCC经受SG处理，在800℃下用含有90％氮气及10％氢气的气体混合物冲洗碳3小时。活化后的这种最终后处理方法去除了与活性炭化学结合的氧基。借由在高温下使结合氧与吹扫气体反应/用吹扫气体剥离结合氧，经SG处理的碳产品发生了改变，从而产生了更低的电阻、更高的碳含量及改进的表面积特性。
表19显示了用吹扫气体(AHCC+SG)处理接着与YPAC+SG比较的小麦秆木质素基AC的KPI值。小麦秆AC的碘值及表面积值(3,209mg/g及3,056m2/g)远高于YPAC+SG(2,048mg/g及1,876m2/g)。根据先前的结果，使用碘值与表面积之间的校正(y＝0.9374x+47.781R2＝0.9416)估计表面积。
AHCC+SG的碳含量为97.4％，灰分含量为1.63％，分别低于及高于YPAC+SG(99％的碳含量及0.38％的灰分含量)。小麦秆AC的相对电阻(131％)显著低于YPAC(434％)。清楚地表明，小麦秆AC具有优异的吸附离子能力及电特性。
表示电阻的测试电阻(％)与基于石墨(自MTI Corp.,USA获得)的电阻的相对交流电阻(ACR％)相关。小麦秆AC的相对电阻(131％)显著低于YPAC(434％)。清楚地表明，小麦秆AC具有优异的吸附离子能力及电特性。
表19.SG处理之后小麦秆活性炭的KPI。
表20总结了具有AHCC+SG的超级电容器的初始电容(储存电荷的能力)及内部电阻。使用75％ AHCC+SG、10％石墨基导电剂及15％PVDF黏合剂制备碳浆料。涂布的碳复合材料装配在CR2032(直径15mm)电池中。AHCC+SG基超级电容器在低放电速率(0.5g/A)下测试的电容范围为155.3至168.2F/g，在快速放电速率(5.0A/g)下测试的电容范围为144.7-156.1F/g，而YPAC+SG(用SG处理的YPAC)的电容(76.4-81.1F/g)明显低于AHCC+SG。AHCC+SG超级电容器的内部电阻为17.6至22mΩ-g，而YPAC+SG为88至149mΩ-g。选择每组中最好的3个进行600次循环测试。
表20.使用小麦秆活性炭的超级电容器的初始电容。
表21总结了600次循环(300次慢速充放电速率(0.5A/g)及300次快速充放电速率(5.0A/g))之后的电容及内部电阻。AHCC+SG基超级电容器在600次循环后实现了高电容与低内部电阻。AHCC+SG基超级电容器的优异效能表明AHCC+SG非常适用于储能应用中的电极材料。
AHCC+SG超级电容器在0.5A/g时为153.6-166.3F/g，在5.0A/g时为138.8-149.4F/g，而在0.5A/g时为74.2-78.9，在5.0A/g时为6.1至31.3。特别是YPAC+SG基超级电容器的电容在600次循环后，在5.0A/g时的电容显著降低。AHCC+SG的内部电阻范围为19.85-22.05mΩ-g，与初始内部电阻(17.6至22mΩ-g)几乎相同。YPAC显著增加内部电阻(150-164mΩ-g)，此表明了电容在600次循环后下降的原因。
表21.使用小麦秆活性炭的超级电容器的600次循环电容。
基于上述实验结果，可以得出结论，与作为参考生物碳原料的椰子壳基活性炭相比，吹扫气体处理在增强木质素基活性炭的特性方面特别有效。发明人在实验中获得了有利的结果，该实验检验了使用吹扫气体处理增强由木浆及小麦秆衍生的黑液生产的活性炭的特性的有效性。木质素基活性炭在吹扫气体处理后显示出显著提高的吸附能力及电特性，从而在超级电容器应用中产生高电容值。典型的活性炭具有高吸附能力，但不适合电特性。吹扫气体处理可以提高吸附能力及电特性，使衍生自木质素的活性炭适用于超级电容器及LiS电池组应用中的电极材料。
尽管上面已经讨论了多个例示性态样及实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些修改、排列、添加及子组合。因此，随附的权利要求书及下文引入的权利要求书解释为包括所有此类与整个说明书的最广泛解释一致的修改、排列、添加及子组合。
参考文献
以下参考文献对于本文描述的主题是有意义的。以下参考文献中的每一个以全文引用的方式并入本文中。
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各种实施例具有多个态样，至少包括以下态样：
A.一种如本文所述或如本文任何权利要求所述的建筑或模块化建筑组件，其中结合有储能系统的模块化建筑构件或建筑的部分是绝热的。
B.一种如本文所述或如本文任何权利要求所述的建筑或模块化建筑组件，其中结合有储能系统的模块化建筑构件或建筑的部分是导热的。
C.一种如本文所述或如本文任何权利要求所述的建筑或模块化建筑组件，其中结合有储能系统的模块化建筑构件或建筑的部分是防风雨的。
D.一种如本文所述或如本文任何权利要求所述的模块化建筑构件，其中模块化建筑构件包括内部或外部包覆面板、地板面板、屋顶面板、台面、楼梯间或橱柜。
E.一种如本文所述或如本文任何权利要求所述的建筑，其中储能系统结合至建筑的墙壁、地板、天花板及/或内部构件中。
F.一种如本文所述或如本文任何权利要求所述的建筑或模块化建筑组件，其中储能系统永久地结合至模块化建筑构件或建筑中。
G.一种如本文所述或如本文任何权利要求所述的建筑或模块化建筑组件，其中储能系统可移除地结合至模块化建筑构件或建筑中，任择地借由容纳在可经由出入门、快拆门或可拆卸的覆盖结构进入的隔间内来进行。
H.一种如本文所述或如本文任何权利要求所述的建筑或模块化建筑组件，其包含用于将储能系统耦合到建筑或容纳模块化建筑构件的建筑的电气系统的连接器。
I.一种如本文所述或如本文任何权利要求所述的建筑或一种容纳如本文所述或如本文任何权利要求所述的模块化建筑构件的建筑，其中建筑为仓库。
J.一种借由水热碳化处理黑液的方法，该方法包含以下步骤：在介于30-80psig范围内的初始压力下、在室温下、将黑液置于二氧化碳氛围下；随后在介于约900至约1500psig之间的压力下将温度升高至介于200与320℃之间的高温，任择地持续介于2-10小时之间的时段，其中所得产物任择地在水热碳化后活化以生产活性炭。
K.如态样J所述的方法，其中黑液包含自木材制浆制程及/或谷物制浆制程获得的黑液，其中谷物任择地为小麦秆。

Claims (39)

1.一种生产活性炭的方法，其包含：
提供木质素或高木质素原料；
自该木质素或高木质素原料生产活性炭；以及
将该活性炭暴露于第一高温下的吹扫气体中。
2.一种生产活性炭的方法，其包含将该活性炭暴露于第一高温下的吹扫气体中，其中该活性炭包含由木质素或高木质素原料生产的活性炭。
3.根据权利要求1或2中任一权利要求所述的方法，其中该木质素包含木质素A、木质素B、木质素C或其混合物。
4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的方法，其中该高木质素原料包含黑液，任择地来自牛皮纸制浆制程。
5.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的方法，其中该高木质素原料包含由制浆硬木、软木，或硬木与软木的组合生产的黑液，或其中该高木质素原料包含由对谷物进行制浆所生产的黑液，任择地其中该谷物为小麦秆。
6.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的方法，其中该高木质素原料包含基于重量计至少65％的木质素干物质含量，或其中该高木质素原料包含基于干重计至少20％-35％的可回收的木质素含量。
7.根据权利要求1至6中任一权利要求所述的方法，其中该吹扫气体包含惰性气体与还原气体的组合。
8.根据权利要求7所述的方法，其中该惰性气体包含氮气、氩气或氦气；且其中该还原气体包含氢气、氨、一氧化碳、组成气体或合成气。
9.根据权利要求7或8中任一权利要求所述的方法，其中该吹扫气体包含介于约80％与约99％之间的该惰性气体及介于约1％与约20％之间的该还原气体。
10.根据权利要求1至9中任一权利要求所述的方法，其中该第一高温在约750℃与约950℃之间。
11.根据权利要求1至10中任一权利要求所述的方法，其中在将该活性炭暴露于该吹扫气体中的步骤期间，该吹扫气体以介于3.5与7.5厘米/分钟之间的表观速度供应。
12.根据权利要求1至11中任一权利要求所述的方法，其中在将该活性炭暴露于该吹扫气体中的步骤期间，使该吹扫气体喷洒在该活性炭上或通过该活性炭。
13.根据权利要求1至12中任一权利要求所述的方法，其中将该活性炭暴露于该吹扫气体中的步骤在大气压下进行。
14.根据权利要求1至13中任一权利要求所述的方法，其中将该活性炭暴露于该吹扫气体中的步骤进行介于0.5小时与9小时之间的时段。
15.根据权利要求1至14中任一权利要求所述的方法，其中生产活性炭的步骤包含化学活化或热活化。
16.根据权利要求1至15中任一权利要求所述的方法，其中生产活性炭的步骤包含在第二高温下向该木质素或高木质素原料中添加氧化剂，其中该氧化剂任择地包含碱金属氢氧化物且其中该第二高温任择地包含介于500-900℃之间的温度，其中任择地，活化步骤进行介于约0.5与5小时之间的时段。
17.根据权利要求1至16中任一权利要求所述的方法，其包含在生产该活性炭的步骤之前，使该木质素或高木质素原料经受碳化制程，其中该碳化制程任择地包含在无氧氛围中在介于约500-900℃范围内的温度下加热该木质素或高木质素原料持续约5小时的时段。
18.根据权利要求17所述的方法，其包含在使该木质素或高木质素原料经受碳化制程的步骤之后，将经碳化的木质素或高木质素原料去灰分，任择地其中该木质素为木质素B。
19.根据权利要求1至16中任一权利要求所述的方法，其中该高木质素原料包含黑液，并且其中在生产活性炭的步骤之前，使该黑液经受加压水热碳化步骤，其中该加压水热碳化步骤任择地借由以下方式进行：首先将该高木质素原料在室温下、在介于30-80psig范围内的初始压力下、置于二氧化碳氛围，随后在介于约1000至约1500psig的压力下将该温度升高至介于200与320℃之间的第三高温，任择地持续介于2-10小时之间的时段。
20.根据权利要求1至19中任一权利要求所述的方法，其中生产活性炭的步骤包含化学活化，并且其中在生产活性炭的步骤之后进行洗涤步骤，任择地其中使用强碱进行该化学活化，并且其中该洗涤步骤包含用强酸洗涤。
21.根据权利要求1至20中任一权利要求所述的方法，其包含在将该活性炭混合物暴露于该吹扫气体中的步骤之前干燥该活性炭混合物。
22.根据权利要求1至21中任一权利要求所述的方法，其包含在将该活性炭混合物暴露于该吹扫气体中的步骤之前将该活性炭微粉化。
23.一种设备，其用于进行如权利要求1至22中任一权利要求所述的方法。
24.一种活性炭，其利用如权利要求1至22中任一权利要求所述的方法制造。
25.一种活性炭，其由木质素或高木质素原料制造。
26.根据权利要求24或25中任一权利要求所述的活性炭，其包含使用氮气吸附测定的至少2500m2/g的表面积。
27.根据权利要求24至26中任一权利要求所述的活性炭，其包含使用氮气吸附量测的至少0.7cc/g的孔体积。
28.根据权利要求25至27中任一权利要求所述的活性炭，其包含至少2500mg/g的碘值。
29.根据权利要求25至28中任一权利要求所述的活性炭，其中该木质素包含木质素A、木质素B或木质素C。
30.根据权利要求25至29中任一权利要求所述的活性炭，其中该高木质素原料包含黑液。
31.根据权利要求25至30中任一权利要求所述的活性炭，其中该高木质素原料包含自牛皮纸制浆制程中提取的黑液。
32.根据权利要求25至31中任一权利要求所述的活性炭，其中该高木质素原料包含由制浆硬木、软木，或硬木与软木的组合生产的黑液。
33.根据权利要求25至32中任一权利要求所述的活性炭，其中该高木质素原料包含由对谷物进行制浆所生产的黑液，任择地其中该谷物为小麦秆。
34.根据权利要求25至33中任一权利要求所述的活性炭，其中该高木质素原料包含基于重量计至少65％的木质素干物质含量，或其中该高木质素原料包含基于干重计至少20％-35％的可回收的木质素。
35.一种电极，其包含如权利要求25至34中任一权利要求所述的活性炭。
36.一种制造如权利要求35所述的电极的方法，其包含：
形成含有如前述权利要求中任一权利要求所定义的导电的活性炭、黏合剂及溶剂的浆料，其中该黏合剂任择地包含聚偏二氟乙烯，并且其中该溶剂任择地为N-甲基吡咯啶酮；
将该浆料涂布在导电元件上，其中该导电元件任择地为铝箔；
干燥该浆料；以及
在该导电元件上由经干燥浆料制造该电极。
37.一种超级电容器或电池组，其包含如权利要求35所述的电极。
38.一种含有储能系统的建筑或模块化建筑构件，该储能系统包含超级电容器或电池组，该超级电容器或电池组包含如权利要求35所述的电极。
39.一种含有储能系统的建筑或模块化建筑构件，该储能系统包含如权利要求25至34中任一权利要求所述的活性炭。
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