JP2014511322A - 電気化学特性が向上した炭素材料 - Google Patents

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Abstract

本出願の対象は、最適化された細孔構造を備えた炭素材料である。これらの炭素材料は、電気化学特性が強化されており、様々な電気デバイスにおいて（例えば、ウルトラキャパシタの電極材料として）使用される。本開示の炭素材料の作成方法も開示する。
【選択図】図３

Description

関連出願の相互参照
本出願は、参照により全てが本明細書に組み込まれている、２０１０年１２月２８日に出願された米国特許仮出願第６１／４２７，６４９号の、３５ Ｕ．Ｓ．Ｃ．１１９（ｅ）に基づく利益を主張するものである。
本発明は、主に、最適化された細孔構造を備えた炭素材料、この炭素材料の製造方法、及びこの炭素材料を含むデバイスに関する。
活性炭は、電気の蓄積配分デバイスにおいてよく用いられる。活性炭は、表面積が大きく、導電率が高く、多孔度が高いため、活性炭を用いることにより、他の材料を用いたデバイスよりエネルギ密度が高い電気デバイスの設計が可能になる。そのようなデバイスの一例として、電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ、或いは「ウルトラキャパシタ」）がある。ＥＤＬＣは、多くの場合、活性炭材料及び好適な電解質から作成された電極を有しており、より一般的なキャパシタと比較してエネルギ密度が極めて高い。ＥＤＬＣの典型的な用途としては、無線モデム、携帯電話、デジタルカメラなどのハンドヘルド電子装置のような、データ送信のための電力の短時間バースト（即ち、ピーク電力機能）を必要とする装置におけるエネルギの蓄積及び配分がある。ＥＤＬＣはまた、電気自動車、電車、電気バスなどのような電動車両にもよく用いられる。
別の一般的なエネルギ蓄積配分デバイスとして電池があり、電池は、（例えば、アノード材料、集電子、又は導電性エンハンサとして）炭素材料を含むことが多い。例えば、リチウムを挿入された炭素アノードを有するリチウム炭素電池は、将来のエネルギ蓄積デバイスとして期待されている。他のタイプの炭素含有電池として、リチウム空気電池や鉛蓄電池がある。リチウム空気電池は、空気電極用の集電子として多孔性炭素を用い、鉛蓄電池は、アノード又はカソードのいずれかに炭素添加物を含むことが多い。電池は、（ＥＤＬＣの高電流密度と比較して）低電流密度の電力を必要とする様々な電子装置で用いられる。
ＥＤＬＣ及び炭素ベースの電池の周知の制限の１つは、高温時、高電圧動作時、充放電サイクルを繰り返した場合、及び／又は経年時に性能が低下することである。この性能低下は、少なくとも部分的には、炭素電極自体の中にある１つ以上の電解質不純物が、電解質と電極との界面において電極の破壊を引き起こすことによるものであった。これに対し、より高純度の炭素材料から作成された電極を備えたＥＤＬＣ及び／又は電池であれば、既存のデバイスよりも、高電圧で、かつ、高温下で長期間にわたって動作することが可能であろうことが示唆されてきた。
純度に加えて、炭素含有電気デバイスの別の既知の制限は、活性炭自体の細孔構造である。活性炭材料は、典型的には、多孔度が高いが、その細孔サイズ分布は、電気エネルギ蓄積配分デバイスでの使用に関して最適化されていない。そのような最適化は、ミクロ細孔及びメソ細孔の両方の理想的な混合を含む。細孔サイズの分布が理想的であれば、イオン移動度が最大化され（即ち、抵抗が低減され）、電力密度が増加し、最適化された炭素材料から作成された電極の容積キャパシタンスが増加することが期待される。
高パルス電力の電気化学用途に最適化された細孔構造を備える、改良された高純度炭素材料が必要であることは認識されてきたが、そのような炭素材料は市販されておらず、そのような炭素材料を生産することが可能な作成方法は報告されていない。表面積が大きい活性炭材料を生産する一般的な方法の１つは、既存の炭素含有材料（例えば、やし繊維やタイヤゴム）を熱分解することである。この結果として、表面積が比較的小さい炭化物が得られ、次にこれを過活性化させることにより、目的の用途に必要な表面積及び多孔度を有する材料が得られる。そのようなアプローチは、前駆物質の既存の構造によって本質的に制限され、典型的に得られるのは、最適化されていない細孔構造を有し、灰分（例えば、金属不純物）が１％以上ある炭素材料である。
活性炭材料は、化学的活性化によって作成することも可能である。例えば、炭素含有材料を酸、塩基、又は塩（例えば、リン酸、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、塩化亜鉛など）で処置してから加熱すると、活性炭材料が得られる。しかしながら、そのような化学的活性化によっても、得られる活性炭材料は、高性能の電気デバイスでの使用に適したものではない。
表面積が大きい活性炭材料を生産する別のアプローチは、炭素含有有機構成要素（例えば、ポリマーゲル）から合成ポリマーを作成することである。既存の有機材料の場合と同様に、合成によって作成されたポリマーを熱分解し、活性化させることによって、活性炭材料が得られる。前述の従来型のアプローチと異なり、合成によって作成されたポリマーの固有の多孔度により、活性化工程の間に失われる材料が少ないために、処理の歩留まりは高くなる。しかしながら、合成ポリマーから炭素材料を作成する周知の方法で得られる炭素材料は、細孔構造が最適化されておらず、不適レベルの不純物を有する。従って、これらの材料から作成される電極は、不適な電気化学特性を示す。
当該技術分野においては、有意な進歩がなされてきたものの、引き続き、電気エネルギ蓄積デバイスでの使用に最適化された細孔構造を備える、改良された高純度炭素材料、ならびに、その炭素材料の作成方法、及びその炭素材料を含むデバイスが必要とされている。本発明は、これらの要求を満たし、更に関連する利点を提供するものである。
大まかに言えば、本発明は、最適化された細孔構造を備えた、新規な炭素材料を得ることを目的とする。最適化された細孔構造が有する、メソ細孔に対するミクロ細孔の比は、電力密度を増やし、本開示の炭素材料から作成された電極におけるイオン移動度を高くする。更に、本開示の炭素材料から作成された電極は、イオン抵抗が低く、周波数応答が高い。従って、これらの電極は、他の炭素材料から作成された電極に比べて、電力密度が高く、重量キャパシタンスが大きい。本炭素材料が高純度であることは、様々な蓄電デバイス及び／又は配電デバイスの動作、寿命、及び性能の向上にも寄与する。
従って、この新規な炭素材料は、様々な電気エネルギ蓄積デバイスにおいて（例えば、ウルトラキャパシタの電極材料として）使用される。本開示の炭素材料を含むそのようなデバイスは、高パルス電力を必要とする用途を始めとして、様々な用途において有用である。本開示の炭素材料の優れた特性により、本デバイスは、他の周知の炭素含有電気化学デバイスに比べて、高い耐久性、従って長寿命を有することも期待される。
従って、本開示の一実施形態の対象となるのは、細孔構造を備えた炭素材料であって、細孔構造は、ミクロ細孔、メソ細孔、及び総細孔容積を備え、総細孔容積の４０％から９０％がミクロ細孔内に存在し、総細孔容積の１０％から６０％がメソ細孔内に存在し、総細孔容積の１０％未満が２０ｎｍ超の細孔内に存在する、炭素材料である。
他の実施形態では、総細孔容積の４０％から５０％がミクロ細孔内に存在し、総細孔容積の５０％から６０％がメソ細孔内に存在する。例えば、実施形態によっては、総細孔容積の４３％から４７％がミクロ細孔内に存在し、総細孔容積の５３％から５７％がメソ細孔内に存在する。例えば、特定の実施形態では、総細孔容積の約４５％がミクロ細孔内に存在し、総細孔容積の約５５％がメソ細孔内に存在する。別の実施形態では、総細孔容積の５％未満が２０ｎｍ超の細孔内に存在する。
更に他の実施形態では、本炭素材料の総細孔容積の４０％から８５％がミクロ細孔内に存在し、総細孔容積の１５％から４０％がメソ細孔内に存在する。例えば、実施形態によっては、総細孔容積の７５％から８５％がミクロ細孔内に存在し、総細孔容積の１５％から２５％がメソ細孔内に存在する。他の実施形態では、総細孔容積の６５％から７５％がミクロ細孔内に存在し、総細孔容積の２０％から３０％がメソ細孔内に存在する。特定の実施形態によっては、総細孔容積の約８０％がミクロ細孔内に存在し、総細孔容積の約２０％がメソ細孔内に存在する。他の特定の実施形態では、総細孔容積の約７０％がミクロ細孔内に存在し、総細孔容積の約３０％がメソ細孔内に存在する。
他の実施形態では、本開示は、細孔構造を備えた炭素材料を提供する。この細孔構造は、ミクロ細孔、メソ細孔、及び総細孔容積を含み、総細孔容積の２０％から５０％がミクロ細孔内に存在し、前記総細孔容積の５０％から８０％がメソ細孔内に存在し、総細孔容積の１０％未満が２０ｎｍ超の細孔内に存在する。
実施形態によっては、総細孔容積の２０％から４０％がミクロ細孔内に存在し、総細孔容積の６０％から８０％がメソ細孔内に存在する。他の実施形態では、総細孔容積の２５％から３５％がミクロ細孔内に存在し、総細孔容積の６５％から７５％がメソ細孔内に存在する。例えば、実施形態によっては、総細孔容積の約３０％がミクロ細孔内に存在し、総細孔容積の約７０％がメソ細孔内に存在する。
前述の炭素材料の更に他の実施形態では、総細孔容積の３０％から５０％がミクロ細孔内に存在し、総細孔容積の５０％から７０％がメソ細孔内に存在する。他の実施形態では、総細孔容積の３５％から４５％がミクロ細孔内に存在し、総細孔容積の５５％から６５％がメソ細孔内に存在する。例えば、実施形態によっては、総細孔容積の約４０％がミクロ細孔内に存在し、総細孔容積の約６０％がメソ細孔内に存在する。
前述の実施形態のいずれかの特定の変形形態では、総細孔容積の５％未満が２０ｎｍ超の細孔内に存在する。
他の変形形態では、プロトン励起Ｘ線放射分析法で測定される、炭素材料に含まれる、１１から９２までの範囲の原子番号を有する元素の総不純物含有量が合計でも５００ｐｐｍ未満である。例えば、プロトン励起Ｘ線放射分析法で測定される、炭素材料に含まれうる、１１から９２までの範囲の原子番号を有する元素の総不純物含有量が合計でも２００ｐｐｍ未満、１００ｐｐｍ未満、又は５０ｐｐｍ未満である。
他の実施形態では、プロトン励起Ｘ線放射分析法のデータから計算される、本炭素材料の灰分が０．０３％未満であり、例えば、プロトン励起Ｘ線放射分析法のデータからの計算によれば、０．０１％未満、又は０．００１％未満ですらある。
実施形態によっては、本炭素材料は、燃焼分析及びプロトン励起Ｘ線放射分析法で測定される、少なくとも９５重量％の炭素を含む。
更に他の実施形態では、本炭素材料は、プロトン励起Ｘ線放射分析法で測定される１０ｐｐｍ未満の鉄を含み、或いは、本炭素材料は、プロトン励起Ｘ線放射分析法で測定される３ｐｐｍ未満のニッケルを含み、或いは、本炭素材料は、プロトン励起Ｘ線放射分析法で測定される３０ｐｐｍ未満の硫黄を含み、或いは、本炭素材料は、プロトン励起Ｘ線放射分析法で測定される１ｐｐｍ未満のクロムを含み、或いは、本炭素材料は、プロトン励起Ｘ線放射分析法で測定される１ｐｐｍ未満の銅を含み、或いは、本炭素材料は、プロトン励起Ｘ線放射分析法で測定される１ｐｐｍ未満の亜鉛を含む。
特定の実施形態によっては、本炭素材料は、プロトン励起Ｘ線放射分析法で測定される、１００ｐｐｍ未満のナトリウム、１００ｐｐｍ未満のシリコン、１０ｐｐｍ未満の硫黄、２５ｐｐｍ未満のカルシウム、１０ｐｐｍ未満の鉄、２ｐｐｍ未満のニッケル、１ｐｐｍの銅、１ｐｐｍ未満のクロム、５０ｐｐｍ未満のマグネシウム、１０ｐｐｍ未満のアルミニウム、２５ｐｐｍ未満のリン、５ｐｐｍ未満の塩素、２５ｐｐｍ未満のカリウム、２ｐｐｍ未満のチタン、２ｐｐｍ未満のマンガン、０．５ｐｐｍ未満のコバルト、及び５ｐｐｍ未満の亜鉛を含み、１１から９２までの範囲の原子番号を有する他の全ての元素は、プロトン励起Ｘ線放射分析法では検出されない。
他の実施形態では、本炭素材料は、プロトン励起Ｘ線放射分析法で測定される、５０ｐｐｍ未満のナトリウム、５０ｐｐｍ未満のシリコン、３０ｐｐｍ未満の硫黄、１０ｐｐｍ未満のカルシウム、１０ｐｐｍ未満の鉄、１ｐｐｍ未満のニッケル、１ｐｐｍ未満の銅、１ｐｐｍ未満のクロム、及び１ｐｐｍ未満の亜鉛を含む。
実施形態によっては、本炭素材料は、燃焼分析で測定される、３．０％未満の酸素、０．１％未満の窒素、及び０．５％未満の水素を含む。例えば、更なる実施形態では、本炭素材料は、燃焼分析で測定される、１．０％未満の酸素を含む。
他の実施形態では、本炭素材料は熱分解ポリマー冷却ゲルを含み、或いは、本炭素材料は活性化ポリマー冷却ゲルを含む。
特定の実施形態によっては、本炭素材料は、ＢＥＴ比表面積が、少なくとも５００ｍ２／ｇ、少なくとも１５００ｍ２／ｇ、又は少なくとも２０００ｍ２／ｇである。
他の実施形態では、本炭素材料は、細孔容積が、少なくとも０．６０ｃｃ／ｇ、又は少なくとも１．００ｃｃ／ｇである。他の実施形態では、本炭素材料は、細孔容積が、少なくとも１．５０ｃｃ／ｇ、又は少なくとも２．００ｃｃ／ｇである。
更に他の実施形態では、本開示は、細孔構造を備えた炭素材料を含む電極を提供する。この細孔構造は、ミクロ細孔、メソ細孔、及び総細孔容積を含み、総細孔容積の４０％から９０％がミクロ細孔内に存在し、前記総細孔容積の１０％から６０％がメソ細孔内に存在し、総細孔容積の１０％未満が２０ｎｍ超の細孔内に存在する。
本開示の電極の特定の実施形態では、本炭素材料は、プロトン励起Ｘ線放射分析法で測定される、１１から９２までの範囲の原子番号を有する元素の総不純物含有量が５００ｐｐｍ未満である。
更に他の実施形態では、本開示は、細孔構造を備えた炭素材料を含むデバイスを提供する。この細孔構造は、ミクロ細孔、メソ細孔、及び総細孔容積を含み、総細孔容積の４０％から９０％がミクロ細孔内に存在し、前記総細孔容積の１０％から６０％がメソ細孔内に存在し、総細孔容積の１０％未満が２０ｎｍ超の細孔内に存在する。
実施形態によっては、本デバイスは、電気二重層キャパシタＥＤＬＣである。他の実施形態では、本デバイスは電池であり、例えば、リチウム炭素電池、亜鉛炭素電池、リチウム空気電池、又は鉛酸蓄電池である。例えば、実施形態によっては、本デバイスは、
ａ）第１の集電子と電気的に接触している第１の活性材料を含む少なくとも１つの正電極と、
ｂ）第２の集電子と電気的に接触している第２の活性材料を含む少なくとも１つの負電極と、
ｃ）電解質と、を含む鉛酸蓄電池であり、
正電極及び負電極は、不活性多孔性セパレータによって互いに隔てられており、第１及び第２の活性材料の少なくとも一方が本炭素材料を含んでいる、
他の特定の実施形態では、本デバイスは、
ａ）それぞれが前記炭素材料を含む正電極及び負電極と、
ｂ）不活性多孔性セパレータと、
ｃ）電解質と、を含む電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）であり、
正電極及び負電極は、不活性多孔性セパレータによって互いに隔てられている。
態様によっては、本ＥＤＬＣデバイスは、重量電力が少なくとも１０Ｗ／ｇであり、容積電力が少なくとも５Ｗ／ｃｃであり、重量キャパシタンスが少なくとも１００Ｆ／ｇであり、或いは、容積キャパシタンスが少なくとも１０．０Ｆ／ｃｃである。
他の実施形態では、本ＥＤＬＣデバイスは、アセトニトリル電解質中のテトラエチルアンモニウム−テトラフルロロボラートの１．８Ｍ溶液及び電流密度０．５Ａ／ｇを用いて、２．７Ｖから０．１Ｖの、５秒の時定数での定電流放電によって測定される重量キャパシタンスが少なくとも１１０Ｆ／ｇである。更に他の実施形態では、本ＥＤＬＣデバイスは、アセトニトリル電解質中のテトラエチルアンモニウム−テトラフルロロボラートの１．８Ｍ溶液及び電流密度０．５Ａ／ｇを用いて、２．７Ｖから０．１Ｖの、５秒の時定数での定電流放電によって測定される容量キャパシタンスが少なくとも１５Ｆ／ｃｃである。
前述のＥＤＬＣデバイスの更に他の実施形態では、本ＥＤＬＣデバイスは、アセトニトリル電解質中のテトラエチルアンモニウム−テトラフルロロボラートの１．８Ｍ溶液及び電流密度０．５Ａ／ｇを用いて、２．７Ｖから０．１Ｖの定電流放電及び少なくとも０．２４Ｈｚの周波数応答によって測定される重量キャパシタンスが少なくとも１３Ｆ／ｃｃである。他の実施形態によっては、本ＥＤＬＣデバイスは、アセトニトリル電解質中のテトラエチルアンモニウム−テトラフルロロボラートの１．８Ｍ溶液及び電流密度０．５Ａ／ｇを用いて、２．７Ｖから０．１Ｖの定電流放電及び少なくとも０．２４Ｈｚの周波数応答によって測定される重量キャパシタンスが少なくとも１７Ｆ／ｃｃである。
前述のデバイスのいずれかの実施形態によっては、総細孔容積の４３％から４７％がミクロ細孔内に存在し、総細孔容積の５３％から５７％がメソ細孔内に存在する。他の実施形態では、総細孔容積の８３％から７７％がミクロ細孔内に存在し、総細孔容積の１７％から２３％がメソ細孔内に存在する。
前述のデバイスのいずれかの別の変形形態では、本炭素材料は、プロトン励起Ｘ線放射分析法で測定される、１１から９２までの範囲の原子番号を有する元素の総不純物含有量が、５００ｐｐｍ未満、又は２００ｐｐｍ未満、又は１００ｐｐｍ未満、又は５０ｐｐｍ未満ですらある。
前述のデバイスの他の特定の実施形態では、プロトン励起Ｘ線放射分析法のデータから計算される、本炭素材料の灰分が０．０３％未満であり、例えば、０．０１％未満であり、或いは、０．００１％未満ですらある。他の実施形態では、本炭素材料は、燃焼分析及びプロトン励起Ｘ線放射分析法で測定される、少なくとも９５％の炭素を含む。
前述のデバイスの特定の実施形態によっては、本炭素材料は、プロトン励起Ｘ線放射分析法で測定される１０ｐｐｍ未満の鉄、プロトン励起Ｘ線放射分析法で測定される３ｐｐｍ未満のニッケル、プロトン励起Ｘ線放射分析法で測定される３０ｐｐｍ未満の硫黄、プロトン励起Ｘ線放射分析法で測定される１ｐｐｍ未満のクロム、プロトン励起Ｘ線放射分析法で測定される１ｐｐｍ未満の銅、又はプロトン励起Ｘ線放射分析法で測定される１ｐｐｍ未満の亜鉛を含む。他の実施形態では、総細孔容積の５％未満が２０ｎｍ超の細孔内に存在する。
前述のデバイスの他の実施形態では、本炭素材料は、活性化ポリマー冷却ゲルを含む。他の実施形態に含まれる変形形態では、本炭素材料は、ＢＥＴ比表面積が、少なくとも５００ｍ２／ｇ、少なくとも１５００ｍ２／ｇ、又は少なくとも２０００ｍ２／ｇである。
更に別の実施形態では、本開示は、細孔構造を備えた炭素材料の作成方法を提供する。この細孔構造は、ミクロ細孔、メソ細孔、及び総細孔容積を備え、総細孔容積の４０％から９０％がミクロ細孔内に存在し、総細孔容積の１０％から６０％がメソ細孔内に存在し、総細孔容積の１０％未満が２０ｎｍ超の細孔内に存在し、本方法は、揮発性塩基触媒が存在する酸性条件下で１つ以上のポリマー前駆物質を反応させてポリマーゲルを得るステップを含む。
前述の方法の特定の実施形態では、総細孔容積の４３％から４７％がミクロ細孔内に存在し、総細孔容積の５３％から５７％がメソ細孔内に存在する。他の実施形態では、総細孔容積の８３％から７７％がミクロ細孔内に存在し、総細孔容積の１７％から２３％がメソ細孔内に存在する。
また、本開示の方法は、１つ以上のポリマー前駆物質を、酢酸及び水を含む溶媒と混合するステップを更に含んでよい。他の変形形態に含まれる実施形態では、揮発性塩基触媒は、アンモニウムカーボネート、アンモニウムバイカーボネート、アンモニウムアセテート、水酸化アンモニウム、又はこれらの組み合わせを含む。別の実施形態では、１つ以上のポリマー前駆物質は、レゾルシノール及びホルムアルデヒドを含む。
他の更なる実施形態によっては、本方法は更に、
（ａ）ポリマーゲルを凍結乾燥させてポリマー冷却ゲルを得るステップと、
（ｂ）ポリマー冷却ゲルを熱分解して熱分解冷却ゲルを得るステップと、
（ｃ）熱分解冷却ゲルを活性化させて活性炭材料を得るステップと、を含む。
以下の詳細説明を参照すれば、本発明のこれら及び他の態様が明らかになるであろう。
図面においては、同一参照符号は同様の要素を指している。
図中の各要素のサイズ及び相対位置は、必ずしも縮尺どおりには描かれておらず、これらの要素のいくつかは、図をわかりやすくするために、恣意的に拡大及び配置されている。更に、描かれた要素の具体的な形状は、その特定の要素の実際の形状に関する情報を伝えることをまったく意図しておらず、あくまで図中で認識しやすいように選択されている。
図１は、乾燥ポリマーゲルの異なる２つのバッチの細孔サイズ分布を示す図である。 図２は、熱分解炭素材料及び活性炭材料の細孔サイズ分布を重ね合わせた図である。 図３は、本開示による３つの炭素材料の細孔容積の増分による細孔サイズ分布を重ね合わせた図である。 図４は、各種炭素材料についての時間経過に対するキャパシタンスの保持及び安定性を示す図である。 図５Ａは、時間経過に対する各種炭素材料の抵抗を示す図である。 図５Ｂは、時間経過に対する各種炭素材料の抵抗を示す図である。 図６は、ボーデ線図による各種炭素材料の比較を示す図である。 図７は、各種炭素材料の細孔サイズ分布を示す図である。 図８は、本開示による炭素材料の異なる２つのバッチを示す図である。 図９は、各種炭素材料の細孔サイズ分布を重ね合わせた図である。 図１０は、炭素材料の試験のために組み立てられた試作キャパシタ電池を示す図である。 図１１は、２つの試験用キャパシタについての、異なる４つの電圧での３０分の漏れ電流値を示す図である。 図１２は、本開示の炭素材料を含む試作キャパシタの定電流放電のグラフである。 図１３Ａは、本開示の炭素材料及び有機電解質を使用して組み立てられたキャパシタのインピーダンスデータを複素平面で表現した図である。 図１３Ｂは、本開示の炭素材料及び有機電解質を含むキャパシタのインピーダンスデータをボーデ線図で表現した図である。 図１３Ｃは、インピーダンスデータを直列ＲＣ回路として表現した図である。 図１４は、本開示の炭素材料及び有機電解質を使用して組み立てられた試験用キャパシタの、実験により決定されたエネルギと電力との関係を示す図である。 図１５は、瞬間凍結させた乾燥ポリマーゲル及びゆっくり凍結させた乾燥ポリマーゲルの細孔サイズ分布を重ね合わせた図である。 図１６は、瞬間凍結させた乾燥ゲル及びゆっくり凍結させた乾燥ゲルから作成された炭素材料の細孔サイズ分布を重ね合わせた図である。 図１７は、液体窒素（ＬＮ）凍結ポリマーゲル及び棚凍結（ＳＦ）ポリマーゲルの活性化重量損失及び表面積を示すグラフである。 図１８は、例示的炭素試料の細孔サイズ分布を示す図である。 図１９は、乾燥ゲル試料の細孔サイズ分布を示すグラフである。 図２０は、各種炭素試料の細孔サイズ分布を示す図である。
以下の記載では、各種実施形態が十分理解されるように、特定の具体的詳細を説明している。しかしながら、当業者であれば理解されるように、本発明は、これらの詳細がなくても実施可能である。他の例では、本実施形態の説明が不必要に不明瞭になるのを避けるために、周知の構造については、詳細な図示又は説明をしていない。別段に記述しない限りは、以下の明細書及び特許請求の範囲の全体を通して、「を備える（含む）」（「ｃｏｍｐｒｉｓｅ」、及びそのバリエーション、例えば、「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ」や「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」）という語句は、オープンかつ包含的な意味合い、即ち、「を含むが、これに限定されない」として解釈されたい。更に、本明細書に付されている各見出しは、便宜的なものに過ぎず、特許請求されている本発明の範囲又は趣旨を解釈したものではない。
本明細書全体を通して、「一実施形態」（「ｏｎｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ」又は「ａｎ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ」）への参照は、当該実施形態に関連して記載された特定の特徴、構造、又は特性が少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。従って、本明細書全体を通して、様々な場所に「一実施形態では」（「ｉｎ ｏｎｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ」又は「ｉｎ ａｎ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ」）という語句が現れた場合、これらの全てが必ずしも同じ実施形態を参照しているわけではない。更に、それらの特定の特徴、構造、又は特性は、１つ以上の実施形態において、任意の好適な様式で組み合わせてよい。また、本明細書及び添付の特許請求の範囲で用いているように、単数形の「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、明らかに文脈と矛盾するものでない限り、複数の指示対象を包含する。また、「又は」（「ｏｒ」）という語は、明らかに文脈と矛盾するものでない限り、「及び／又は」（「ａｎｄ／ｏｒ」）を含む意味で一般的に用いられることにも注意されたい。
定義
本明細書で用いているように、かつ、文脈と矛盾するものでない限り、以下の各用語は、以下に示すような意味を有するものとする。
「炭素材料」は、実質的に炭素からなる材料又は物質を意味する。炭素材料は、アモルファス炭素材料及び結晶炭素材料だけでなく超高純度炭素材料も含む。炭素材料の限定ではない例として、活性炭、熱分解乾燥ポリマーゲル、熱分解ポリマー冷却ゲル、熱分解ポリマーキセロゲル、熱分解ポリマーエアロゲル、活性化乾燥ポリマーゲル、活性化ポリマー冷却ゲル、活性化ポリマーキセロゲル、活性化ポリマーエアロゲルなどがある。
「アモルファス」は、成分の原子、分子、又はイオンが、規則的な繰り返しパターンを持たずにランダムに配列された材料（例えば、アモルファス炭素材料）を意味する。アモルファス材料は、いくらかの局所的結晶化度（即ち、規則性）を有する場合があるが、原子の位置の長距離秩序が欠如している。熱分解及び／又は活性化された炭素材料は、一般にアモルファスである。
「結晶」は、成分の原子、分子、又はイオンが整然とした繰り返しパターンで配列された材料を意味する。結晶炭素材料の限定ではない例として、ダイヤモンド及びグラフェンがある。
「合成」は、天然原料からではなく化学的手段で作成された物質を意味する。例えば、合成炭素材料は、前駆物質から合成されたものであって天然原料から分離されたものではないものの１つである。
「不純物」又は「不純物元素」は、材料内にあって、基本材料の化学組成と異なる不要な異物（例えば、化学元素）を意味する。例えば、炭素材料内の不純物は、炭素材料内に存在する、炭素以外の全ての元素又は元素の組み合わせを意味する。不純物レベルは、典型的には、１００万分の１（ｐｐｍ）単位で表される。
「ＰＩＸＥ不純物」又は「ＰＩＸＥ元素」は、１１から９２まで（即ち、ナトリウムからウラニウムまで）の範囲の原子番号を有する任意の不純物元素である。「総ＰＩＸＥ不純物含有量」及び「総ＰＩＸＥ不純物レベル」という語句は、両方とも、試料（例えば、ポリマーゲルや炭素材料）内に存在する全てのＰＩＸＥ不純物の総和を意味する。ＰＩＸＥ不純物の濃度及び識別は、プロトン励起Ｘ線放射分析法（ＰＩＸＥ）によって決定することが可能である。
「超高純度」は、総ＰＩＸＥ不純物含有量が０．０５０％未満である物質を意味する。例えば、「超高純度炭素材料」は、総ＰＩＸＥ不純物含有量が０．０５０％（即ち、５００ｐｐｍ）未満である炭素材料である。
「灰分」は、物質を高い分解温度にさらした後に残る不揮発性無機物を意味する。ここでは、炭素材料の灰分は、不揮発性元素が、予想される燃焼生成物（即ち、酸化物）に完全に変換されるものとして、プロトン励起Ｘ線放射分析法で測定される総ＰＩＸＥ不純物含有量から計算される。
「ポリマー」は、２つ以上の構造繰り返し単位からなる高分子を意味する。
「合成ポリマー前駆物質」又は「ポリマー前駆物質」は、合成ポリマーの作成において用いられる化合物を意味する。本明細書において開示されている作成の特定の実施形態において使用可能なポリマー前駆物質の限定ではない例として、アルデヒド（即ち、ＨＣ（＝Ｏ）Ｒ。但し、Ｒは有機基）があり、例えば、メタナール（ホルムアルデヒド）、エタナール（アセトアルデヒド）、プロパナール（プロピオンアルデヒド）、ブタナール（ブチルアルデヒド）、グルコース、ベンズアルデヒド、シンナムアルデヒドなどがある。他の、ポリマー前駆物質の限定ではない例として、フェノールやポリヒドロキシベンゼン（ジヒドロキシベンゼンやトリヒドロキシベンゼンなど）のようなフェノール系化合物があり、例えば、レゾルシノール（即ち、１，３−ジヒドロキシベンゼン）、カテコール、ハイドロキノン、フロログルシノールなどがある。２つ以上のポリヒドロキシベンゼンの混合物も、ポリマー前駆物質の意味の範囲内であると考えられている。
「モノリシック」は、性質として粒状ではない、固形の３次元構造を意味する。
「ゾル」は、前駆粒子（例えば、ポリマー前駆物質）のコロイド懸濁液を意味し、「ゲル」という用語は、前駆粒子の凝結又は反応によって得られる湿潤３次元多孔性網状組織を意味する。
「ポリマーゲル」は、網状組織の構成要素がポリマーであるゲルを意味し、大まかには、ポリマーゲルは、合成前駆物質又はポリマー前駆物質から形成されたポリマーからなる湿潤（水性又は非水性）３次元構造である。
「ゾルゲル」は、ポリマーが、ポリマー前駆物質の反応によって得られる湿潤３次元多孔性網状組織を形成するコロイド懸濁液である、ポリマーゲルのサブクラスを意味する。
「ポリマーヒドロゲル」又は「ヒドロゲル」は、合成前駆物質又はモノマーのための溶媒が水、又は水と１つ以上の水混和性溶媒との混合物である、ポリマーゲル又はゲルのサブクラスを意味する。
「ＲＦポリマーヒドロゲル」は、ポリマーが、水、又は水と１つ以上の水混和性溶媒との混合物の中でのレゾルシノール及びホルムアルデヒドの触媒反応から形成された、ポリマーゲルのサブクラスを意味する。
「酸」は、溶液のｐＨを下げることが可能な任意の物質を意味する。酸は、アレニウス酸、ブレンステッド酸、及びルイス酸を含む。「固体酸」は、溶媒に溶かされると酸性溶液を発生させる乾燥化合物又は粒状化合物を意味する。
「酸性」という用語は、酸の特性を有することを意味する。
「塩基」は、溶液のｐＨを上げることが可能な任意の物質を意味する。塩基は、アレニウス塩基、ブレンステッド塩基、及びルイス酸を含む。「固体塩基」は、溶媒に溶かされると塩基性溶液を発生させる乾燥化合物又は粒状化合物を意味する。
「塩基性」という用語は、塩基の特性を有することを意味する。
「混合溶媒系」は、２つ以上の溶媒（例えば、２つ以上の混和性溶媒）からなる溶媒系を意味する。２元溶媒系（即ち、２つの溶媒を含む溶媒系）の限定ではない例として、水と酢酸、水とギ酸、水とプロピオン酸、水と酪酸などがある。３元溶媒系（即ち、３つの溶媒を含む溶媒系）の限定ではない例として、水と酢酸とエタノール、水と酢酸とアセトン、水と酢酸とギ酸、水と酢酸とプロピオン酸などがある。本発明は、２つ以上の溶媒を含む全ての混合溶媒系を想定している。
「混和性」は、特定範囲の温度、圧力、及び組成にわたって単相を形成する混合物の特性を意味する。
「触媒」は、化学反応の速度を変化させる物質である。触媒は、周期的に再生されるように、周期的に反応に関与する。本開示は、ナトリウムを含まない触媒を想定している。本明細書に記載のポリマーゲル（例えば、超高純度ポリマーゲル）の作成に用いられる触媒は、ポリマー前駆物質を重合して超高純度ポリマーゲルを形成することを促進する任意の化合物であってよい。「揮発性触媒」は、大気圧以下で気化する傾向がある触媒である。揮発性触媒の限定ではない例として、アンモニウム塩があり、例えば、重炭酸アンモニウム、炭酸アンモニウム、水酸化アンモニウム、及びこれらの組み合わせがある。
「溶媒」は、反応物質（例えば、超高純度ポリマー前駆物質）を溶かすか懸濁させ、中で反応が起こりうる媒体を提供する物質を意味する。本明細書に開示のゲル、超高純度ポリマーゲル、超高純度合成炭素材料、及び超高純度合成アモルファス炭素材料の作成において有用な溶媒の限定ではない例として、水、アルコール、及びこれらの混合物がある。アルコールの例として、エタノール、ｔ−ブタノール、メタノール、及びこれらの混合物がある。そのような溶媒は、合成超高純度ポリマー前駆物質材料を溶かすのに有用であり、例えば、フェノール化合物やアルデヒド化合物を溶かすのに有用である。更に、処理によっては、そのような溶媒は、（凍結及び乾燥の前の）ポリマーヒドロゲルにおける溶媒交換に用いられ、この場合は、前駆物質（例えば、レゾルシノール及びホルムアルデヒド）の重合からの溶媒が純アルコールと交換される。本出願の一実施形態では、溶媒交換を含まない処理によって冷却ゲルが作成される。
「乾燥ゲル」又は「乾燥ポリマーゲル」は、溶媒（一般的には、水、又は水と１つ以上の水混和性溶媒との混合物）が実質的に除去されたゲル又はポリマーゲルを、それぞれ意味する。
「熱分解乾燥ポリマーゲル」は、熱分解はされたが、まだ活性化されていない乾燥ポリマーゲルを意味し、「活性化乾燥ポリマーゲル」は、活性化された乾燥ポリマーゲルを意味する。
「冷却ゲル」は、凍結乾燥によって乾燥させた乾燥ゲルを意味する。
「ＲＦ冷却ゲル」は、レゾルシノール及びホルムアルデヒドの触媒反応から形成されたゲルを凍結乾燥によって乾燥させた乾燥ゲルを意味する。
「熱分解冷却ゲル」は、熱分解はされたが、まだ活性化されていない冷却ゲルである。
「活性化冷却ゲル」は、活性炭材料を得るために活性化された冷却ゲルである。
「キセロゲル」は、（例えば、大気圧以下で）大気乾燥によって乾燥させた乾燥ゲルを意味する。
「熱分解キセロゲル」は、熱分解はされたが、まだ活性化されていないキセロゲルである。
「活性化キセロゲル」は、活性炭材料を得るために活性化されたキセロゲルである。
「エアロゲル」は、（例えば、超臨界二酸化炭素を用いて）超臨界乾燥によって乾燥させた乾燥ゲルを意味する。
「熱分解エアロゲル」は、熱分解はされたが、まだ活性化されていないエアロゲルである。
「活性化エアロゲル」は、活性炭材料を得るために活性化されたエアロゲルである。
「有機抽出溶媒」は、ポリマー前駆物質の重合の開始後（大まかには、ポリマーヒドロゲルの重合の完了後）にポリマーヒドロゲルに加えられる有機溶媒を意味する。
「高速多方向凍結」は、モノリシックポリマーゲルからポリマーゲル粒子を作成し、このポリマーゲル粒子を好適な冷媒体にあてることにより、ポリマーゲルを凍結させる処理を意味する。この冷媒体は、例えば、液体窒素、窒素ガス、又は固体二酸化炭素であってよい。高速多方向凍結中は、氷の核生成が氷の結晶成長を支配する。好適な冷媒体は、例えば、温度が約−１０℃を下回るガス、液体、又は固体であってよい。或いは、好適な冷媒体は、温度が約−２０℃を下回る気体、液体、又は固体であってよい。或いは、好適な冷媒体は、温度が約−３０℃を下回る気体、液体、又は固体であってよい。
「活性化」は、原料又は炭化／熱分解物質を酸化雰囲気（例えば、二酸化炭素、酸素、蒸気、又はこれらの組み合わせ）にさらしながら活性化保持温度で加熱して「活性化」物質（例えば、活性化冷却ゲル又は活性炭材料）を生成する処理を意味する。一般には、活性化処理を行うと、粒子の表面が剥ぎ取られて、表面積が増える。或いは、活性化は、化学的手段を用いて行うことが可能であり、例えば、炭素含有前駆物質材料に化学物質（例えば、リン酸などの酸、又は水酸化カリウム、水酸化ナトリウムなどの塩基、又は塩化亜鉛などの塩）を含浸させ、その後、炭化させることにより、可能である。「活性化（された）」は、材料又は物質（例えば、炭素材料）が活性化処理を経たことを意味する。
「炭化」及び「熱分解」は、それぞれ、処理の最後に収集される目的物質が主として炭素であるように、炭素含有物質を不活性雰囲気（例えば、アルゴン、窒素、又はこれらの組み合わせ）中又は真空中で熱分解保持温度で加熱する処理を意味する。「熱分解（された）」は、材料又は物質（例えば、炭素材料）が熱分解処理を経たことを意味する。
「保持温度」は、処理のうちの、比較的一定の温度を維持する（即ち、温度を上げることも下げることもしない）ために確保されている部分の間の炉の温度を意味する。例えば、熱分解保持温度は、熱分解中の炉の比較的一定の温度を意味し、活性化保持温度は、活性化中の炉の比較的一定の温度を意味する。
「細孔」は、炭素材料（例えば、活性炭、熱分解乾燥ポリマーゲル、熱分解ポリマー冷却ゲル、熱分解ポリマーキセロゲル、熱分解ポリマーエアロゲル、活性化乾燥ポリマーゲル、活性化ポリマー冷却ゲル、活性化ポリマーキセロゲル、活性化ポリマーエアロゲルなど）にある、表面の開口又はくぼみ、或いは、トンネルを意味する。細孔は、構造全体にわたる連続的な網状組織において、単独のトンネルであってもよく、他のトンネルと連結していてもよい。
「細孔構造」は、炭素材料（例えば、活性炭材料）内の内部細孔の表面のレイアウトを意味する。細孔構造の構成要素としては、細孔サイズ、細孔容積、表面積、密度、細孔サイズ分布、細孔長さなどがある。一般に、活性炭材料の細孔構造は、ミクロ細孔及びメソ細孔を備える。例えば、特定の実施形態では、メソ細孔に対するミクロ細孔の比が、電気化学的性能の向上のために最適化されている。
「メソ細孔」は、一般に、直径が２ナノメートルから５０ナノメートルの範囲にある細孔を意味し、「ミクロ細孔」という用語は、直径が２ナノメートル未満である細孔を意味する。
「表面積」は、ＢＥＴ法で測定可能な、物質の全比表面積を意味する。表面積は、典型的には、ｍ２／ｇという単位で表される。ＢＥＴ（Ｂｒｕｎａｕｅｒ／Ｅｍｍｅｔｔ／Ｔｅｌｌｅｒ）法は、不活性ガス（例えば、窒素）を用いて、材料に吸着されたガスの量を測定する方法であり、当該技術分野において、材料の接触可能表面積を確定するためによく用いられる。
メソ細孔及びミクロ細孔に関連して用いられる「連結（されている）」は、そのような細孔の空間的方向を意味する。
「有効長」は、細孔の長さのうちの、電解質から塩イオンを受け取ることに使用できるほどの十分な直径を有する部分の長さを意味する。
「電極」は、電池（例えば、キャパシタ、バッテリー、その他）の、活性材料を含有する正又は負の構成要素を意味する。電極は、一般に、電気が電極を出入りする際に通る１つ以上の金属リードを備える。
「バインダー」は、物質（例えば、炭素材料）の個々の粒子を結びつけることが可能な材料を意味し、バインダーと粒子とを混合して得られる混合物は、シート、ペレット、ディスク、その他の形状に成形することが可能である。特定の実施形態では、電極が本開示の炭素材料とバインダーとを備えてよい。バインダーの限定ではない例として、フルオロポリマーがあり、例えば、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン、Ｔｅｆｌｏｎ）、ＰＦＡ（ペルフルオロアルコキシポリマー樹脂。やはりＴｅｆｌｏｎとして知られる）、ＦＥＰ （フッ素化エチレンプロピレン。やはりＴｅｆｌｏｎとして知られる）、ＥＴＦＥ（ポリエチレンテトラフルオロエチレン。ＴｅｆｚｅｌやＦｌｕｏｎとして販売されている）、ＰＶＦ（ポリビニルフルオリド。Ｔｅｄｌａｒとして販売されている）、ＥＣＴＦＥ（ポリエチレンクロロトリフルオロエチレン。Ｈａｌａｒとして販売されている）、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンフルオリド。Ｋｙｎａｒとして販売されている）、ＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン。Ｋｅｌ−ＦやＣＴＦＥとして販売されている）、トリフルオロエタノールなどや、これらの組み合わせがある。
「不活性」は、電気エネルギ蓄積デバイスの電解質内で活性ではない材料、即ち、有意量のイオンを吸収したり、化学的に変化（例えば、劣化）したりしない材料を意味する。
「導電性」は、緩く保持された価電子の伝送により電子を伝導する、材料の能力を意味する。
「集電子」は、電気エネルギ蓄積及び／又は配分デバイスのうちの、デバイスに出入りする電気の流れを促進する電気的接続を与える部分を意味する。集電子は、金属及び／又は他の導電性材料を備えていることが多く、電極に出入りする電気の流れを促進するための、電極のバッキングとして使用可能である。
「電解質」は、導電性であるように、自由イオンを含んだ物質を意味する。電解質は、電気エネルギ蓄積デバイスにおいて一般的に用いられる。電解質の限定ではない例として、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジエチルカーボネート、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、又はこれらの混合物などの溶媒を、テトラアルキルアンモニウム塩（例えば、ＴＥＡ ＴＦＢ（テトラエチルアンモニウムテトラフルオロボラート）、ＭＴＥＡＴＦＢ（メチルトリエチルアンモニウムテトラフルオロボラート）、ＥＭＩＴＦＢ（１−エチル−３−メチルイミドアゾリウムテトラフルオロボラー）、テトラエチルアンモニウム、トリエチルアンモニウムなどをベースとする塩、又はこれらの混合物）などの溶質と組み合わせたものがある。実施形態によっては、電解質は、水性酸又は水性塩基の電解質（例えば、希硫酸水溶液又は水酸化カリウム水溶液）であってよい。
Ａ．最適化された細孔サイズ分布を備えた炭素材料
前述のように、本開示の一実施形態は、最適化された細孔サイズ分布を備えた炭素材料である。細孔サイズ分布が最適化されていることは、本炭素材料を含む電気デバイスが、他の既知の炭素材料を含むデバイスに比べてすぐれた性能を有することに寄与する。例えば、実施形態によっては、本炭素材料は、ミクロ細孔及びメソ細孔の混合が最適化されており、また、熱分解及び／又は活性化に対して低い表面機能性を含んでもよい。他の実施形態では、本炭素材料に含まれる、１１から９２までの範囲の原子番号を有する全ての元素が合計でも５００ｐｐｍ未満である（これはプロトン励起Ｘ線放射分析法で測定される）。純度が高く、ミクロ細孔／メソ細孔分布が最適化されていれば、本炭素材料は、電気の蓄積配分デバイス（例えば、ウルトラキャパシタ）での使用に理想的である。
本開示の炭素材料の最適化された細孔サイズ分布ならびに高純度は、本開示のゾルゲル法及びその後のポリマーゲルの後重合処理（例えば、熱分解及び／又は活性化）によって実現可能である。出願人らは、１つ以上のポリマー前駆物質（例えば、フェノール化合物及びアルデヒド）を、揮発性塩基触媒が存在する酸性条件下で共重合させると、超高純度ポリマーゲルが得られることを発見した。このことは、得られるポリマーゲルに残留レベルの不要な不純物が含まれる、他の報告されているポリマーゲル作成方法とは、大きく異なる。本開示の条件下で超高純度ポリマーゲルを熱分解及び／又は活性化すると、最適化された細孔サイズ分布を有する超高純度炭素材料が得られる。
以下では、本開示の炭素材料の特性、ならびに、これらの炭素材料の作成方法を詳述する。
１．ポリマーゲル
ポリマーゲルは、本開示の炭素材料の作成における中間体である。従って、本ポリマーゲルの物理的特性及び化学的特性は、本炭素材料の特性に寄与する。
他の実施形態では、本ポリマーゲルに含まれる、１１から９２までの範囲の原子番号を有する他の全ての元素（即ち、電気化学的変性剤を除く）の合計が５００ｐｐｍ未満である。例えば、他の実施形態によっては、本ポリマーゲルに含まれる、１１から９２までの範囲の原子番号を有する他の全ての元素が、２００ｐｐｍ未満、１００ｐｐｍ未満、５０ｐｐｍ未満、２５ｐｐｍ未満、１０ｐｐｍ未満、５ｐｐｍ未満、又は１ｐｐｍ未満である。実施形態によっては、本ポリマーゲルの電気化学的変性剤含有量及び不純物含有量は、プロトン励起Ｘ線放射分析法（ＰＩＸＥ）で測定可能である。
実施形態によっては、本ポリマーゲルは、乾燥ポリマーゲル（例えば、ポリマー冷却ゲル）である。他の実施形態では、乾燥ポリマーゲルは、ポリマーキセロゲル又はポリマーエアロゲルである。実施形態によっては、本ポリマーゲルは、フェノール化合物及びアルデヒド化合物から作成され、例えば、一実施形態では、本ポリマーゲルは、レゾルシノール及びホルムアルデヒドから作成可能である。他の実施形態では、本ポリマーゲルは、酸性条件下で作成され、他の実施形態では、本ポリマーゲルは、電気化学的変性剤の存在下で作成される。実施形態によっては、酸性は、固体酸化合物を溶かすことによって、又は反応溶媒として酸を用いることによって、又は溶媒の１つが酸である混合溶媒系を用いることによって、与えることが可能である。以下では、本ポリマーゲルの作成について詳述する。
本開示の処理は、揮発性塩基触媒の存在下でポリマーゲルを形成する重合を含む。従って、実施形態によっては、本ポリマーゲルは、１つ以上の塩を備え、例えば、実施形態によっては、その１つ以上の塩は、揮発性塩基塩である。揮発性塩基塩の限定ではない例として、アンモニウムカーボネート、アンモニウムバイカーボネート、アンモニウムアセテート、水酸化アンモニウム、及びこれらの組み合わせがある。従って、実施形態によっては、本開示は、アンモニウムカーボネート、アンモニウムバイカーボネート、アンモニウムアセテート、水酸化アンモニウム、又はこれらの組み合わせを含むポリマーゲルを提供する。更なる実施形態では、本ポリマーゲルは、アンモニウムカーボネートを含む。他の更なる実施形態では、本ポリマーゲルは、アンモニウムアセテートを含む。
本ポリマーゲルはまた、灰分が少ない場合があり、このことは、本ポリマーゲルから作成される炭素材料の灰分を少なくすることに寄与しうる。従って、実施形態によっては、本ポリマーゲルの灰分は、０．１％から０．００１％の範囲にある。他の実施形態では、本ポリマーゲルの灰分は、０．１％未満、０．０８％未満、０．０５％未満、０．０３％未満、０．０２５％未満、０．０１％未満、０．００７５％未満、０．００５％未満、又は０．００１％未満である。
他の実施形態では、本ポリマーゲルは、他の全ての元素の総ＰＩＸＥ不純物含有量が５００ｐｐｍ未満であり、灰分が０．０８％未満である。更なる実施形態では、本ポリマーゲルは、他の全ての元素の総ＰＩＸＥ不純物含有量が３００ｐｐｍ未満であり、灰分が０．０５％未満である。別の更なる実施形態では、本ポリマーゲルは、他の全ての元素の総ＰＩＸＥ不純物含有量が２００ｐｐｍ未満であり、灰分が０．０２％未満である。別の更なる実施形態では、本ポリマーゲルは、他の全ての元素の総ＰＩＸＥ不純物含有量が２００ｐｐｍ未満であり、灰分が０．０１％未満である。
前述のように、不純物を含むポリマーゲルから得られる炭素材料は、やはり不純物を含むのが普通である。従って、本開示の一態様は、不要な残留不純物が低レベルであるポリマーゲルである。本ポリマーゲル内に存在する個々のＰＩＸＥ不純物の量は、プロトン励起Ｘ線放射分析法で測定可能である。実施形態によっては、本ポリマーゲル内に存在するナトリウムのレベルは、１０００ｐｐｍ未満、５００ｐｐｍ未満、１００ｐｐｍ未満、５０ｐｐｍ未満、１０ｐｐｍ未満、又は１ｐｐｍ未満である。実施形態によっては、本ポリマーゲル内に存在するマグネシウムのレベルは、１０００ｐｐｍ未満、１００ｐｐｍ未満、５０ｐｐｍ未満、１０ｐｐｍ未満、又は１ｐｐｍ未満である。前述のように、実施形態によっては、水素、酸素、及び／又は窒素などの他の不純物は、１０％未満から０．０１％未満の範囲のレベルで存在する可能性がある。
特定の実施形態によっては、本ポリマーゲルは、１００ｐｐｍ未満のナトリウム、３００ｐｐｍ未満のシリコン、５０ｐｐｍ未満の硫黄、１００ｐｐｍ未満のカルシウム、２０ｐｐｍ未満の鉄、１０ｐｐｍ未満のニッケル、４０ｐｐｍ未満の銅、５ｐｐｍ未満のクロム、及び５ｐｐｍ未満の亜鉛を含む。他の特定の実施形態では、本ポリマーゲルは、５０ｐｐｍ未満のナトリウム、１００ｐｐｍ未満のシリコン、３０ｐｐｍ未満の硫黄、５０ｐｐｍ未満のカルシウム、１０ｐｐｍ未満の鉄、５ｐｐｍ未満のニッケル、２０ｐｐｍ未満の銅、２ｐｐｍ未満のクロム、及び２ｐｐｍ未満の亜鉛を含む。
他の特定の実施形態では、本ポリマーゲルは、５０ｐｐｍ未満のナトリウム、５０ｐｐｍ未満のシリコン、３０ｐｐｍ未満の硫黄、１０ｐｐｍ未満のカルシウム、２ｐｐｍ未満の鉄、１ｐｐｍ未満のニッケル、１ｐｐｍ未満の銅、１ｐｐｍ未満のクロム、及び１ｐｐｍ未満の亜鉛を含む。
他の特定の実施形態によっては、本ポリマーゲルは、１００ｐｐｍ未満のナトリウム、５０ｐｐｍ未満のマグネシウム、５０ｐｐｍ未満のアルミニウム、１０ｐｐｍ未満の硫黄、１０ｐｐｍ未満の塩素、１０ｐｐｍ未満のカリウム、１ｐｐｍ未満のクロム、及び１ｐｐｍ未満のマンガンを含む。
本開示の方法では、比表面積が大きいポリマーゲルを作成する。いかなる理論にも拘束されるものではないが、本ポリマーゲルの表面積は、少なくとも部分的には、本炭素材料の所望の表面積特性に寄与すると考えられている。表面積は、当業者に周知のＢＥＴ法を用いて測定可能である。本明細書に開示のいずれかの態様の一実施形態では、本ポリマーゲルは、ＢＥＴ比表面積が少なくとも１５０ｍ２／ｇ、少なくとも２５０ｍ２／ｇ、少なくとも４００ｍ２／ｇ、少なくとも５００ｍ２／ｇ、少なくとも６００ｍ２／ｇ、又は少なくとも７００ｍ２／ｇである。
一実施形態では、本ポリマーゲルは、ＢＥＴ比表面積が１００ｍ２／ｇから１０００ｍ２／ｇである。或いは、本ポリマーゲルは、ＢＥＴ比表面積が１５０ｍ２／ｇと９００ｍ２／ｇとの間である。或いは、本ポリマーゲルは、ＢＥＴ比表面積が４００ｍ２／ｇと８００ｍ２／ｇとの間である。
一実施形態では、本ポリマーゲルは、タップ密度が０．１０ｇ／ｃｃから０．６０ｇ／ｃｃである。一実施形態では、本ポリマーゲルは、タップ密度が０．１５ｇ／ｃｃから０．２５ｇ／ｃｃである。本開示の一実施形態では、本ポリマーゲルは、ＢＥＴ比表面積が少なくとも１５０ｍ２／ｇであり、タップ密度が０．６０ｇ／ｃｃ未満である。或いは、本ポリマーゲルは、ＢＥＴ比表面積が少なくとも２５０ｍ２／ｇであり、タップ密度が０．４ｇ／ｃｃ未満である。別の実施形態では、本ポリマーゲルは、ＢＥＴ比表面積が少なくとも５００ｍ２／ｇであり、タップ密度が０．３０ｇ／ｃｃ未満である。
本明細書に開示のいずれかの態様又は変形形態の別の実施形態では、本ポリマーゲルは、残留水含有量が１５％未満、１３％未満、１０％未満、５％未満、又は１％未満である。
一実施形態では、本ポリマーゲルは、５００オングストローム以下の細孔の比細孔容積が、総細孔容積の少なくとも２５％、総細孔容積の５０％、総細孔容積の少なくとも７５％、総細孔容積の少なくとも９０％、又は総細孔容積の少なくとも９９％である。別の実施形態では、本ポリマーゲルは、２０ｎｍ以下の細孔の比細孔容積が、総細孔容積の少なくとも５０％、総細孔容積の７５％、総細孔容積の少なくとも９０％、又は総細孔容積の少なくとも９９％である。
実施形態によっては、相対圧力０．１１におけるポリマーゲルの単位質量当たりの窒素吸着量は、最大０．９９の相対圧力での総窒素吸着量の少なくとも１０％であり、或いは、最大０．９９の相対圧力での総窒素吸着量の少なくとも２０％である。別の実施形態では、相対圧力０．１１におけるポリマーゲルの単位質量当たりの窒素吸着量は、最大０．９９の相対圧力での総窒素吸着量の１０％と５０％の間であり、或いは、最大０．９９の相対圧力での総窒素吸着量の２０％と４０％の間であり、或いは、最大０．９９の相対圧力での総窒素吸着量の２０％と３０％の間である。
一実施形態では、本ポリマーゲルは、１００ｎｍ以下の細孔の比細孔表面積が、総細孔表面積の少なくとも５０％、総細孔表面積の少なくとも７５％、総細孔表面積の少なくとも９０％、又は総細孔表面積の少なくとも５０％である。別の実施形態では、本ポリマーゲルは、２０ｎｍ以下の細孔の比細孔表面積が、総細孔表面積の少なくとも５０％、総細孔表面積の少なくとも７５％、総細孔表面積の少なくとも９０％、又は総細孔表面積の少なくとも９９％である。
以下で詳述するように、本開示の炭素材料の作成方法は、ポリマーゲルの熱分解を含んでよい。実施形態によっては、熱分解されたポリマーゲルは、表面積が約１００ｍ２／ｇから約１２００ｍ２／ｇである。他の実施形態では、熱分解されたポリマーゲルは、表面積が約５００ｍ２／ｇから約８００ｍ２／ｇである。他の実施形態では、熱分解されたポリマーゲルは、表面積が約５００ｍ２／ｇから約７００ｍ２／ｇである。
他の実施形態では、熱分解されたポリマーゲルは、タップ密度が約０．１ｇ／ｃｃから約１．０ｇ／ｃｃである。他の実施形態では、熱分解されたポリマーゲルは、タップ密度が約０．３ｇ／ｃｃから約０．６ｇ／ｃｃである。他の実施形態では、熱分解されたポリマーゲルは、タップ密度が約０．３ｇ／ｃｃから約０．５ｇ／ｃｃである。
本ポリマーゲルは、触媒条件下の適切な溶媒系の中で１つ以上のポリマー前駆物質を重合することにより、作成可能である。電気化学的変性剤は、重合処理中又は処理後にゲルに混和させてよい。従って、一実施形態では、本ポリマーゲルは、１つ以上の混和性溶媒と、１つ以上のフェノール化合物と、１つ以上のアルデヒドと、１つ以上の触媒と、電気化学的変性剤とを混合することにより、作成される。例えば、更なる実施形態では、本ポリマーゲルは、水と、酢酸と、レゾルシノールと、ホルムアルデヒドと、アンモニウムアセテートと、鉛アセテートとを混合することにより、作成される。以下では、ポリマーゲルの作成、ならびにポリマーゲルからの炭素材料の作成について詳述する。
２．炭素材料
本開示の対象は、最適化された細孔構造を備えた炭素材料である。いかなる理論にも拘束されることを望むものではないが、本炭素材料の細孔構造だけでなく、本炭素材料の純度プロファイル、表面積、及び他の特性も、本炭素材料の作成方法に依存し、作成パラメーターを変更することにより、得られる炭素材料の特性を変えることが可能であると考えられている。従って、実施形態によっては、本炭素材料は、熱分解乾燥ポリマーゲルであり、例えば、熱分解ポリマー冷却ゲル、熱分解ポリマーキセロゲル、又は熱分解ポリマーエアロゲルである。他の実施形態では、本炭素材料は、熱分解され、活性化される（例えば、合成活性化炭素材料）。例えば、更なる実施形態では、本炭素材料は、活性化乾燥ポリマーゲル、活性化ポリマー冷却ゲル、活性化ポリマーキセロゲル、又は活性化ポリマーエアロゲルである。
前述のように、活性炭粒子は、エネルギ蓄積材料として広く用いられる。この点における非常に重要な一特徴が、高い電力密度である。これは、イオン抵抗が低く、周波数応答が高い電極により、可能である。重要なのはイオン抵抗を低くすることであり、例えば、循環性能に応える能力が制約条件となるデバイスを有する状況において、イオン抵抗を低くすることが重要である。本開示の炭素材料は、いかにして電極の配合を最適化して電気エネルギ蓄積配分デバイスの電力性能を最大化するかという課題を解決する。本炭素材料を含むデバイスは、長期安定性、高速応答時間、及び高パルス電力性能を示す。
本開示の方法では、固有のミクロ細孔構造を備えた炭素材料を作成する。このミクロ細孔構造は、典型的には、総細孔容積に対する、ミクロ細孔又はメソ細孔又はその両方の分の比（パーセント）で記述される。従って、実施形態によっては、本炭素材料の細孔構造は、１０％から９０％のミクロ細孔を含む。他の実施形態によっては、本炭素材料の細孔構造は、２０％から８０％のミクロ細孔を含む。他の実施形態では、本炭素材料の細孔構造は、３０％から７０％のミクロ細孔を含む。他の実施形態では、本炭素材料の細孔構造は、４０％から６０％のミクロ細孔を含む。他の実施形態では、本炭素材料の細孔構造は、４０％から５０％のミクロ細孔を含む。他の実施形態では、本炭素材料の細孔構造は、４３％から４７％のミクロ細孔を含む。特定の実施形態では、本炭素材料の細孔構造は、約４５％のミクロ細孔を含む。
他の実施形態によっては、本炭素材料の細孔構造は、２０％から５０％のミクロ細孔を含む。更に他の実施形態では、本炭素材料の細孔構造は、２０％から４０％のミクロ細孔を含み、例えば、２５％から３５％のミクロ細孔、又は２７％から３３％のミクロ細孔を含む。他の実施形態によっては、本炭素材料の細孔構造は、３０％から５０％のミクロ細孔を含み、例えば、３５％から４５％のミクロ細孔、又は３７％から４３％のミクロ細孔を含む。特定の実施形態によっては、本炭素材料の細孔構造は、約３０％のミクロ細孔、又は約４０％のミクロ細孔を含む。
他の実施形態によっては、本炭素材料の細孔構造は、４０％から９０％のミクロ細孔を含む。更に他の実施形態では、本炭素材料の細孔構造は、４５％から９０％のミクロ細孔を含み、例えば、５５％から８５％のミクロ細孔を含む。他の実施形態によっては、本炭素材料の細孔構造は、６５％から８５％のミクロ細孔を含み、例えば、７５％から８５％のミクロ細孔、又は７７％から８３％のミクロ細孔を含む。更に他の実施形態では、本炭素材料の細孔構造は、６５％から７５％のミクロ細孔を含み、例えば、６７％から７３％のミクロ細孔を含む。特定の実施形態によっては、本炭素材料の細孔構造は、約８０％のミクロ細孔、又は約７０％のミクロ細孔を含む。
本炭素材料のメソ細孔性は、高イオン移動度及び低抵抗に寄与する。実施形態によっては、本炭素材料の細孔構造は、１０％から９０％のメソ細孔を含む。他の実施形態によっては、本炭素材料の細孔構造は、２０％から８０％のメソ細孔を含む。他の実施形態では、本炭素材料の細孔構造は、３０％から７０％のメソ細孔を含む。他の実施形態では、本炭素材料の細孔構造は、４０％から６０％のメソ細孔を含む。他の実施形態では、本炭素材料の細孔構造は、５０％から６０％のメソ細孔を含む。他の実施形態では、本炭素材料の細孔構造は、５３％から５７％のメソ細孔を含む。他の実施形態では、本炭素材料の細孔構造は、約５５％のメソ細孔を含む。
他の実施形態によっては、本炭素材料の細孔構造は、５０％から８０％のメソ細孔を含む。更に他の実施形態では、本炭素材料の細孔構造は、６０％から８０％のメソ細孔を含み、例えば、６５％から７５％のメソ細孔、又は６７％から７３％のメソ細孔を含む。他の実施形態によっては、本炭素材料の細孔構造は、５０％から７０％のメソ細孔を含み、例えば、５５％から６５％のメソ細孔、又は５７％から５３％のメソ細孔を含む。特定の実施形態によっては、本炭素材料の細孔構造は、約３０％のメソ細孔、又は約４０％のメソ細孔を含む。
他の実施形態によっては、本炭素材料の細孔構造は、１０％から６０％のメソ細孔を含む。他の実施形態によっては、本炭素材料の細孔構造は、１０％から５５％のメソ細孔を含み、例えば、１５％から４５％のメソ細孔、又は１５％から４０％のメソ細孔を含む。他の実施形態によっては、本炭素材料の細孔構造は、１５％から３５％のメソ細孔を含み、例えば、１５％から２５％のメソ細孔、又は１７％から２３％のメソ細孔を含む。他の実施形態によっては、本炭素材料の細孔構造は、２５％から３５％のメソ細孔を含み、例えば、２７％から３３％のメソ細孔を含む。特定の実施形態によっては、本炭素材料の細孔構造は、約２０％のメソ細孔を含み、他の実施形態では、本炭素材料は約３０％のメソ細孔を含む。
本炭素材料内でのミクロ細孔及びメソ細孔の混合を最適化することは、本炭素材料の電気化学的性能の向上に寄与する。従って、実施形態によっては、本炭素材料の細孔構造は、１０％から９０％のミクロ細孔と１０％から９０％のメソ細孔とを含む。他の実施形態によっては、本炭素材料の細孔構造は、２０％から８０％のミクロ細孔と２０％から８０％のメソ細孔とを含む。他の実施形態では、本炭素材料の細孔構造は、３０％から７０％のミクロ細孔と３０％から７０％のメソ細孔とを含む。他の実施形態では、本炭素材料の細孔構造は、４０％から６０％のミクロ細孔と４０％から６０％のメソ細孔とを含む。他の実施形態では、本炭素材料の細孔構造は、４０％から５０％のミクロ細孔と５０％から６０％のメソ細孔とを含む。他の実施形態では、本炭素材料の細孔構造は、４３％から４７％のミクロ細孔と５３％から５７％のメソ細孔とを含む。他の実施形態では、本炭素材料の細孔構造は、約４５％のミクロ細孔と約５５％のメソ細孔とを含む。
更に他の実施形態では、本炭素材料の細孔構造は、４０％から９０％のミクロ細孔と１０％から６０％のメソ細孔とを含む。他の実施形態では、本炭素材料の細孔構造は、４５％から９０％のミクロ細孔と１０％から５５％のメソ細孔とを含む。他の実施形態では、本炭素材料の細孔構造は、４０％から８５％のミクロ細孔と１５％から４０％のメソ細孔とを含む。更に他の実施形態では、本炭素材料の細孔構造は、５５％から８５％のミクロ細孔と１５％から４５％のメソ細孔とを含み、例えば、６５％から８５％のミクロ細孔と１５％から３５％のメソ細孔とを含む。他の実施形態では、本炭素材料の細孔構造は、６５％から７５％のミクロ細孔と１５％から２５％のメソ細孔とを含み、例えば、６７％から７３％のミクロ細孔と２７％から３３％のメソ細孔とを含む。他の実施形態によっては、本炭素材料の細孔構造は、７５％から８５％のミクロ細孔と１５％から２５％のメソ細孔とを含み、例えば、８３％から７７％のミクロ細孔と１７％から２３％のメソ細孔とを含む。他の特定の実施形態では、本炭素材料の細孔構造は、約８０％のミクロ細孔と約２０％のメソ細孔とを含み、或いは、他の実施形態では、本炭素材料の細孔構造は、約７０％のミクロ細孔と約３０％のメソ細孔とを含む。
更に他の実施形態では、細孔構造は、２０％から５０％のミクロ細孔と５０％から８０％のメソ細孔とを含む。例えば、実施形態によっては、総細孔容積の２０％から４０％がミクロ細孔内に存在し、総細孔容積の６０％から８０％がメソ細孔内に存在する。他の実施形態では、総細孔容積の２５％から３５％がミクロ細孔内に存在し、総細孔容積の６５％から７５％がメソ細孔内に存在する。例えば、実施形態によっては、総細孔容積の約３０％がミクロ細孔内に存在し、総細孔容積の約７０％がメソ細孔内に存在する。
更に他の実施形態では、総細孔容積の３０％から５０％がミクロ細孔内に存在し、総細孔容積の５０％から７０％がメソ細孔内に存在する。他の実施形態では、総細孔容積の３５％から４５％がミクロ細孔内に存在し、総細孔容積の５５％から６５％がメソ細孔内に存在する。例えば、実施形態によっては、総細孔容積の約４０％がミクロ細孔内に存在し、総細孔容積の約６０％がメソ細孔内に存在する。
前述のいずれの炭素材料の他の変形形態でも、本炭素材料は、２０ｎｍを超える細孔の容積があまり多くない。例えば、特定の実施形態では、本炭素材料は、２０ｎｍを超える細孔が、総細孔容積の５０％未満、４０％未満、３０％未満、２５％未満、２０％未満、１５％未満、１０％未満、５％未満、又は２．５％未満であり、或いは、１％未満ですらある。
本炭素材料の多孔度は、本炭素材料の電気化学的性能の向上に寄与する。従って、一実施形態では、本炭素材料は、２０オングストローム未満の細孔における細孔容積が、少なくとも１．８ｃｃ／ｇ、少なくとも１．２ｃｃ／ｇ、少なくとも０．６ｃｃ／ｇ、少なくとも０．３０ｃｃ／ｇ、少なくとも０．２５ｃｃ／ｇ、少なくとも０．２０ｃｃ／ｇ、又は少なくとも０．１５ｃｃ／ｇである。他の実施形態では、本炭素材料は、２０オングストロームを超える細孔における細孔容積が、少なくとも４．００ｃｃ／ｇ、少なくとも３．７５ｃｃ／ｇ、少なくとも３．５０ｃｃ／ｇ、少なくとも３．２５ｃｃ／ｇ、少なくとも３．００ｃｃ／ｇ、少なくとも２．７５ｃｃ／ｇ、少なくとも２．５０ｃｃ／ｇ、少なくとも２．２５ｃｃ／ｇ、少なくとも２．００ｃｃ／ｇ、少なくとも１．９０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．８０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．７０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．６０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．５０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．４０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．３０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．２０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．１０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．００ｃｃ／ｇ、少なくとも０．８５ｃｃ／ｇ、少なくとも０．８０ｃｃ／ｇ、少なくとも０．７５ｃｃ／ｇ、少なくとも０．７０ｃｃ／ｇ、少なくとも０．６５ｃｃ／ｇ、又は少なくとも０．５ｃｃ／ｇである。
他の実施形態では、本炭素材料は、２０オングストロームから３００オングストロームの範囲の細孔における細孔容積が、少なくとも４．００ｃｃ／ｇ、少なくとも３．７５ｃｃ／ｇ、少なくとも３．５０ｃｃ／ｇ、少なくとも３．２５ｃｃ／ｇ、少なくとも３．００ｃｃ／ｇ、少なくとも２．７５ｃｃ／ｇ、少なくとも２．５０ｃｃ／ｇ、少なくとも２．２５ｃｃ／ｇ、少なくとも２．００ｃｃ／ｇ、少なくとも１．９０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．８０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．７０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．６０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．５０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．４０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．３０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．２０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．１０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．００ｃｃ／ｇ、少なくとも０．８５ｃｃ／ｇ、少なくとも０．８０ｃｃ／ｇ、少なくとも０．７５ｃｃ／ｇ、少なくとも０．７０ｃｃ／ｇ、少なくとも０．６５ｃｃ／ｇ、又は少なくとも０．５ｃｃ／ｇである。
更に他の実施形態では、本炭素材料は、総細孔容積が、少なくとも４．００ｃｃ／ｇ、少なくとも３．７５ｃｃ／ｇ、少なくとも３．５０ｃｃ／ｇ、少なくとも３．２５ｃｃ／ｇ、少なくとも３．００ｃｃ／ｇ、少なくとも２．７５ｃｃ／ｇ、少なくとも２．５０ｃｃ／ｇ、少なくとも２．２５ｃｃ／ｇ、少なくとも２．００ｃｃ／ｇ、少なくとも１．９０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．８０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．７０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．６０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．５０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．４０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．３０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．２０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．１０ｃｃ／ｇ、少なくとも１．００ｃｃ／ｇ、少なくとも０．８５ｃｃ／ｇ、少なくとも０．８０ｃｃ／ｇ、少なくとも０．７５ｃｃ／ｇ、少なくとも０．７０ｃｃ／ｇ、少なくとも０．６５ｃｃ／ｇ、、少なくとも０．６０ｃｃ／ｇ、少なくとも０．５５ｃｃ／ｇ、少なくとも０．５０ｃｃ／ｇ、少なくとも０．４５ｃｃ／ｇ、少なくとも０．４０ｃｃ／ｇ、少なくとも０．３５ｃｃ／ｇ、少なくとも０．３０ｃｃ／ｇ、少なくとも０．２５ｃｃ／ｇ、又は少なくとも０．２０ｃｃ／ｇである。
更に他の実施形態では、本炭素材料は、２０オングストローム未満の細孔における細孔容積が少なくとも０．２ｃｃ／ｇであり、２０オングストロームと３００オングストロームとの間の細孔における細孔容積が少なくとも０．８ｃｃ／ｇである。更に他の実施形態では、本炭素材料は、２０オングストローム未満の細孔における細孔容積が少なくとも０．５ｃｃ／ｇであり、２０オングストロームと３００オングストロームとの間の細孔における細孔容積が少なくとも０．５ｃｃ／ｇである。更に他の実施形態では、本炭素材料は、２０オングストローム未満の細孔における細孔容積が少なくとも０．６ｃｃ／ｇであり、２０オングストロームと３００オングストロームとの間の細孔における細孔容積が少なくとも２．４ｃｃ／ｇである。更に他の実施形態では、本炭素材料は、２０オングストローム未満の細孔における細孔容積が少なくとも１．５ｃｃ／ｇであり、２０オングストロームと３００オングストロームとの間の細孔における細孔容積が少なくとも１．５ｃｃ／ｇである。
特定の実施形態では、ミクロ細孔領域における細孔容積が小さい（例えば、ミクロ多孔度が６０％未満、５０％未満、４０％未満、３０％未満、２０％未満である）メソ細孔炭素材料が与えられる。例えば、熱分解はされたが活性化はされていないポリマーゲルがメソ細孔炭素材料である可能性がある。実施形態によっては、この熱分解メソ細孔炭素材料は、比表面積が、少なくとも４００ｍ２／ｇ、少なくとも５００ｍ２／ｇ、少なくとも６００ｍ２／ｇ、少なくとも６７５ｍ２／ｇ、又は少なくとも７５０ｍ２／ｇである。他の実施形態では、このメソ細孔炭素材料は、総細孔容積が、少なくとも０．５０ｃｃ／ｇ、少なくとも０．６０ｃｃ／ｇ、少なくとも０．７０ｃｃ／ｇ、少なくとも０．８０ｃｃ／ｇ、又は少なくとも０．９０ｃｃ／ｇである。更に他の実施形態では、このメソ細孔炭素材料は、タップ密度が、少なくとも０．３０ｇ／ｃｃ、少なくとも０．３５ｇ／ｃｃ、少なくとも０．４０ｇ／ｃｃ、少なくとも０．４５ｇ／ｃｃ、少なくとも０．５０ｇ／ｃｃ、少なくとも０．５５ｇ／ｃｃである。
本炭素材料は、（電気化学的変性剤を除く）総ＰＩＸＥ不純物が少ない。従って、実施形態によっては、（プロトン励起Ｘ線放射分析法で測定される）本炭素材料中の他の全てのＰＩＸＥ元素の（電気化学的変性剤を除く）総ＰＩＸＥ不純物含有量は、１０００ｐｐｍ未満である。他の実施形態では、本炭素材料中の他の全てのＰＩＸＥ元素の（電気化学的変性剤を除く）総ＰＩＸＥ不純物含有量が、８００ｐｐｍ未満、５００ｐｐｍ未満、３００ｐｐｍ未満、２００ｐｐｍ未満、１５０ｐｐｍ未満、１００ｐｐｍ未満、５０ｐｐｍ未満、２５ｐｐｍ未満、１０ｐｐｍ未満、５ｐｐｍ未満、又は１ｐｐｍ未満である。前述のうちの更なる実施形態では、本炭素材料は、熱分解乾燥ポリマーゲル、熱分解ポリマー冷却ゲル、熱分解ポリマーキセロゲル、熱分解ポリマーエアロゲル、活性化乾燥ポリマーゲル、活性化ポリマー冷却ゲル、活性化ポリマーキセロゲル、又は活性化ポリマーエアロゲルである。
本開示の炭素材料は、不要なＰＩＸＥ不純物の含有量が少ないことに加えて、総炭素含有量が多くてよい。本炭素材料は、炭素だけでなく、酸素、水素、窒素、及び電気化学的変性剤も含んでよい。実施形態によっては、本炭素材料は、重量比で、少なくとも７５％の炭素、少なくとも８０％の炭素、少なくとも８５％の炭素、少なくとも９０％の炭素、少なくとも９５％の炭素、少なくとも９６％の炭素、少なくとも９７％の炭素、少なくとも９８％の炭素、又は少なくとも９９％の炭素を含む。他の実施形態によっては、本炭素材料は、重量比で、１０％未満の酸素、５％未満の酸素、３．０％未満の酸素、２．５％未満の酸素、１％未満の酸素、又は０．５％未満の酸素を含む。他の実施形態では、本炭素材料は、重量比で、１０％未満の水素、５％未満の水素、２．５％未満の水素、１％未満の水素、０．５％未満の水素、又は０．１％未満の水素を含む。他の実施形態では、本炭素材料は、重量比で、５％未満の窒素、２．５％未満の窒素、１％未満の窒素、０．５％未満の窒素、０．２５％未満の窒素、又は０．０１％未満の窒素を含む。本開示の炭素材料の酸素、水素、及び窒素の各含有量は、燃焼分析によって測定可能である。燃焼分析によって元素組成を決定する手法は、当該技術分野において周知である。
本炭素材料の総灰分は、場合によっては、本炭素材料の電気化学的性能に影響を及ぼしうる。従って、実施形態によっては、本炭素材料の灰分は、灰の重量パーセントで０．１％から０．００１％の範囲にあり、例えば、特定の実施形態によっては、本炭素材料の灰分は、０．１％未満、０．０８％未満、０．０５％未満、０．０３％未満、０．０２５％未満、０．０１％未満、０．００７５％未満、０．００５％未満、又は０．００１％未満である。
他の実施形態では、本炭素材料は、総ＰＩＸＥ不純物含有量が５００ｐｐｍ未満であり、灰分が０．０８％未満である。更なる実施形態では、本炭素材料は、総ＰＩＸＥ不純物含有量が３００ｐｐｍ未満であり、灰分が０．０５％未満である。他の更なる実施形態では、本炭素材料は、総ＰＩＸＥ不純物含有量が２００ｐｐｍ未満であり、灰分が０．０５％未満である。他の更なる実施形態では、本炭素材料は、総ＰＩＸＥ不純物含有量が２００ｐｐｍ未満であり、灰分が０．０２５％未満である。他の更なる実施形態では、本炭素材料は、総ＰＩＸＥ不純物含有量が１００ｐｐｍ未満であり、灰分が０．０２％未満である。他の更なる実施形態では、本炭素材料は、総ＰＩＸＥ不純物含有量が５０ｐｐｍ未満であり、灰分が０．０１％未満である。
本開示の炭素材料に存在する個々のＰＩＸＥ不純物の量は、プロトン励起Ｘ線放射分析法で測定可能である。個々のＰＩＸＥ不純物は、本開示の炭素材料の電気化学的性能全体に様々なかたちで寄与しうる。従って、実施形態によっては、本炭素材料内に存在するナトリウムのレベルは、１０００ｐｐｍ未満、５００ｐｐｍ未満、１００ｐｐｍ未満、５０ｐｐｍ未満、１０ｐｐｍ未満、又は１ｐｐｍ未満である。前述のように、実施形態によっては、水素、酸素、及び／又は窒素などの他の不純物は、１０％未満から０．０１％未満の範囲のレベルで存在する可能性がある。
実施形態によっては、本炭素材料に含まれる不要なＰＩＸＥ不純物が、プロトン励起Ｘ線放射分析法の検出限界に近いか、これを下回る。例えば、実施形態によっては、本炭素材料は、５０ｐｐｍ未満のナトリウム、１５ｐｐｍ未満のマグネシウム、１０ｐｐｍ未満のアルミニウム、８ｐｐｍ未満のシリコン、４ｐｐｍ未満のリン、３ｐｐｍ未満の硫黄、３ｐｐｍ未満の塩素、２ ｐｐｍ未満のカリウム、３ｐｐｍ未満のカルシウム、２ｐｐｍ未満のスカンジウム、１ｐｐｍ未満のチタン、１ｐｐｍ未満のバナジウム、０．５ｐｐｍ未満のクロム、０．５ｐｐｍ未満のマンガン、０．５ｐｐｍ未満の鉄、０．２５ｐｐｍ未満のコバルト、０．２５未満のニッケル、０．２５ｐｐｍ未満の銅、０．５ｐｐｍ未満の亜鉛、０．５ｐｐｍ未満のガリウム、０．５ｐｐｍ未満のゲルマニウム、０．５ｐｐｍ未満のヒ素、０．５ｐｐｍ未満のセレン、１ｐｐｍ未満の臭素、１ｐｐｍ未満のルビジウム、１．５ｐｐｍ未満のストロンチウム、２ｐｐｍ未満のイットリウム、３ｐｐｍ未満のジルコニウム、２ｐｐｍ未満のニオブ、４ｐｐｍ未満のモリブデン、４ｐｐｍ未満のテクネチウム、７ｐｐｍ未満のルビジウム、６ｐｐｍ未満のロジウム、６ｐｐｍ未満のパラジウム、９ｐｐｍ未満の銀、６ｐｐｍ未満のカドミウム、６ｐｐｍ未満のインジウム、５ｐｐｍ未満のスズ、６ｐｐｍ未満のアンチモン、６ｐｐｍ未満のテルル、５ｐｐｍ未満の要素、４ｐｐｍ未満のセシウム、４ｐｐｍ未満のバリウム、３ｐｐｍ未満のランタン、３ｐｐｍ未満のセリウム、２ｐｐｍ未満のプラセオジム、２ｐｐｍ未満のネオジム、１．５ｐｐｍ未満のプロメチウム、１ｐｐｍ未満のサマリウム、１ｐｐｍ未満のユーロピウム、１ｐｐｍ未満のガドリニウム、１ｐｐｍ未満のテルビウム、１ｐｐｍ未満のジスプロシウム、１ｐｐｍのホルミウム、１ｐｐｍ未満のエルビウム、１ｐｐｍ未満のツリウム、１ｐｐｍ未満のイッテルビウム、１ｐｐｍ未満のルテチウム、１ｐｐｍ未満のハフニウム、１ｐｐｍ未満のタンタル、１ｐｐｍのタングステン、１．５ｐｐｍ未満のレニウム、１ｐｐｍ未満のオスミウム、１ｐｐｍ未満のイリジウム、１ｐｐｍ未満の白金、１ｐｐｍ未満の銀、１ｐｐｍ未満の水銀、１ｐｐｍのタリウム、１ｐｐｍ未満の鉛、１．５ｐｐｍ未満のビスマス、２ｐｐｍ未満のトリウム、又は４ｐｐｍ未満のウランを含む。
特定の実施形態によっては、本炭素材料は、１００ｐｐｍ未満のナトリウム、３００ｐｐｍ未満のシリコン、５０ｐｐｍ未満の硫黄、１００ｐｐｍ未満のカルシウム、２０ｐｐｍ未満の鉄、１０ｐｐｍ未満のニッケル、１４０ｐｐｍ未満の銅、５ｐｐｍ未満のクロム、及び５ｐｐｍ未満の亜鉛を含み、これらはプロトン励起Ｘ線放射分析法で測定される。他の特定の実施形態では、本炭素材料は、５０ｐｐｍ未満のナトリウム、３０ｐｐｍ未満の硫黄、１００ｐｐｍ未満のシリコン、５０ｐｐｍ未満のカルシウム、１０ｐｐｍ未満の鉄、５ｐｐｍ未満のニッケル、２０ｐｐｍ未満の銅、２ｐｐｍ未満のクロム、及び２ｐｐｍ未満の亜鉛を含む。
他の特定の実施形態では、本炭素材料は、５０ｐｐｍ未満のナトリウム、５０ｐｐｍ未満のシリコン、３０ｐｐｍ未満の硫黄、１０ｐｐｍ未満のカルシウム、２ｐｐｍ未満の鉄、１ｐｐｍ未満のニッケル、１ｐｐｍ未満の銅、１ｐｐｍ未満のクロム、及び１ｐｐｍ未満の亜鉛を含む。
他の特定の実施形態によっては、本炭素材料は、１００ｐｐｍ未満のナトリウム、５０ｐｐｍ未満のマグネシウム、５０ｐｐｍ未満のアルミニウム、１０ｐｐｍ未満の硫黄、１０ｐｐｍ未満の塩素、１０ｐｐｍ未満のカリウム、１ｐｐｍ未満のクロム、及び１ｐｐｍ未満のマンガンを含む。
実施形態によっては、本炭素材料は、１０ｐｐｍ未満の鉄を含む。他の実施形態では、本炭素材料は、３ｐｐｍ未満のニッケルを含む。他の実施形態では、本炭素材料は、３０ｐｐｍ未満の硫黄を含む。他の実施形態では、本炭素材料は、１ｐｐｍ未満のクロムを含む。他の実施形態では、本炭素材料は、１ｐｐｍ未満の銅を含む。他の実施形態では、本炭素材料は、１ｐｐｍ未満の亜鉛を含む。
本開示の炭素材料はまた、表面積が大きい。いかなる理論にも拘束されることを望むものではないが、そのように表面積が広いことは、本炭素材料の優れた電気化学的性能に、少なくとも部分的に寄与しうる。従って、実施形態によっては、本炭素材料は、ＢＥＴ比表面積が、少なくとも１００ｍ２／ｇ、少なくとも３００ｍ２／ｇ、少なくとも５００ｍ２／ｇ、少なくとも１０００ｍ２／ｇ，、少なくとも１５００ｍ２／ｇ、少なくとも２０００ｍ２／ｇ、少なくとも２４００ｍ２／ｇ、少なくとも２５００ｍ２／ｇ、少なくとも２７５０ｍ２／ｇ、又は少なくとも３０００ｍ２／ｇである。他の実施形態では、ＢＥＴ比表面積は、約１００ｍ２／ｇから約３０００ｍ２／ｇの範囲にあり、例えば、約５００ｍ２／ｇから約１０００ｍ２／ｇ、約１０００ｍ２／ｇから約１５００ｍ２／ｇ、約１５００ｍ２／ｇから約２０００ｍ２／ｇ、約２０００ｍ２／ｇから約２５００ｍ２／ｇ、又は約２５００ｍ２／ｇから約３０００ｍ２／ｇの範囲にある。例えば、前述のうちの一部の実施形態では、本炭素材料は、活性化されている。
更に他の実施例では、本炭素材料は、１００ｐｐｍ未満のナトリウム、１００ｐｐｍ未満のシリコン、１０ｐｐｍ未満の硫黄、２５ｐｐｍ未満のカルシウム、１ｐｐｍ未満の鉄、２ｐｐｍ未満のニッケル、１ｐｐｍの銅、１ｐｐｍ未満のクロム、５０ｐｐｍ未満のマグネシウム、１０ｐｐｍ未満のアルミニウム、２５ｐｐｍ未満のリン、５ｐｐｍ未満の塩素、２５ｐｐｍ未満のカリウム、２ｐｐｍ未満のチタン、２ｐｐｍ未満のマンガン、０．５ｐｐｍ未満のコバルト、及び５ｐｐｍ未満の亜鉛を含み、これらはプロトン励起Ｘ線放射分析法で測定され、１１から９２までの範囲の原子番号を有する他の全ての元素は、プロトン励起Ｘ線放射分析法では検出されない。
別の実施形態では、本炭素材料は、タップ密度が、０．１ｇ／ｃｃと１．０ｇ／ｃｃとの間、０．２ｇ／ｃｃと０．８ｇ／ｃｃとの間、０．３ｇ／ｃｃと０．５ｇ／ｃｃとの間、又は０．４ｇ／ｃｃと０．５ｇ／ｃｃとの間である。別の実施形態では、本炭素材料は、総細孔容積が、少なくとも０．１ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．２ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．３ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．４ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．５ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．７ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．７５ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．９ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．０ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．１ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．２ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．３ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．４ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．５ｃｍ３／ｇ、又は少なくとも１．６ｃｍ３／ｇである。
本開示の炭素材料の細孔サイズ分布は、本炭素材料の電気化学的性能に影響を及ぼしうるパラメーターの１つである。例えば、本炭素材料は、実効長が短い（即ち、ＴＥＭによる測定で１０ｎｍ未満、５ｎｍ未満、又は３ｎｍ未満の）メソ細孔を含んでよく、このことは、イオン拡散距離の短縮につながり、イオン輸送の強化ならびに電力の最大化に役立つ可能性がある。
別の実施形態では、本炭素材料は、２０オングストロームと３００オングストロームとの間の細孔の比細孔表面積が、総細孔表面積の少なくとも４０％、総細孔表面積の少なくとも５０％、総細孔表面積の少なくとも７０％、又は総細孔表面積の少なくとも８０％である。別の実施形態では、本炭素材料は、２０ｎｍ以下の細孔の比細孔表面積が、総細孔表面積の少なくとも２０％、総細孔表面積の少なくとも３０％、総細孔表面積の少なくとも４０％、又は総細孔表面積の少なくとも５０％である。
別の実施形態では、本炭素材料は、大多数が１０００オングストローム以下（例えば、１００オングストローム以下、例えば、５０オングストローム以下）の範囲にある細孔を含む。或いは、本炭素材料は、０−２０オングストロームの範囲のミクロ細孔と、２０−３００オングストロームの範囲のメソ細孔とを含む。ミクロ細孔範囲にある細孔容積又は細孔表面積と、メソ細孔範囲にある細孔容積又は細孔表面積との比は、９５：５から５：９５の範囲になりうる。或いは、ミクロ細孔範囲にある細孔容積又は細孔表面積と、メソ細孔範囲にある細孔容積又は細孔表面積との比は、２０：８０から６０：４０の範囲になりうる。
他の実施形態では、本炭素材料は、メソ細孔炭素材料であり、単分散メソ細孔を含む。本明細書で使用されている「単分散」という用語は、細孔サイズに関して使用される場合には、大まかに、スパン（更に定義すれば（Ｄｖ９０−Ｄｖ１０）／Ｄｖ５０。但し、Ｄｖ１０、Ｄｖ５０、及びＤｖ９０は、容積分布の１０％、５０％、及び９０％における細孔サイズを意味する）が約３以下、典型的には約２以下、しばしば約１．５以下である場合を意味する。
更に他の実施形態では、本炭素材料は、細孔容積が、少なくとも１ｃｃ／ｇ、少なくとも２ｃｃ／ｇ、少なくとも３ｃｃ／ｇ、少なくとも４ｃｃ／ｇ、又は少なくとも７ｃｃ／ｇである。一特定実施形態では、本炭素材料は、細孔容積が、１ｃｃ／ｇから７ｃｃ／ｇである。
他の実施形態では、本炭素材料は、総細孔容積の少なくとも５０％が、直径が５０Åから５０００Åの範囲にある細孔にある。実施例によっては、本炭素材料は、総細孔容積の少なくとも５０％が、直径が５０Åから５００Åの範囲にある細孔にある。更に他の実施例では、本炭素材料は、総細孔容積の少なくとも５０％が、直径が５００Åから１０００Åの範囲にある細孔にある。更に他の実施例では、本炭素材料は、総細孔容積の少なくとも５０％が、直径が１０００Åから５０００Åの範囲にある細孔にある。
実施形態によっては、本炭素材料の平均粒径は、１ミクロンから１０００ミクロンの範囲にある。他の実施形態では、本炭素材料の平均粒径は、１ミクロンから１００ミクロンの範囲にある。更に他の実施形態では、本炭素材料の平均粒径は、１ミクロンから５０ミクロンの範囲にある。更に他の実施形態では、本炭素材料の平均粒径は、５ミクロンから１５ミクロン、又は１ミクロンから５ミクロンの範囲にある。更に他の実施形態では、本炭素材料の平均粒径は、約１０ミクロンである。更に他の実施形態では、本炭素材料の平均粒径は、４ミクロン未満、３ミクロン未満、２ミクロン未満、１ミクロン未満である。
実施形態によっては、本炭素材料は、平均粒径が、１ｎｍから１０ｎｍの範囲にある。他の実施形態では、平均粒径は、１０ｎｍから２０ｎｍの範囲にある。更に他の実施形態では、平均粒径は、２０ｎｍから３０ｎｍの範囲にある。更に他の実施形態では、平均粒径は、３０ｎｍから４０ｎｍの範囲にある。更に他の実施形態では、平均粒径は、４０ｎｍから５０ｎｍの範囲にある。他の実施形態では、平均粒径は、５０ｎｍから１００ｎｍの範囲にある。
本開示の別の実施形態では、本炭素材料は、本明細書に開示の方法で作成され、例えば、実施形態によっては、本炭素材料は、本明細書に開示のように乾燥ポリマーゲルを熱分解することを含む方法で作成される。実施形態によっては、熱分解ポリマーゲルを更に活性化することにより、活性炭材料が得られる。電気化学的変性剤を含む炭素材料は、以下で詳述される様々な方法で作成可能である。
Ｂ．最適化された細孔サイズ分布を備えた炭素材料の作成
電気化学的変性剤を含み、表面積が大きく、多孔度が高く、不要な不純物のレベルが低い炭素材料の作成方法は、当該技術分野において知られていない。表面積が大きく、多孔度が高い炭素材料を作成する現行の方法では、得られる炭素材料の不要な不純物のレベルが高い。これらの炭素材料に電気化学的変性剤を混和させて作成される電極は、不純物が残留するために電気的性能が低い。従って、本開示は、一実施形態では、電気化学的変性剤を含み、表面積が大きく、多孔度が高く、不要な不純物のレベルが低い炭素材料の作成方法を提供する。実施形態によっては、本方法は、ゾルゲル法と、これに続く乾燥ポリマーゲルの熱分解及び任意選択での熱分解ポリマーゲルの活性化とによって、ポリマーゲルを作成することを含む。ゾルゲル法は、どの工程においても電気化学的変性剤を混和させることが可能であるような、有効な柔軟性を与えるものである。他の実施形態では、他の原料（例えば、カーボンナノチューブ、カーボンファイバなど）からの炭素材料に電気化学的変性剤を含浸させることが可能である。一実施形態では、電気化学的変性剤を含むポリマーゲルの作成方法を提供する。別の実施形態では、電気化学的変性剤を含む熱分解ポリマーゲル、又は電気化学的変性剤を含む活性炭材料の作成方法を提供する。以下では、本開示の方法の各種実施形態の各種処理パラメーターの詳細を説明する。
１．ポリマーゲルの作成
ポリマーゲルは、ゾルゲル法により、作成可能である。例えば、ポリマーゲルは、１つ以上のポリマー前駆物質を適切な溶媒の中で共重合させることにより、作成可能である。一実施形態では、上記１つ以上のポリマー前駆物質を、酸性条件下で共重合させる。実施形態によっては、第１のポリマー前駆物質がフェノール化合物であり、第２のポリマー前駆物質がアルデヒド化合物である。本方法の一実施形態では、フェノール化合物は、フェノール、レゾルシノール、カテコール、ヒドロキノン、フロログルシノール、又はこれらの組み合わせであり、アルデヒド化合物は、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、プロピオンアルデヒド、ブチルアルデヒド、ベンズアルデヒド、シンナムアルデヒド、又はこれらの組み合わせである。更なる実施形態では、フェノール化合物は、レゾルシノール、フェノール、又はこれらの組み合わせであり、アルデヒド化合物は、ホルムアルデヒドである。更に別の実施形態では、フェノール化合物は、レゾルシノールであり、アルデヒド化合物は、ホルムアルデヒドである。
ゾルゲル重合法は、通常、触媒条件下で実施される。従って、実施形態によっては、ポリマーゲルを作成することは、１つ以上のポリマー前駆物質を触媒の存在下で共重合させることを含む。実施形態によっては、触媒は、揮発性塩基触媒を含む。例えば、一実施形態では、揮発性塩基触媒は、アンモニウムカーボネート、アンモニウムバイカーボネート、アンモニウムアセテート、水酸化アンモニウム、又はこれらの組み合わせを含む。更なる実施形態では、揮発性塩基触媒は、アンモニウムカーボネートである。別の更なる実施形態では、揮発性塩基触媒は、アンモニウムアセテートである。
フェノール化合物に対する触媒のモル比は、例えば、炭素材料の最終特性だけでなく、ポリマーゲルの最終特性にも影響を及ぼしうる。従って、実施形態によっては、そのような触媒を、フェノール化合物と触媒とのモル比が５：１から２０００：１である範囲で用いる。実施形態によっては、そのような触媒を、フェノール化合物と触媒とのモル比が２０：１から２００：１である範囲で用いることが可能である。例えば、他の実施形態では、そのような触媒を、フェノール化合物と触媒とのモル比が５：１から１００：１である範囲で用いることが可能である。
反応溶媒は別の処理パラメーターであり、これを変えることによって、所望の特性（例えば、表面積、多孔度、純度など）のポリマーゲル及び炭素材料を得ることが可能である。実施形態によっては、ポリマーゲル作成用溶媒は、水と混和性共溶媒との混合溶媒系である。例えば、特定の実施形態では、溶媒は、水混和性酸を含む。水混和性酸の限定ではない例として、プロピオン酸、酢酸、及びギ酸がある。更なる実施形態では、溶媒中の水混和性酸と水との比は、９９：１、９０：１０、７５：２５、５０：５０、２５：７５、１０：９０、又は１：９０である。他の実施形態では、酸性は、反応溶媒に固体酸を加えることによって与えられる。
前述のうちの他の実施形態によっては、ポリマーゲル作成用溶媒は、酸性である。例えば、特定の実施形態では、溶媒は、酢酸を含む。例えば、一実施形態では、溶媒は、１００％酢酸を含む。他の実施形態では、混合溶媒系が与えられ、それらの溶媒のうちの１つが酸性である。例えば、本方法の一実施形態では、溶媒は、酢酸と水とを含む２元溶媒である。更なる実施形態では、溶媒中の酢酸と水との比は、９９：１、９０：１０、７５：２５、５０：５０、２５：７５、２０：８０、１０：９０、又は１：９０である。他の実施形態では、酸性は、反応溶媒に固体酸を加えることによって与えられる。
本開示の方法は、実施形態によっては、乾燥（例えば、凍結乾燥）の前に溶媒交換工程（例えば、ｔ−ブタノールを水と交換する工程）を含まない。例えば、本明細書に記載のいずれかの方法の一実施形態では、凍結の前に、ポリマーゲル又はポリマーゲル粒子を水洗いする。一実施形態では、ポリマーゲル粒子の凍結前の平均直径は、２５ｍｍ未満であり、例えば、０．００１ｍｍと２５ｍｍとの間であり、或いは、ポリマーゲル粒子の凍結前の平均直径は、０．０１ｍｍと１５ｍｍとの間であり、例えば、１．０ｍｍと１５ｍｍとの間である。実施例によっては、ポリマーゲル粒子は、１ｍｍと１０ｍｍとの間である。更なる実施形態では、温度が約−１０℃以下（例えば、約−２０℃以下、或いは約−３０℃以下）の媒体に浸けることにより、ポリマーゲル粒子を凍結させる。例えば、この媒体は、液体窒素、又はドライアイスで冷却されたエタノール（又は他の有機溶媒）、又は別の手段で冷却されたエタノールであってよい。実施形態によっては、真空下で乾燥させることは、凍結した粒子を、約３０００ｍＴｏｒｒ以下の真空圧力にさらすことを含む。或いは、真空下で乾燥させることは、凍結した粒子を、約１０００ｍＴｏｒｒ以下の真空圧力にさらすことを含む。或いは、真空下で乾燥させることは、凍結した粒子を、約３００ｍＴｏｒｒ以下の真空圧力にさらすことを含む。或いは、真空下で乾燥させることは、凍結した粒子を、約１００ｍＴｏｒｒ以下の真空圧力にさらすことを含む。
他の、ポリマーゲル粒子を急速凍結させる方法も想定されている。例えば、別の実施形態では、ポリマーゲル粒子を、好適な冷却固体、例えば、ドライアイス（固体二酸化炭素）と混合する、即ち、物理的に混ぜ合わせることによって、ポリマーゲルを急速凍結させる。別の想定される方法では、−６０℃の金属板を有するブラストフリーザを用いて、その金属板の表面に散らばったポリマーゲル粒子から急速に熱を除去する。別の、ポリマーゲル粒子中の水分を急速冷却する方法では、高真空引きを急速に行うことにより、粒子を瞬間凍結させる（この真空の度合いは、平衡蒸気圧に対応する温度で凍結が可能となる程度である）。更に別の急速凍結法法は、ポリマーゲルを好適な冷却ガスと混合することを含む。実施形態によっては、この冷却ガスは、温度が約−１０℃以下であってよい。実施形態によっては、この冷却ガスは、温度が約−２０℃以下であってよい。実施形態によっては、この冷却ガスは、温度が約−３０℃以下であってよい。更に他の実施形態では、このガスは、温度が約−１９６℃であってよい。例えば、実施形態によっては、このガスは窒素である。更に他の実施形態では、このガスは、温度が約−７８℃であってよい。例えば、実施形態によっては、このガスは二酸化炭素である。
他の実施形態では、−２０℃以下の温度の凍結乾燥機の棚でポリマーゲル粒子を凍結させる。例えば、実施形態によっては、−３０℃以下の温度の凍結乾燥機の棚でポリマーゲル粒子を凍結させる。他の実施形態によっては、ポリマーゲルモノリスに対し、凍結融解サイクルを施し（室温から−２０℃以下まで下げ、室温に戻す）、凍結融解されたゲルを物理的に粉砕して粒子にし、その後、更なる凍結乾燥処理を施す。例えば、実施形態によっては、ポリマーゲルモノリスに対し、凍結融解サイクルを施し（室温から−３０℃以下まで下げ、室温に戻す）、凍結融解されたゲルを物理的に粉砕して粒子にし、その後、更なる凍結乾燥処理を施す。
本明細書に記載の方法の実施形態によっては、フェノール前駆物質と触媒とのモル比が約５：１から約２０００：１であり、或いは、フェノール前駆物質と触媒とのモル比が約２０：１から約２００：１である。更なる実施形態では、フェノール前駆物質と触媒とのモル比が約２５：１から約１００：１である。更なる実施形態では、フェノール前駆物質と触媒とのモル比が約２５：１から約５０：１である。更なる実施形態では、フェノール前駆物質と触媒とのモル比が約１００：１から約５：１である。
ポリマー前駆物質の１つがレゾルシノールであり、別のポリマー前駆物質がホルムアルデヒドである特定の実施形態では、レゾルシノールと触媒との比を変えることによって、所望の特性のポリマーゲル及び炭素材料を結果として得ることが可能である。本明細書に記載の方法の実施形態によっては、レゾルシノールと触媒とのモル比が約１０：１から約２０００：１であり、或いは、レゾルシノールと触媒とのモル比が約２０：１から約２００：１である。更なる実施形態では、レゾルシノールと触媒とのモル比が約２５：１から約１００：１である。更なる実施形態では、レゾルシノールと触媒とのモル比が約２５：１から約５０：１である。更なる実施形態では、レゾルシノールと触媒とのモル比が約１００：１から約５：１である。
重合によるポリマーゲルの形成は、従来技術に記載の様々な手段を用いて行うことが可能であり、電気化学的変性剤を加えることを含んでよい。例えば、重合は、好適なポリマー前駆物質材料と、任意選択で電気化学的変性剤とを、好適な触媒の存在下で、十分な時間にわたってインキュベートすることにより、行うことが可能である。重合の時間は、温度に応じて、数分又は数時間から数日の範囲の期間であってよい（温度が高いほど、反応速度が速くなり、これに対応して、必要な時間が短くなる）。重合の温度は、室温から、原料溶液の沸点に近い（但し、沸点より低い）温度までの範囲であってよい。例えば、この温度は、約２０℃から約９０℃の範囲であってよい。ポリマー前駆物質の１つがレゾルシノールであり、１つのポリマー前駆物質がホルムアルデヒドである特定の実施形態では、この温度は、約２０℃から約１００℃の範囲であってよく、典型的には、約２５℃から約９０℃の範囲であってよい。実施形態によっては、重合は、好適な合成ポリマー前駆物質材料を、触媒の存在下で、少なくとも２４時間にわたって、約９０℃でインキュベートすることにより、行うことが可能である。一般に、重合は、約６時間から約２４時間の間で、約９０℃で行うことが可能であり、例えば、約１８時間から約２４時間の間で、約９０℃で行うことが可能である。
本明細書に開示のポリマー前駆物質材料は、（ａ）アルコール、フェノール化合物、及び他のモノヒドロキシ又はポリヒドロキシ化合物と、（ｂ）アルデヒド、ケトン、及びこれらの組み合わせとを含む。この文脈での代表的なアルコールは、直鎖及び分鎖の飽和アルコール及び不飽和アルコールを含む。好適なフェノール化合物は、ポリヒドロキシベンゼン、例えば、ジヒドロキシベンゼン又はトリヒドロキシベンゼンを含む。代表的なポリヒドロキシベンゼンは、レゾルシノール（即ち、１，３−ジヒドロキシベンゼン）、カテコール、ヒドロキノン、及びフロログルシノールを含む。２つ以上のポリヒドロキシベンゼンを混合したものも使用可能である。フェノール（モノヒドロキシベンゼン）も使用可能である。代表的なポリヒドロキシ化合物は、糖質（グルコースなど）及び他の多価アルコール（マンニトールなど）を含む。この文脈でのアルデヒドは、直鎖飽和アルデヒド（例えば、メタナール（ホルムアルデヒド）、エタナール（アセトアルデヒド）、プロパナール（プロピオンアルデヒド）、ブタナール（ブチルアルデヒド）など）と、直鎖不飽和アルデヒド（例えば、エテノン及び他のケテン、２−プロペナール（アクリルアルデヒド）、２−ブテナール（クロトンアルデヒド）、３−ブテナールなど）と、分鎖飽和及び不飽和アルデヒドと、芳香族アルデヒド（例えば、ベンズアルデヒド、サリチルアルデヒド、ヒドロシンナムアルデヒドなど）と、を含む。好適なケトンは、直鎖飽和ケトン（例えば、プロパノン、２−ブタノンなど）と、直鎖不飽和ケトン（例えば、プロペノン、２−ブテノン、３−ブテノン（メチルビニルケトン）など）と、分鎖飽和及び不飽和ケトンと、芳香族ケトン（例えば、メチルベンジルケトン（フェニルアセトン）、エチルベンジルケトンなど）と、を含む。ポリマー前駆物質材料は、前述の複数の前駆物質の組み合わせであってもよい。
実施形態によっては、１つのポリマー前駆物質がアルコール含有種であり、別のポリマー前駆物質がカルボニル含有種である。カルボニル含有種（例えば、アルデヒド、ケトン、又はこれらの組み合わせ）と反応するアルコール含有種（例えば、アルコール、フェノール化合物、モノヒドロキシ又はポリヒドロキシ化合物、又はこれらの組み合わせ）の相対量は、大きく変動する可能性がある。実施形態によっては、アルコール含有種とアルデヒド種との比は、アルコール含有種中の反応性アルコール基の総モル数がアルデヒド種中の反応性カルボニル基の総モル数とほぼ同じになるように選択される。同様に、アルコール含有種とケトン種との比は、アルコール含有種中の反応性アルコール基の総モル数がケトン種中の反応性カルボニル基の総モル数とほぼ同じになるように選択されてよい。カルボニル含有種がアルデヒド種及びケトン種の組み合わせを含む場合には、この同じ、ほぼ１：１のモル比が当てはまる。
ポリマーゲル形成前の溶液中又は懸濁液中の総固体含有量は、変えてよい。レゾルシノールと水との重量比は、約０．０５：１から約０．７０：１である。或いは、レゾルシノールと水との重量比は、約０．１５：１から約０．６：１である。或いは、レゾルシノールと水との重量比は、約０．１５：１から約０．３５：１である。或いは、レゾルシノールと水との重量比は、約０．２５：１から約０．５：１である。或いは、レゾルシノールと水との重量比は、約０．３：１から約０．４：１である。
本明細書に開示のポリマーゲルの作成に有用な溶媒の限定ではない例として、水又はアルコール（例えば、エタノール、ｔ−ブタノール、メタノール、又はこれらの組み合わせ、ならびにその水性混合物）がある。そのような溶媒は、ポリマー前駆物質材料を溶かすのに有用であり、例えば、フェノール化合物を溶かすのに有用である。更に、処理によっては、そのような溶媒は、（凍結及び乾燥の前の）ポリマーゲルにおける溶媒交換に用いられ、この場合は、前駆物質（例えば、レゾルシノール及びホルムアルデヒド）の重合からの溶媒が純アルコールと交換される。本出願の一実施形態では、溶媒交換を含まない処理によってポリマーゲルが作成される。
ポリマーゲルの作成に好適な触媒は、前駆物質材料を重合してモノリシックポリマーにすることを促進する揮発性塩基触媒を含む。この触媒は、前述の触媒の様々な組み合わせを含んでもよい。フェノール化合物を含む実施形態では、そのような触媒を、フェノール化合物と触媒とのモル比が５：１から２００：１である範囲で用いることが可能である。例えば、特定の実施形態によっては、そのような触媒を、フェノール化合物と触媒とのモル比が２５：１から１００：１である範囲で用いることが可能である。
２．ポリマーゲル粒子の作成
当該技術分野で周知の様々な手法に従って、モノリシックポリマーゲルを物理的に粉砕して、より小さな粒子にすることが可能である。得られるポリマーゲル粒子は、おおむね、平均直径が約３０ｍｍ未満であり、例えば、約１ｍｍから約２５ｍｍ、或いは、約１ｍｍから約５ｍｍ又は約０．５ｍｍから約１０ｍｍのサイズ範囲にある。或いは、ポリマーゲル粒子のサイズは、約１ｍｍ以下の範囲である可能性があり、例えば、約１０ミクロンから約１０００ミクロンのサイズ範囲である可能性がある。モノリシック材料からポリマーゲル粒子を作成する手法として、手動又は機械による粉砕方法があり、例えば、ふるいにかけたり、すりつぶしたり、挽きつぶしたり、これらを組み合わせたりする方法がある。そのような方法は、当業者には周知である。この文脈では、様々なタイプのミルを用いることが可能であり、例えば、ローラミル、ビーズミル、ボールミル、回転式粉砕機、及び同様の、当該技術分野において知られている粒子作成機器を用いることが可能である。
特定の実施態様では、ローラミルを用いる。ローラミルは、３段階にわたって、ゲル粒子のサイズを徐々に小さくしていく。ポリマーゲルは、一般に、非常にもろく、手触りが湿っぽくない。従って、ローラミルを用いてポリマーゲルを挽きつぶすことは容易であるが、目標とする最終的な網目を実現するためには、各段階の幅を適切に設定しなければならない。この調節は、ゲルの配合及び網目サイズの組み合わせごとに行い、妥当性を検査する。各ゲルは、既知の網目サイズのふるいを通り抜けてから挽きつぶされる。ふるい分けされた粒子は、一時的に密閉容器に格納されてよい。
一実施形態では、回転式粉砕機を用いる。回転式粉砕機は、ふるい目サイズが約１／８インチである。別の実施形態では、回転式粉砕機は、ふるい目サイズが約３／８インチである。別の実施形態では、回転式粉砕機は、ふるい目サイズが約５／８インチである。別の実施形態では、回転式粉砕機は、ふるい目サイズが約３／８インチである。
挽きつぶしは、当業者に周知の方法に従って、室温で行うことが可能である。或いは、挽きつぶしは、低温下で行うことが可能であり、例えば、ポリマーゲルを固体二酸化炭素（ドライアイス）粒子と一緒に挽きつぶすことにより可能である。この実施形態では、２つの工程、即ち、（ａ）モノリシックポリマーゲルから粒子を作成する工程と、（ｂ）そのポリマーゲルを多方向から急速凍結させる工程とを、単一の工程として実施する。
３．ポリマーゲルの急速凍結
モノリシックポリマーゲルからポリマーゲル粒子を形成した後、既に詳述されたように、それらのポリマーゲル粒子を多方向から急速に凍結させることが可能である。（例えば、凍結乾燥機の棚で凍結させる場合のように）単方向からゆっくり凍結させると、得られる乾燥材料は、表面積が非常に小さくなる。同様に、瞬間凍結させる（即ち、深真空引きを行うことにより、ポリマーゲル粒子を急速冷却して凍結させる）ことによって得られる乾燥材料も、表面積が小さい。本明細書に開示のように、多方向からの急速凍結は、材料温度を少なくとも約−１０℃以下（例えば、−２０℃以下、又は、例えば、少なくとも約−３０℃以下）まで急速に下げることによって行うことが可能である。ポリマーゲル粒子を急速凍結させると、広範にわたる氷晶の核形成により、粒子内に微細な氷晶構造が形成されるが、氷晶が成長する時間は殆どない。これにより、氷晶と炭化水素マトリックスとの間の比表面積が大きくなるが、これは必然的に氷マトリックスから除外される。
極めて急速な凍結により、結晶成長よりも核生成を促進する概念を、混合溶媒系に適用することも可能である。一実施形態では、混合溶媒系を急速冷却していくと、主要な溶媒成分がその平衡融解温度で結晶化し、結果として、共溶媒の濃度が上昇し、これに伴って、凝固点が更に下がる。温度を更に下げていくと、共晶組成に達するまで、溶媒の主成分の結晶化が進み、共溶媒の濃度が上昇する。共晶組成に達した時点で、凍結が完了するまでは、更なる成分濃縮又は生成物冷却を行わずに、共晶組成を液体から固体に遷移させる。水と酢酸の具体例では（水及び酢酸は、純物質として、それぞれ凝固点が０℃及び１７℃である）、共晶組成は、約５９％の酢酸と約４１％の水からなり、約−２７℃で凍結する。従って、一実施形態では、混合溶媒系は共晶組成であり、例えば、一実施形態では、混合溶媒系は、５９％の酢酸と４１％の水からなる。
４．ポリマーゲルの乾燥
一実施形態では、微細な氷マトリックスを含む凍結したポリマーゲル粒子を、材料が崩壊しないように、かつ、乾燥生成物の微細な表面構造及び多孔度が維持されるように設計された条件下で、凍結乾燥させる。一般に、乾燥を行う場合は、条件として、生成物の温度を、生成物の細孔が崩壊する温度より低く保つことにより、乾燥材料が非常に大きな表面積を維持できるようにする。
最終炭素材料の構造は、乾燥ポリマーゲルの構造に表れており、この乾燥ポリマーゲルの構造は、ポリマーゲルの特性によって決定されている。これらの特徴は、本明細書に記載のゾルゲル法による処理を用いてポリマーゲル内に形成することが可能であるが、溶媒の除去については考慮されていないため、この構造は維持されない。考慮すべきは、ポリマーゲルの元の構造を維持することと、凍結工程を制御することによってポリマーゲルの構造を氷晶形成で修正することとの両方である。実施形態によっては、乾燥前のポリマーゲルの水分含有量は、約５０％から約９９％の範囲にある。特定の実施形態では、乾燥直後のポリマー冷却ゲルの水分含有量は、約１０％であり、或いは、約５％未満又は約２．５％未満である。
凍結乾燥機のチャンバ圧力を約２２５０ミクロンにすると、乾燥生成物内の一次乾燥温度が約−１０℃になる。約２２５０ミクロン以下のチャンバ圧力で乾燥させると、一次乾燥中の生成物温度は、約−１０℃以下になる。更なる例として、チャンバ圧力を約１５００ミクロンにすると、乾燥生成物内の一次乾燥温度が約−１５℃になる。約１５００ミクロン以下のチャンバ圧力で乾燥させると、一次乾燥中の生成物温度は、約−１５℃以下になる。更なる例として、チャンバ圧力を約７５０ミクロンにすると、乾燥生成物内の一次乾燥温度が約−２０℃になる。約７５０ミクロン以下のチャンバ圧力で乾燥させると、一次乾燥中の生成物温度は、約−２０℃以下になる。更なる例として、チャンバ圧力を約３００ミクロンにすると、乾燥生成物内の一次乾燥温度が約−３０℃になる。約３００ミクロン以下のチャンバ圧力で乾燥させると、一次乾燥中の生成物温度は、約−３０℃以下になる。
５．ポリマーゲルの熱分解及び活性化
上述のポリマーゲルを更に処理することにより、炭素材料が得られる。そのような処理は、例えば、熱分解及び／又は活性化を含む。一般に、熱分解処理では、乾燥ポリマーゲルを計量し、回転炉内に置く。温度勾配を５℃／分に設定し、保持時間及び保持温度を設定する。冷却は、炉の自然冷却速度によって決まる。処理全体は、通常、不活性雰囲気（例えば、窒素環境）下で実施される。次に、熱分解された試料を取り出し、計量する。他の熱分解処理も、当業者には周知である。
実施形態によっては、熱分解保持時間（試料を所望の温度下に置いておく時間）は、約０分から約１２０分、約０分から約６０分、約０分から約３０分、約０分から約１０分、約０分から約５分、又は約０分から約１分である。
熱分解は、上述の時間よりもゆっくり実施してもよい。例えば、一実施形態では、熱分解は、約１２０分から約４８０分で実施される。他の実施形態では、熱分解は、約１２０分から約２４０分で実施される。
実施形態によっては、熱分解保持温度の範囲は、約５００℃から約２４００℃である。実施形態によっては、熱分解保持温度の範囲は、約６５０℃から約１８００℃である。他の実施形態では、熱分解保持温度の範囲は、約７００℃から約１２００℃である。他の実施形態では、熱分解保持温度の範囲は、約８５０℃から約１０５０℃である。他の実施形態では、熱分解保持温度の範囲は、約８００℃から約９００℃である。
実施形態によっては、熱分解保持温度は、熱分解の途中で変更される。一実施形態では、熱分解は、回転炉内の別々の独立した加熱区画で実施される。各区画の温度は、回転炉管の入口端部から出口端部にかけて連続的に下げられる。一実施形態では、熱分解は、回転炉内の別々の独立した加熱区画で実施され、各区画の温度は、回転炉管の入口端部から出口端部にかけて連続的に上げられる。
活性化時間及び活性化温度は、両方とも、得られる活性炭材料の性能、ならびにその活性炭材料の製造コストに大きな影響を及ぼす。活性化温度を上げ、活性化保持時間を長くすると、活性化パーセンテージがより高くなる。このことは、一般に、温度がより低く、保持時間がより短い場合に比べて、より多くの材料が除去されることに対応する。活性化温度はまた、炭素の細孔構造を変えることが可能である。即ち、温度が低ければ、よりミクロ細孔性の炭素が得られ、温度が高ければ、よりメソ細孔性の炭素が得られる。これは、温度が高い場合に発生する反応が、活性化ガス拡散によって制限され、温度が低い場合に発生する反応が、反応速度によって駆動されることの結果である。活性化パーセンテージが高くなると、最終活性炭の性能が向上することが多いが、全体歩留まりが低下することによってコストが増加することにもなる。活性化のレベルを上げることは、より高性能の製品を、より低いコストで実現することに対応する。
熱分解ポリマーゲルの活性化は、熱分解ポリマーゲルを活性化剤に接触させることにより、可能である。活性化には、様々なガスが好適であり、例えば、酸素を含むガスが好適である。活性化ガスの限定ではない例として、二酸化炭素、一酸化炭素、蒸気、酸素、及びこれらの組み合わせがある。活性化剤は更に、酸、塩基、又は塩などの腐食性化学物質（例えば、リン酸、酢酸、クエン酸、ギ酸、シュウ酸、尿酸、乳酸、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、塩化亜鉛など）を含む他の活性剤も、当業者には周知である。
実施形態によっては、活性化時間は、１分と４８時間との間である。他の実施形態では、活性化時間は、１分と２４時間との間である。他の実施形態では、活性化時間は、５分と２４時間との間である。他の実施形態では、活性化時間は、１時間と２４時間との間である。更なる実施形態では、活性化時間は、１２時間と２４時間との間である。他の特定の実施形態では、活性化時間は、３０分と４時間との間である。更なる実施形態によっては、活性化時間は、１時間と２時間との間である。
熱分解ポリマーゲルの活性化は、当業者に周知の様々な好適な装置を用いて行うことが可能であり、例えば、流動床、回転炉、エレベーター炉、ローラハース炉、プッシャー炉などを用いて可能である。活性化処理の一実施形態では、試料を計量して回転炉内に置き、回転炉の自動ガス制御マニホールドを、２０℃／分の速度の勾配に設定する。適正な活性化温度に達したら、一定時間にわたり、二酸化炭素を炉環境に投入する。活性化が行われたら、二酸化炭素を窒素に置き換えて、炉を冷却する。処理の最後に試料を計量して、活性化のレベルを評価する。他の活性化処理も、当業者には周知である。本明細書に開示の実施形態のいくつかにおいては、活性化温度の範囲が８００℃から１３００℃であってよい。別の実施形態では、活性化温度の範囲は、８００℃から１０５０℃であってよい。別の実施形態では、活性化温度の範囲は、８５０℃から９５０℃であってよい。当業者であれば理解されるように、より低いか、より高い、他の活性化温度を用いてもよい。
活性化の程度は、活性化工程中に失われた熱分解乾燥ポリマーゲルの質量パーセントを用いて測定される。本明細書に記載の方法の一実施形態では、活性化は、活性化程度が５％から９０％、又は１０％から８０％であり、場合によっては、活性化は、活性化程度が４０％から７０％、又は４５％から６５％である。
Ｃ．ポリマーゲル及び炭素材料の特性化
最終炭素材料及び中間ポリマーゲルの構造特性の測定を、７７Ｋでの窒素収着を用いて行うことが可能である。これは、当業者には周知の方法である。完成した炭素材料の最終的な性能及び特性は重要であるが、中間生成物（乾燥ポリマーゲル及び熱分解されたが活性化されていないポリマーゲルの両方）を、特に品質管理の観点から評価することも可能であり、これは、当業者には周知のとおりである。Ｍｉｃｒｏｍｅｒｅｔｉｃｓ ＡＳＡＰ ２０２０は、ミクロ細孔及びメソ細孔の詳細な分析を実施するのに用いられ、実施形態によっては、これによって、０．３５ｎｍから５０ｎｍまでの細孔サイズ分布が明らかになる。このシステムは、１０−７気圧の圧力から始まる窒素等温線を生成し、これによって、１ｎｍ以下の範囲の高分解能細孔サイズ分布が得られる。ソフトウェアで生成される報告書では、密度汎関数理論（ＤＦＴ）法を利用して、細孔サイズ分布、表面積分布、総表面積、総細孔容積、及び特定細孔サイズ範囲内の細孔容積などの特性を計算する。
炭素材料の不純物含有量は、当業者に周知の様々な分析手法により、測定可能である。本開示の文脈において有用な、具体的な分析方法の１つが、プロトン励起Ｘ線放射分析法（ＰＩＸＥ）である。この手法は、１１から９２までの範囲の原子番号を有する元素の濃度を低ｐｐｍレベルで測定することが可能である。従って、一実施形態では、炭素材料内に存在する不純物の濃度を、ＰＩＸＥ分析により、測定する。
Ｄ．炭素材料を含むデバイス
１．ＥＤＬＣ
本開示の炭素材料は、様々な電気エネルギ蓄積配分デバイスにおいて電極材料として使用することが可能である。そのようなデバイスの１つが、ウルトラキャパシタである。炭素材料を含むウルトラキャパシタについては、全体が本明細書に組み込まれている、共有されている米国特許第７，８３５，１３６号の明細書に詳述されている。
ＥＤＬＣは、電解質溶液に浸漬された電極をエネルギ蓄積素子として用いる。典型的には、電解質に浸漬されて電解質が含浸した多孔性セパレータにより、電極同士が互いに接触しないようになっており、これによって、電極間を電子電流が直接流れないようになっている。同時に、この多孔性セパレータは、電解質を介して、電極間をイオン電流が双方向に流れることを可能にしており、これによって、電極と電解質との間の界面に電荷の二重層が形成される。
ＥＤＬＣの電極対間に電位を印加すると、電解質内に存在するイオンが、逆極性に帯電した電極の表面に引き寄せられ、それらの電極に向かって移動する。そして、各電極表面のそばに、逆極性に帯電したイオンの層が形成され、保持される。これらのイオン層と、対応する電極表面の電荷層との間の電荷分離層に、電気エネルギが蓄積される。実際には、これらの電荷分離層は、本質的に、静電キャパシタとして動作する。また、静電エネルギをＥＤＬＣに蓄積することも可能であり、これは、電位によって誘起された電界の影響下で、電解質溶液の分子の配向及び配列を介して行うことが可能である。しかしながら、このエネルギ蓄積モードは副次的である。
本開示の炭素材料を含むＥＤＬＣは、大電力を必要とする様々な電子デバイスにおいて使用可能である。従って、一実施形態では、本炭素材料を含む電極を提供する。別の実施形態では、電極は、活性炭材料を含む。更なる実施形態では、本炭素材料を含む電極を備えたウルトラキャパシタを提供する。前述のうちの更なる実施形態では、超高純度合成炭素材料は、前述の最適化されたバランスのミクロ細孔及びメソ細孔を備える。
本開示の炭素材料は、様々な電子機器で使用され、例えば、デジタルスチルカメラ、ノートＰＣ、医療機器、位置追尾機器、自動車用機器、コンパクトフラッシュ機器、携帯電話、ＰＣＭＣＩＡカード、ハンドヘルド機器、デジタル音楽プレーヤなどの、民生用及び市販の無線機器で使用される。ウルトラキャパシタは重機にも用いられ、例えば、掘削機などの土木機械、フォークリフト、ゴミ収集車、港湾用及び建設用クレーン、輸送システム（バス、自動車、列車など）などに用いられる。
従って、特定の実施形態では、本開示は、前述の炭素材料のうちのいずれか、例えば、ある細孔構造を備えた炭素材料を含む電気エネルギ蓄積デバイスを提供し、この細孔構造は、ミクロ細孔、メソ細孔、及び総細孔容積で構成され、総細孔容積の２０％から８０％がミクロ細孔内に存在し、総細孔容積の２０％から８０％がメソ細孔内に存在し、総細孔容積の１０％未満が、２０ｎｍ超の細孔内に存在する。
実施形態によっては、本デバイスは、
ａ）それぞれが本炭素材料を含む正電極及び負電極と、
ｂ）不活性多孔性セパレータと、
ｃ）電解質と、を備えた電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）デバイスであり、
正電極及び負電極は、不活性多孔性セパレータによって互いに隔てられている。
一実施形態では、本炭素材料を含むウルトラキャパシタデバイスの重量電力が、少なくとも５Ｗ／ｇ、少なくとも１０Ｗ／ｇ，、少なくとも１５Ｗ／ｇ、少なくとも２０Ｗ／ｇ、少なくとも２５Ｗ／ｇ、少なくとも３０Ｗ／ｇ、少なくとも３５Ｗ／ｇ、少なくとも５０Ｗ／ｇである。別の実施形態では、本炭素材料を含むウルトラキャパシタデバイスの容積電力が、少なくとも２Ｗ／ｇ、少なくとも４Ｗ／ｃｃ、少なくとも５Ｗ／ｃｃ、少なくとも１０Ｗ／ｃｃ、少なくとも１５Ｗ／ｃｃ、又は少なくとも２０Ｗ／ｃｃである。別の実施形態では、本炭素材料を含むウルトラキャパシタデバイスの重力エネルギが、少なくとも２．５Ｗｈ／ｋｇ、少なくとも５．０Ｗｈ／ｋｇ、少なくとも７．５Ｗｈ／ｋｇ、少なくとも１０Ｗｈ／ｋｇ、少なくとも１２．５Ｗｈ／ｋｇ、少なくとも１５．０Ｗｈ／ｋｇ、少なくとも１７．５Ｗｈ／ｋｇ、少なくとも２０．０Ｗｈ／ｋｇ、少なくとも２２．５Ｗｈ／ｋｇ、又は少なくとも２５．０Ｗｈ／ｋｇである。別の実施形態では、本炭素材料を含むウルトラキャパシタデバイスの容積エネルギが、少なくとも１．５Ｗｈ／リットル、少なくとも３．０Ｗｈ／リットル、少なくとも５．０Ｗｈ／リットル、少なくとも７．５Ｗｈ／リットル、少なくとも１０．０Ｗｈ／リットル、少なくとも１２．５Ｗｈ／リットル、少なくとも１５Ｗｈ／リットル、少なくとも１７．５Ｗｈ／リットル、又は少なくとも２０．０Ｗｈ／リットルである。
前述のうちの実施形態によっては、本炭素材料を含むウルトラキャパシタデバイスの重量電力、容積電力、重量エネルギ、及び容積エネルギは、アセトニトリル電解質中のテトラエチルアンモニウム−テトラフルロロボラートの１．０Ｍ溶液（ＡＮ中の１．０ＭのＴＥＡＴＦＢ）及び時定数０．５秒を用いて、２．７Ｖから１．８９Ｖの定電流放電によって測定される。
一実施形態では、本炭素材料を含むウルトラキャパシタデバイスの重量電力が少なくとも１０Ｗ／ｇであり、容積電力が少なくとも５Ｗ／ｃｃであり、重量キャパシタンスが少なくとも１００Ｆ／ｇ（＠０．５Ａ／ｇ）であり、容積キャパシタンスが少なくとも１０Ｆ／ｃｃ（＠０．５Ａ／ｇ）である。一実施形態では、前述のウルトラキャパシタデバイスは、本炭素材料、導電性エンハンサ、バインダー、電解質溶媒、及び電解質塩を含むコイン電池二重層ウルトラキャパシタである。更なる実施形態では、前述の導電性エンハンサは、カーボンブラック、及び／又は他の、当該技術分野において周知の導電性エンハンサである。更なる実施形態では、前述のバインダーは、テフロン、及び／又は他の、当該技術分野において周知のバインダーである。更なる前述の実施形態では、電解質溶媒は、アセトニトリル又はプロピレンカーボネート、或いは他の、当該技術分野において周知の電解質溶媒である。更なる前述の実施形態では、電解質塩は、テトラエチルアミノテトラフルロボラート又はトリエチルメチルアミノテトラフルロボラート、或いは他の、当該技術分野において周知の電解質塩、又は当該技術分野において周知の液体電解質である。
一実施形態では、本炭素材料を含むウルトラキャパシタデバイスの重量電力が少なくとも１５Ｗ／ｇであり、容積電力が少なくとも１０Ｗ／ｃｃであり、重量キャパシタンスが少なくとも１１０Ｆ／ｇ（＠０．５Ａ／ｇ）であり、容積キャパシタンスが少なくとも１５Ｆ／ｃｃ（＠０．５Ａ／ｇ）である。一実施形態では、前述のウルトラキャパシタデバイスは、本炭素材料、導電性エンハンサ、バインダー、電解質溶媒、及び電解質塩を含むコイン電池二重層ウルトラキャパシタである。更なる実施形態では、前述の導電性エンハンサは、カーボンブラック、及び／又は他の、当該技術分野において周知の導電性エンハンサである。更なる実施形態では前述のバインダーは、テフロン、及び／又は他の、当該技術分野において周知のバインダーである。更なる前述の実施形態では、電解質溶媒は、アセトニトリル又はプロピレンカーボネート、或いは他の、当該技術分野において周知の電解質溶媒である。更なる前述の実施形態では、電解質塩は、テトラエチルアミノテトラフルロボラート又はトリエチルメチルアミノテトラフルロボラート、或いは他の、当該技術分野において周知の電解質塩、又は当該技術分野において周知の液体電解質である。
一実施形態では、本炭素材料を含むウルトラキャパシタデバイスの重量キャパシタンスが、少なくとも９０Ｆ／ｇ、少なくとも９５Ｆ／ｇ、少なくとも１００Ｆ／ｇ、少なくとも１０５Ｆ／ｇ、少なくとも１１０Ｆ／ｇ、少なくとも１１５Ｆ／ｇ、少なくとも１２０Ｆ／ｇ、少なくとも１２５Ｆ／ｇ、又は少なくとも１３０Ｆ／ｇである。別の実施形態では、本炭素材料を含むウルトラキャパシタデバイスの容積キャパシタンスが、少なくとも５Ｆ／ｃｃ、少なくとも１０Ｆ／ｃｃ、少なくとも１５Ｆ／ｃｃ、少なくとも２０Ｆ／ｃｃ、又は少なくとも２５Ｆ／ｃｃである。前述のうちの実施形態によっては、重量キャパシタンス及び容積キャパシタンスは、アセトニトリル電解質中のテトラエチルアンモニウム−テトラフルロロボラートの１．８Ｍ溶液（ＡＮ中の１．８ＭのＴＥＡＴＦＢ）及び電流密度０．５Ａ／ｇ、１．０Ａ／ｇ、４．０Ａ／ｇ、又は８．０Ａ／ｇを用いて、２．７Ｖから０．１Ｖの、５秒の時定数での定電流放電によって測定される。
一実施形態では、本開示は、本明細書に開示の炭素材料を含むウルトラキャパシタを提供し、本炭素材料を含むウルトラキャパシタの、電圧保持期間後の、元のキャパシタンス（即ち、電圧保持が施される前のキャパシタンス）からの減少割合は、既知の炭素材料を含むウルトラキャパシタの元のキャパシタンスからの減少割合より少ない。一実施形態では、本炭素材料を含むウルトラキャパシタの、６５℃で２４時間にわたって電圧が２．７Ｖに保持された後に残っている元のキャパシタンスの割合は、少なくとも９０％、少なくとも８０％、少なくとも７０％、少なくとも６０％、少なくとも５０％、少なくとも４０％、少なくとも３０％、少なくとも２０％、又は少なくとも１０％である。前述のうちの更なる実施形態では、電圧保持期間後に残っている元のキャパシタンスの割合を、電流密度０．５Ａ／ｇ、１Ａ／ｇ、４Ａ／ｇ、又は８Ａ／ｇで測定する。
別の実施形態では、本開示は、本明細書に開示の炭素材料を含むウルトラキャパシタを提供し、本炭素材料を含むウルトラキャパシタの、電圧サイクルの繰り返し後の、元のキャパシタンスからの減少割合は、同一条件下の既知の炭素材料を含むウルトラキャパシタの元のキャパシタンスからの減少割合より少ない。例えば、一実施形態では、電流密度４Ａ／ｇでの２Ｖと１Ｖとの間のサイクルからなる、１０００回、２０００回、４０００回、６０００回、８０００回、又は１０００回の電圧サイクルイベントの後の、本炭素材料を含むウルトラキャパシタの、残っている元のキャパシタンスの割合は、既知の炭素材料を含むウルトラキャパシタの、残っている元のキャパシタンスの割合より多い。別の実施形態では、電流密度４Ａ／ｇでの２Ｖと１Ｖとの間のサイクルからなる、１０００回、２０００回、４０００回、６０００回、８０００回、又は１０００回の電圧サイクルイベントの後の、本炭素材料を含むウルトラキャパシタの、残っている元のキャパシタンスの割合は、少なくとも９０％、少なくとも８０％、少なくとも７０％、少なくとも６０％、少なくとも５０％、少なくとも４０％、少なくとも３０％、少なくとも２０％、又は少なくとも１０％である。
更に他の実施形態では、本ＥＤＬＣデバイスは、アセトニトリル電解質中のテトラエチルアンモニウム−テトラフルロロボラートの１．８Ｍ溶液及び電流密度０．５Ａ／ｇを用いて、２．７Ｖから０．１Ｖの定電流放電及び少なくとも０．２４Ｈｚの周波数応答によって測定される重量キャパシタンスが少なくとも１３Ｆ／ｃｃである。ＥＤＬＣデバイスを含む他の実施形態では、本ＥＤＬＣデバイスは、アセトニトリル電解質中のテトラエチルアンモニウム−テトラフルロロボラートの１．８Ｍ溶液及び電流密度０．５Ａ／ｇを用いて、２．７Ｖから０．１Ｖの定電流放電及び少なくとも０．２４Ｈｚの周波数応答によって測定される重量キャパシタンスが少なくとも１７Ｆ／ｃｃである。
前述のように、本炭素材料を、ウルトラキャパシタデバイスに混和させることが可能である。実施形態によっては、従来技術によるジェットミルを用いて、本炭素材料を挽きつぶして、平均粒子サイズを約１０ミクロンにする。いかなる理論にも拘束されることを望むものではないが、この微細な粒子サイズによって、粒子間導電性が高まり、かつ、非常に薄い薄板電極の製造が可能になると考えられている。ジェットミルは、本質的には、高圧窒素によって駆動される円板形チャンバの内側で炭素を回転させることにより、炭素同士をこすり合わせてすりつぶす。大きな粒子が入ってくると、それらは遠心力によってチャンバの外側に押される。粒子同士が互いにこすり合ってすりつぶされるにつれ、粒子は中心に向かって移動し、最終的に、適切な寸法に達した時点で、すりつぶしチャンバから外に出る。
更なる実施形態では、ジェットミル処理を経て、炭素は、繊維状のテフロンバインダー（３重量％）と混合されて、粒子が薄板内に保持される。炭素とテフロンの混合物は、粘度が均質になるまで、練られる。次に、高圧圧延成形機を用いて、この混合物を圧延して、最終厚さが５０ミクロンである薄板にする。これらの電極をパンチングして円板にし、乾燥アルゴン雰囲気下で１９５℃まで加熱して、水及び／又は他の空中汚染物質を除去する。電極を計量し、電極の寸法をノギスで測定する。
ＥＤＬＣの炭素電極は、適切な電解質溶液により湿潤している。本出願のデバイスに使用される電解質溶液に使用される溶媒の限定ではない例として、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジエチルカーボネート、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリルなどがある。そのような溶媒は、通常、テトラルキルアンモニウム塩を含む溶質と混合され、例えば、ＴＥＡＴＦＢ（テトラエチルアンモニウムテトラフルオロボラート）、ＴＥＭＡＴＦＢ（トリ−エチル，メチルアンモニウムテトラフルオロボラート）、ＥＭＩＴＦＢ（１−エチル−３−メチルイミドアゾリウムテトラフルオロボラート）、テトラメチルアンモニウム、又はトリエチルアンモニウムをベースとする塩を含む溶質と混合される。更に、電解質は、水ベースの酸電解質又は塩基電解質（希硫酸や水酸化カリウムなど）であってよい。
実施形態によっては、電極は、アセトニトリル電解質中のテトラエチルアンモニウム−テトラフルロロボラートの１．０Ｍ溶液（ＡＮ中の１．０ＭのＴＥＡＴＦＢ）により湿潤している。他の実施形態では、電極は、プロピレンカーボネート電解質中のテトラエチルアンモニウム−テトラフルロロボラートの１．０Ｍ溶液（ＰＣ中の１．０ＭのＴＥＡＴＦＢ）により湿潤している。これらは、研究及び産業の両方で使用される一般的な電解質であり、デバイス性能の評価基準と見なされている。他の実施形態では、対象形炭素−炭素（Ｃ−Ｃ）キャパシタが、不活性雰囲気下（例えば、アルゴングローブボックス内）で組み立てられ、３０ミクロン厚のＮＫＫ多孔性メンブラン３０がセパレータとして動作する。組み立てられた試料は、試料の多孔度に応じて約２０分以上、電解質中に浸漬されてよい。
実施形態によっては、キャパシタンス及び電力電力の測定を、サイクリックボルタンメト（ＣＶ）、クロノポテンショメトリ（ＣＰ）、及びインピーダンス分光法を用いて、Ｂｉｏｌｏｇｉｃ ＶＭＰ３電気化学ワークステーション上で、様々な電圧（１．０Ｖから最大電圧２．５Ｖまでの範囲）及び電流レベル（１ｍＡから１０ｍＡまで）で行うことが可能である。この実施形態では、キャパシタンスは、次式を用いたポテンショグラムの放電曲線から計算することが可能である。

Figure 2014511322
但し、Ｉは電流（Ａ）、ΔＶは電圧降下、Δｔは時間差である。この実施形態では、試験用キャパシタが対象形炭素−炭素（Ｃ−Ｃ）電極なので、固有キャパシタンスは次式から求められる。
式２ Ｃｓ＝２Ｃ／ｍｅ
但し、ｍｅは、単一電極の質量である。固有のエネルギ及び電力は、次式で求められる。

Figure 2014511322
式４ Ｐｓ＝ＥＳ／４ＥＳＲ
但し、Ｃは、測定されたキャパシタンスであり、Ｖｍａｘは、最大試験電圧であり、ＥＳＲは、放電初期の電圧降下から得られる等価直列抵抗である。ＥＳＲは、インピーダンス分光法から交互に導出することが可能である。
２．電池
本開示の炭素材料は、様々なタイプの電池の電極としても使用される。そのような電池の１つが、金属空気電池であり、例えば、リチウム空気電池である。リチウム空気電池は、一般に、電解質が正電極と負電極とにはさまれている。正電極は、主にリチウム化合物（例えば、酸化リチウムや過酸化リチウム）を含み、酸化させたり、酸素を減らしたりするように動作する。負電極は、主に、リチウムイオンを吸収したり放出したりする炭質物質を含む。スーパーキャパシタと同様に、本開示の炭素材料を含む、リチウム空気電池などの電池は、周知の炭素材料を含む電池より優れていると考えられている。従って、一実施形態では、本発明は、本明細書に開示の炭素材料を含む金属空気電池（例えば、リチウム空気電池）を提供する。
他の様々な電池、例えば、亜鉛炭素電池、リチウム炭素電池、鉛酸蓄電池なども、本炭素材料によって性能が向上すると考えられる。当業者であれば、本開示の炭素材料から便益が得られる、他の具体的なタイプの炭素含有電池を認識されるであろう。従って、別の実施形態では、本発明は、本明細書に開示の炭素材料を含む電池、具体的には、亜鉛炭素電池、リチウム炭素電池、又は鉛酸蓄電池を提供する。
一実施形態は、本開示の炭素材料を含む鉛酸蓄電池を対象とし、例えば、以下を含む鉛酸蓄電池を対象とする。
ａ）第１の集電子と電気的に接触している第１の活性材料を含む少なくとも１つの正電極。
ｂ）第２の集電子と電気的に接触している第２の活性材料を含む少なくとも１つの負電極。
ｃ）電解質。
但し、正電極及び負電極は、不活性多孔性セパレータによって互いに隔てられており、第１及び第２の活性材料の少なくとも一方が本炭素材料を含んでいる。
本開示の範囲内の活性材料は、電気を蓄積すること、及び／又は伝導することが可能な材料を含む。この活性材料は、当該技術分野において周知であり、鉛酸蓄電池において有用な任意の活性材料であってよく、例えば、この活性材料は、鉛、鉛（ＩＩ）酸化物、鉛（ＩＶ）酸化物、又はこれらの組み合わせを含んでよく、ペースト状であってよい。
前述のデバイスのうちのいずれかのデバイスの別の実施形態では、本炭素材料は、ミクロ細孔対メソ細孔の分布が同じであるが、それらがより小さい表面積の範囲に含まれる。この実施形態は、熱分解後（活性化せず）の表面機能性が低い、ミクロ細孔対メソ細孔の同じ最適化された容積分布をもたらす同じベース高純度ポリマー構造を合成することにより、作成される。鉛酸蓄電池のような電池用途において表面積の小さい最適化された細孔構造であることの結果として、高導電性網状組織を有する電極形成が最大化される。大きなメソ細孔容積が、他の多くのエネルギ蓄積システム（鉛酸蓄電池、リチウムイオン電池など）でのイオン移動度を高めることを可能にする優れた構造になりうることも理論化されている。
以下に挙げる各実施例で開示されている炭素材料は、本明細書に開示の方法に従って作成したものである。各化学物質は、試薬グレード以上の純度のものを市販品供給元から入手し、納入業者から受け取ったものを、追加精製せず、そのまま使用した。
特に断らない限り、本炭素材料及び前駆物質の作成には、通常、以下の条件を適用した。２元溶媒系（例えば、水及び酢酸）中で、触媒の存在の下、フェノール化合物とアルデヒドとを反応させた。フェノール化合物とアルデヒドとのモル比は、典型的には、０．５：１であった。この反応は、最大８５℃の温度で最大２４時間にわたって密閉容器内でインキュベートされるようにした。得られたポリマーヒドロゲルは、水を含んでいたが、有機溶媒は含んでいなかった。そして、このポリマーヒドロゲルに対し、水と有機溶媒（例えば、ｔ−ブタノール）との溶媒交換は行わなかった。そして、このポリマーゲルヒドロゲルモノリスを（例えば、すりつぶすことにより）物理的に粉砕して、平均直径が約５ｍｍ未満であるポリマーヒドロゲル粒子を形成した。特に断らない限り、これらの粒子を、（通常は低温流体（例えば、液体窒素又はエタノール／ドライアイス）に浸漬して）急速凍結させ、凍結乾燥させた。通常、凍結乾燥機の棚を−３０℃まで事前冷却してから、凍結ポリマーヒドロゲル粒子を収容したトレイを凍結乾燥機の棚に載せた。凍結乾燥用チャンバ圧力は、典型的には、５０ｍＴｏｒｒから１０００ｍＴｏｒｒの範囲とし、棚温度は、＋１０℃から＋２５℃の範囲とした。或いは、棚温度は、より低く（例えば、０℃から＋１０℃の範囲で）設定してもよい。或いは、棚温度は、より高く（例えば、＋２５℃から＋１００℃の範囲で）設定してもよい。チャンバ圧力は、５０ｍＴｏｒｒから３０００ｍＴｏｒｒの範囲で保持してよい。例えば、チャンバ圧力を、１５０ｍＴｏｒｒから３００ｍＴｏｒｒの範囲で制御してよい。
乾燥ポリマーヒドロゲルの熱分解は、典型的には、窒素雰囲気中で、７００−１２００℃の範囲の温度で、本実施例で指定された時間にわたって加熱することにより実施した。活性化条件は、通常、熱分解ポリマーヒドロゲルを、ＣＯ２雰囲気下で、８００℃から１０００℃の範囲の温度で、本実施例で指定された時間にわたって加熱することであった。個々の熱分解及び活性化の条件は、以下の各実施例において記載したとおりである。
実施例１
乾燥ポリマーゲルの作成
アンモニウムアセテート触媒の存在下の水／酢酸溶媒（７５：２５）中でレゾルシノール及びホルムアルデヒド（０．５：１）を重合することにより、ポリマーゲルを作成した。溶媒に対するレゾルシノールの比（Ｒ／Ｓ）は０．３であり、触媒に対するレゾルシノールの比（Ｒ／Ｃ）は２５であった。この反応混合物をゲル化させるべく高温下に置いて（４５℃で約６時間インキュベートし、その後、８５℃で約２４時間インキュベートして）、ポリマーゲルを作成した。このポリマーゲルからポリマーゲル粒子を作成し、これを４７５０ミクロンの網のふるいにかけた。この、ふるいにかけた粒子を、液体窒素に浸漬して瞬間凍結させ、３ｇ／ｉｎ２から７ｇ／ｉｎ２の荷重で凍結乾燥機のトレイに載せ、約５０ｍＴｏｒｒで凍結乾燥させた。（生成物が棚温度の２℃以内に達する時間から推論される）乾燥時間は、凍結乾燥機の棚の生成物荷重に応じて変えた。
ポリマーゲルを乾燥させた際の質量損失は、７３．４％であった。乾燥ポリマーゲルの表面積を計算すると、７５２ｍ２／ｇであった。総細孔容積は、１．４０ｃｃ／ｇであり、タップ密度は、０．２２ｇ／ｃｃであった。乾燥ポリマーゲルの異なる２つのバッチの細孔サイズ分布を、図１に示す。
実施例２
乾燥ポリマーゲルからの熱分解炭素材料の作成
実施例２に従って作成された乾燥ポリマーゲルを、２００Ｌ／ｈの窒素ガス流の下、８５０℃の回転炉に通して熱分解した。熱分解後の重量損失を計算すると、５６．２％であった。
この熱分解乾燥ポリマーゲルの表面積を、表面積多孔度アナライザを使用して、窒素表面積分析により調べた。標準的なＢＥＴ手法を用いて測定した比表面積は、７２６ｍ２／ｇであった。総細孔容積は０．７１ｃｃ／ｇであり、タップ密度は０．４２ｇ／ｃｃであった。上述の熱分解条件（例えば、温度、時間、その他）を変えることにより、様々な特性（例えば、表面積、細孔構造、その他）を備えた炭素材料を作成することが可能である。
実施例３
活性炭の製造
実施例２に従って作成された熱分解炭素材料を、ＣＯ２下の９００℃のバッチ式回転炉で６６０分にわたって活性化させた。これによる総重量損失は６４．８％であった。
この活性炭の表面積を、表面積多孔度アナライザを使用して、窒素表面積分析により調べた。ＢＥＴ手法を用いて測定した比表面積は、１９８９ｍ２／ｇであった。総細孔容積は１．５７ｃｃ／ｇであり、タップ密度は０．２８ｇ／ｃｃであった。
図２は、実施例２の熱分解炭素材料及び実施例３の活性炭材料の細孔サイズ分布を重ね合わせたものである。なお、活性炭の細孔サイズ分布の測定は、Ｍｉｃｒｏｍｅｒｉｔｉｃｓ ＡＳＡＰ２０２０で実施した。これは、熱分解炭素の細孔サイズ分布の測定に用いたＴｒｉｓｔａｒ ３０２０より分解能が高い（より小さい細孔サイズ容積を検出する）ミクロ細孔対応アナライザである。
実施例３の活性炭材料についてのＤＦＴ累積容積プロットから、細孔容積の４４％がミクロ細孔内に存在し、細孔容積の５６％がメソ細孔内に存在することが判明した。上述の活性化条件（例えば、温度、時間、その他）を変えることにより、様々な特性（例えば、表面積、細孔構造、その他）を備えた炭素材料を作成することが可能である。
実施例４
ジェットミル処理による活性炭の微粒子化
実施例３に従って作成された活性炭を、Ｊｅｔ Ｐｕｌｖｅｒｉｚｅｒ Ｍｉｃｒｏｎ Ｍａｓｔｅｒ ２インチ径ジェットミルを用いてジェットミル処理した。条件は、活性炭が毎時約０．７ポンド、窒素ガス流が毎分約２０ｓｃｆ、かつ、圧力が約１００ｐｓｉであった。ジェットミル処理後の平均粒子サイズは、約８ミクロンから約１０ミクロンであった。
実施例５
活性炭及び比較用炭素の純度分析
本明細書に記載の概略手順に従って作成された炭素試料を、それらの不純物含有量について、プロトン励起Ｘ線放射分析法（ＰＩＸＥ）により調べた。ＰＩＸＥは、試料中の原子を励起して特徴的なＸ線を発生させ、これらを検出し、その強度を識別及び定量化することにより、元素分析を同時に行うための、業界標準の高感度かつ高精度の測定である。ＰＩＸＥは、１１から９２までの範囲の原子番号を有する全ての元素（即ち、ナトリウムからウランまで）を検出することが可能である。
本明細書に開示の炭素材料において検出されたＰＩＸＥ不純物と、他の市販の炭素材料の場合と比較した結果を、表１に示す。炭素１は、熱分解された（活性化はされていない）炭素材料である。炭素２及び３は、熱分解され、活性化された炭素材料である。炭素４は、関西熱化学（株）（加古川、日本）から入手した、「ＭＳＰ−２０」と呼ばれる活性炭である。炭素５は、クラレケミカル（株）（大阪、日本）から入手した「ＹＰ−５０Ｆ（ＹＰ−１７Ｄ）」と呼ばれる活性炭である。
表１に見られるように、本開示による炭素材料は、他の周知の活性炭試料と比較して、ＰＩＸＥ不純物含有量がより少なく、灰分がより少ない。

Figure 2014511322
実施例６
各種炭素試料の作成及び特性
前述のように、本開示の炭素材料は、ミクロ細孔及びメソ細孔の構造の最適化により、密度がより高い。具体的には、本炭素材料は、細孔構造の領域が２つあり、それらは（１）２０Å未満のミクロ細孔、（２）２０Åと２００Åとの間のメソ細孔である。これら２つの個体群の間は細孔構造が相対的に欠落しており、また、２００Åより上は細孔構造が相対的に欠落している。パルス電力が高いＥＤＬＣシステムは、炭素電極及び電池システム全体の低抵抗性能を必要とする。この高パルス電力性能の電極の炭素は、インピーダンス分光法で測定される応答時間が速いことが特徴である。この高速応答時間は、細孔構造内での高イオン移動度及び低イオン抵抗を与える純度及び細孔容積に起因する。
本炭素材料の有用性を示すために、実施例１−４に記載の概略手順に従って、各種炭素材料を作成した。
前述の手順に従って作成された３種類の炭素試料（炭素１−３）の生理化学特性を、以下の表１に示す。これらの炭素試料の細孔サイズ分布を図３に示す。

Figure 2014511322
実施例７
各種炭素試料の電気化学特性
各炭素試料の電気化学特性（具体的には、ＥＤＬＣコイン電池デバイスの電極材料としての特性）を分析した。電極の組み立て、ＥＤＬＣ、及びこれらの試験に関する具体的詳細を以下に記す。
キャパシタ電極は、重量比で９９％が炭素粒子（平均粒子サイズは５−１５ミクロン）であり、重量比で１％がテフロンであった。これらの炭素及びテフロンを、テフロンが十分に分散して、組成がある程度の物理的結着性を呈するまで、乳鉢と乳棒で素練りした。混合後の複合材料を圧延して、約５０ミクロン厚のフラットシートにした。このシートから直径約１．５９ｃｍの電極円板を打ち抜いた。これらの電極を、ドライボックスに取り付けられた真空オーブンに入れ、１９５℃で１２時間にわたって加熱した。これにより、電極作成中に雰囲気から吸着された水を除去した。乾燥後、これらの電極を、室温まで冷まし、オーブン内の雰囲気をアルゴンで満たし、電極をドライボックスに入れて、キャパシタを作成した。
炭素電極をキャビティに入れた。キャビティは、１インチ（２．５４ｃｍ）径の炭素被膜されたアルミホイル円板と、このアルミニウムに熱融着された５０ミクロン厚のポリエチレンガスケットリングとで形成されている。次に、第２の電極を、同じ方法で作成した。アセトニトリル中の１．８Ｍのテトラエチレンアンモニウムテトラフルオロボラートを含む電解質を、各電極に２滴加えた。各電極を、直径０．８２５インチの多孔性ポリプロピレンセパレータで覆った。２つの電極の半分ずつをまとめて、対向するセパレータではさみ、構造物全体をまとめてホットプレスした。
完成したキャパシタの、ポテンショスタット／関数発生器／周波数応答アナライザによる電気的試験を準備した。キャパシタンスの測定を、低電流放電法により実施した。この方法は、既知の継続時間にわたって電流パルスを印加するステップと、結果として得られる電圧プロファイルを測定するステップと、を含む。所与の時間及び終了電圧を選択し、式Ｃ＝Ｉｔ／ΔＶからキャパシタンスを計算した。但し、Ｃはキャパシタンス、Ｉは電流、ｔは、所望の電圧に到達するまでの時間、ΔＶは、初期電圧と最終電圧との間の電圧差である。このキャパシタンスを重量及び容積で割ることにより、２つの炭素電極の、それぞれ、重量及び容積に基づく固有キャパシタンスを求めた。このデータは、２．７Ｖと１．８９Ｖとの間の放電について、表１１で報告されている。
表２のデータによれば、本開示の炭素は、密度キャパシタンスが低いために市場で存続しうるとは考えられていなかった市販の炭素に比べて容積キャパシタンスが強化されて高い電力を示すが、注目すべきは、その高いターンオン周波数特性であり、これは、本開示の炭素によって拡張された、より高いターンオン周波数特性、及び、より高い容積キャパシタンス性能の両方を示す特性である。

Figure 2014511322
炭素２の安定性試験としての測定を、２．７ボルトを６５℃でゼロから１２８時間まで保持して実施した。この炭素の安定性の向上は、表３において、ストレス試験の間、ＥＤＬＣ用途において業界標準の安定した炭素として使用されている２つの市販炭素材料（市販炭素Ｂ及びＣ）と比較して、高いキャパシタンスが保持されていることとして示されている。炭素４は、大部分がミクロ細孔である炭素である（図７の「ＮＣ２−１Ｄ」で示された曲線を参照）。

Figure 2014511322
図で示すと、図４によれば、炭素２は、１２８時間において、炭素４ならびに炭素Ｂ及びＣよりも高い安定性を示しており、炭素２に向かう、図化された動向点群における外挿は、炭素２が、表３における他の炭素より高い安定性の炭素であることを示している。
抵抗は、電力の計算に直接関連する。抵抗が低いほど、電力性能が高くなる。抵抗１は、直流放電の初期ＩＲ降下の計算を意味する。各種炭素材料についての抵抗１を、図５Ａ及び図５Ｂに示す。
ストレス試験によれば、時間経過に対する炭素２の抵抗は低く保たれており、これは、表３における他の炭素とは対照的である。低抵抗は、電力性能の向上に直接関連する。
本開示の炭素材料に固有の高い周波数応答を示すために、ボーデ線図（図６）を生成した。この図では、炭素２は、ＮＣ２−３で示されている。このボーデ線図における右側のより高い周波数範囲へのシフトは、周波数応答及び電力性能がより高いことを示している。
図７は、ＮＣ２−３が、比較用の２つの炭素に比べて、細孔サイズ分布の独特な範囲を占めている様子を示す。
実施例８
他の炭素試料の電気化学特性
各実施例で記載されている概略手順に従って、別の炭素試料（炭素２）を作成した。本炭素材料を含むＥＤＬＣコイン電池を作成し、これらの電気化学特性を、１Ｍ ＴＥＡＢＦ４／ＡＣＮ電解質を用いて分析した。その結果を、以下の表４、５、及び６に示す。

Figure 2014511322
表５は、炭素２についての抵抗データをまとめたものである。抵抗１は、直流放電の初期ＩＲ降下の計算方法を意味する。抵抗２は、直流放電の最終電圧緩和の計算方法を意味する。抵抗３は、２ＶのＥＩＳ曲線の、コイン電池の場合は通常４００ｋＨｚ付近で発生するリアクタンスインタセプトにおいて取得されるＥＳＲを意味する。

Figure 2014511322
表６は、本炭素材料を含むＥＤＬＣについての電力データをまとめたものである。この電力データは、２ＶのＥＩＳ曲線から計算される。電力値は、−４５度の位相角度から計算した。

Figure 2014511322
実施例９
他の炭素試料の特性
前述の概略手順に従って、別の炭素試料を作成した。

Figure 2014511322

Figure 2014511322
これらの炭素試料の細孔サイズ分布を図８及び図９に示す。図８は、炭素材料の異なる２つのバッチが同様の細孔構造であることを示している。一方、図９は、本開示による炭素材料が、他の周知の炭素材料に比べてメソ細孔の容積が大きいことを示している。いかなる理論にも拘束されるものではないが、本出願者らは、このメソ細孔性が本炭素材料の電気化学特性の向上に、少なくとも部分的に寄与するものと考えている。
実施例１０
本炭素材料を含むキャパシタ電極の特性及び性能
前述の概略手順に従って作成された炭素材料の、カーボネートベースの有機電解質を有する対称型電気化学キャパシタの電極としての特性及び性能を評価した。本材料を用いて組み立てられた試験用キャパシタに対して、包括的な一連の特性及び性能の測定を実施した。
試料は、非常に粒状であり、比較的大きな粒子を含んでいた。結果として、評価用として形成された、このキャパシタの電極は、多孔性であり、非常に低密度（０．２９ｇ／ｃｍ３）であった。本炭素材料を使用して組み立てられた電極は、固有キャパシタンスの値が高かったが（１０５Ｆ／ｇ）、電極密度が非常に低かったため、容積キャパシタンスはわずか３０Ｆ／ｃｃであった。乾燥電極の質量又は容積のみを用いた場合、試験用デバイスは、性能指数（Ｆｉｇｕｒｅ ｏｆ Ｍｅｒｉｔ （ＦＯＭ））値（Ｍｉｌｌｅｒ， “Ｐｕｌｓｅ Ｐｏｗｅｒ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃａｐａｃｉｔｏｒｓ： Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｓｔａｔｕｓ ｏｆ Ｐｒｅｓｅｎｔ Ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ Ｄｅｖｉｃｅｓ，” Ｐｒｏｃ． ８ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｅｍｉｎａｒ ｏｎ Ｄｏｕｂｌｅ Ｌａｙｅｒ Ｃａｐａｃｉｔｏｒｓ ａｎｄ Ｓｉｍｉｌａｒ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｄｅｖｉｃｅｓ， Ｄｅｅｒｆｉｅｌｄ Ｂｅａｃｈ， Ｆｌｏｒｉｄａ （Ｄｅｃｅｍｂｅｒ ７−９， １９９８）を参照）が、２Ｖでの動作に対して７．８Ｗ／ｇ及び２Ｗ／ｍｌ前後であった。これらの値は、電解質とパッケージ化すると減るが、より高い電圧での動作では増える。これに対し、有機電解質を使用した市販キャパシタ製品について報告されたＦＯＭの最大値（１９９８）は、３．６Ｗ／ｇ及び４．１Ｗ／ｍｌであった。本開示の炭素材料は、重量ベースでは、市販デバイスより非常に都合がよい。これは、主に、「ターンオン」周波数（０．１７Ｈｚ）が比較的高いためである。本炭素材料の容積性能は、粒子サイズを、すりつぶし又は他の処理方法で減らすことにより、向上させることが可能であると考えられる。
本炭素試料には、９ＡＣ１６というラベルを付けた。この試料を６０℃で乾燥させ、次に、３．０重量％のテフロンバインダーと混合した。この混合物を入念に混ぜ合わせて、０．００３インチ厚の電極を形成した。本試料は、大きな粒子がかなりの割合を占めている様相を呈しており、このことが、多孔性かつ低密度の電極につながった。
場合によっては、評価用として０．００２インチ厚の電極を使用するが、本試料は、後の工程に必要な保全性のために、そのような薄さの薄板にすることができなかったので、より厚みのある電極を作成した。この薄板材料を鋼製金型で打ち抜いて、直径０．６２５インチの円板を作成した。各材料からなる４つの電極円板を、０．１ｍｇ精度で計量した。電極対の質量及び密度の平均を表９に示す。

Figure 2014511322
作成の最終工程として、これらの電極を、真空条件下（機械式粗引きポンプ）で、１９５℃で１４時間にわたって乾燥させた。
冷却後、（依然として真空下にある）電極を収容する真空容器を、ドライボックスに移した。その後の全ての組み立て作業をドライボックス内で実施した。電極円板を有機電解質に１０分間浸漬し、その後、電池として組み立てた。この電解質は、１．０Ｍのテトラエチルアンモニウムテトラフルオロボラート（ＴＥＡＴＦＢ）塩を含んだ、プロピレンカーボネート（ＰＣ）及びジメチルカーボネート（ＤＭＣ）の同体積混合物であった。
２層の連続気泡発泡体型セパレータ材料を用いて、試験用電池を作成した。この二重セパレータは、試験用電池内で圧縮されるまでは約０．００４インチ厚であった。最初に、通常の単層のセパレータを使用して試験用電池を組み立てたが、それらの電池は、漏れ電流が多大であった。これは、電極内の粒子が薄いセパレータに穴をあけたためであろう。この試験用電池の導電性フェースプレートは、（リチウムイオン電池業界で使用されている）酸化を防ぐための特殊な表面処理がなされたアルミニウム金属であった。電解質適合性及び低水分透過性のために、熱可塑性エッジ封止材を選択し、ドライボックス内にインパルスヒートシーラを直接配置して熱可塑性エッジ封止材を貼り付けた。
ほぼ同一の２個の試験用電池を組み立てた。これらの組み立てた電池を、試験のために、ドライボックスから取り出した。各導電性フェースプレートに金属板をクランプで固定した。金属板は、集電子として使用した。組み立てたデバイスの断面を図１０に示す。電極はそれぞれ０．００３インチ厚であり、セパレータは０．００４インチ厚であった（０．００２インチ厚の材料の二重層）。電極は、直径が０．６２５インチである。キャパシタ電池を１．０Ｖで１０分間コンディショニングしてから特性を測定し、次に、２．０Ｖで１０分間コンディショニングしてから特性を測定した。
本キャパシタ電池の試験には、以下の試験設備を使用した。
１．周波数応答アナライザ（ＦＲＡ）（Ｓｏｌａｒｔｒｏｎ ｍｏｄｅｌ １２５０）、ポテンショスタット／ガルバノスタット（ＰＡＲ ２７３）
２．デジタルマルチメーター（Ｋｅｉｔｈｌｅｙ Ｍｏｄｅｌ １９７）
３．キャパシタンス試験ボックス（Ｓ／Ｎ ００５、５００Ω設定）
４．ＲＣＬメーター（Ｐｈｉｌｉｐｓ ＰＭ６３０３）
５．電源（Ｈｅｗｌｅｔｔ−Ｐａｃｋａｒｄ Ｍｏｄｅｌ Ｅ３６１０Ａ）
６．天秤（Ｍｅｔｔｌｅｒ Ｈ１０）
７．マイクロメーター（Ｂｒｏｗｎ／Ｓｈａｒｐ）
８．漏れ電流装置
９．電池／キャパシタ試験器（Ａｒｂｉｎ Ｍｏｄｅｌ ＥＶＴＳ）
全ての測定を室温で実施した。試験用キャパシタを１．０Ｖでコンディショニングした後、短絡させて、以下の測定を実施した。即ち、ＲＣＬメーターを使用して１ｋＨｚ等価直列抵抗（ＥＳＲ）を測定し、キャパシタンス試験ボックスを使用して、５００Ω直列抵抗をつないで１．０Ｖでの充電キャパシタンスを測定し、漏れ電流装置を使用して、０．５Ｖ及び１．０Ｖでの３０分後の漏れ電流を測定し、電気化学インタフェース及びＦＲＡを１．０Ｖバイアス電圧で使用して電気化学インピーダンス分光法（ＥＩＳ）の測定を実施した。次に、試験用キャパシタを２．０Ｖでコンディショニングした後、短絡させて、以下の測定を実施した。即ち、ＲＣＬメーターを使用して１ｋＨｚ等価直列抵抗（ＥＳＲ）を測定し、５００Ω直列抵抗をつないで２．０Ｖでの充電キャパシタンスを測定し、漏れ電流装置を使用して、１．５Ｖ及び２．０Ｖでの３０分後の漏れ電流を測定し、２．０Ｖバイアス電圧でのＥＩＳの測定を実施した。最後に、Ａｒｂｉｎを使用して、充放電測定を実施した。これらの測定には、１ｍＡ、５ｍＡ、及び１５ｍＡの電流での０．１Ｖと２．０Ｖとの間の定電流充放電サイクルと、０．０１Ｗから０．２Ｗでの電力レベルでの２．０ Ｖと０．５ Ｖとの間の定電流充電／定電力放電とが含まれた。
表１０及び表１１は、有機電解質を使用して組み立てられた各キャパシタについての試験データの一覧である。これら２つの試料は、充電特性及び蓄電特性がほぼ同じであるが、密度が多少異なる。

Figure 2014511322

Figure 2014511322
図１１は、２つの試験用キャパシタについての、異なる４つの電圧での３０分の漏れ電流値を示す。電圧と漏れ電流との間に線形−対数関係があるのは、電気化学キャパシタでは典型的であり、これが起こるのは、漏れ電流の殆どが、不純物に関連する電荷移動反応である場合である。試験用キャパシタは、漏れ電流と電圧との間の関係が対数−線形関係に近い。この関係は、電気化学キャパシタでは典型的であり、これが起こるのは、漏れ電流が、不純物に関連する電荷移動反応である場合である。この漏れ電流の値は、炭素電極試料について典型的に測定される通常範囲に収まっている。
図１２は、本開示の炭素材料を含むキャパシタの定電流放電挙動を、３つの電流値で放電した場合について示す。５ｍＡでの放電率は、電流密度約２．５ｍＡ／ｃｍ２に対応する。
図１３ａは、電圧が１．０Ｖ及び２．０Ｖの場合の試験用キャパシタのインピーダンスデータを複素平面で表現したものを示す。この挙動は、両バイアス電圧の間で非常によく似ている。本質的には、応答は電圧に依存しないと考えられる。理想的なＲＣ回路は、抵抗の値で実軸と交差する縦の直線で表されることになる。図示されているのは、約３．３Ωでの実軸との交差である。この線は、約４５度の角度で、すぐに立ち上がっている。この種の挙動は、多孔性の電極を有するデバイスにおいて見られ、これは電荷蓄積が分散していることに起因すると考えられる。その後は、線があまり垂直になっていないが、これは、通常、漏れ電流のような並列充電経路に起因する。しかしながら、この試料に関しては、この非理想的な特性は非常に些細なことである。
図１３ｂは、同じインピーダンスデータをボーデ線図で表したものであり、インピーダンスの絶対値｜Ｚ｜及び位相角度を周波数に対して示している。キャパシタの挙動は、低い周波数で勾配が−１であることと、位相角度が−９０度に近づいていることとで明らかである。位相角度は、高い周波数でゼロに近づき、低い周波数で−９０度に近づくことに注目されたい。
図１３ｃは、同じデータを更に別の表現で示しており、デバイスが直列ＲＣ回路で表現できるとしている。このキャパシタンスは、１／（２πｆＺ”）として計算される。但し、ｆは周波数（Ｈｚ）であり、Ｚ”はリアクタンスであり、π＝３．１４１５である。図に示されるように、キャパシタンスは、約２００Ｈｚでの最小値から、周波数が低くなるにつれて単調増加し、約０．１Ｈｚ以下の周波数で飽和して約０．２４−０．２５Ｆになる。直列抵抗は、約１ｋＨｚで最小値となり、周波数が低くなるにつれて増加する。この種の挙動は多孔性電極の特徴であり、低い周波数で抵抗が大きくなる。これは、電解質のより長い経路を通る、より深い細孔において電荷蓄積が発生するためである。
２．０Ｖバイアスで位相角度が−４５度に達するときの周波数ｆ０は、約０．１７Ｈｚである。この周波数でのリアクタンスＺ”（インピーダンスの虚数部）は約−４．７Ωであるため、この周波数でのキャパシタンスの計算値は、直列ＲＣ回路を仮定すると、Ｃ＝−１／（２πｆ０Ｚ”）＝約０．２Ｆである。従って、Ｍｉｌｌｅｒ（“Ｐｕｌｓｅ Ｐｏｗｅｒ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃａｐａｃｉｔｏｒｓ： Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｓｔａｔｕｓ ｏｆ Ｐｒｅｓｅｎｔ Ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ Ｄｅｖｉｃｅｓ，” Ｐｒｏｃ． ８ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｅｍｉｎａｒ ｏｎ Ｄｏｕｂｌｅ Ｌａｙｅｒ Ｃａｐａｃｉｔｏｒｓ ａｎｄ Ｓｉｍｉｌａｒ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｄｅｖｉｃｅｓ， Ｄｅｅｒｆｉｅｌｄ Ｂｅａｃｈ， Ｆｌｏｒｉｄａ （Ｄｅｃｅｍｂｅｒ ７−９， １９９８））によって記述されている性能指数（ＦＯＭ）の、２．０Ｖでの計算値は、−７．８Ｗ／ｇ及び−２．２Ｗ／ｍｌである。表１２は、試験された試料材料についてのＦＯＭの一覧である。ＦＯＭ値が大きいほど、本材料はパルス用途に適している。

Figure 2014511322
電解質が含まれると、質量ＦＯＭは約４Ｗ／ｇまで低下し、容積ＦＯＭは不変のままである。パッケージ化された質量及び容積の、ＦＯＭに対する影響は、小さなデバイスでは最大になる。例えば、「ボタン」サイズのデバイスの場合は、ＦＯＭが更に１／４になると考えられ、ハイブリッド自動車サイズのキャパシタモジュールの場合は、１／２になると考えられる。いくつかの市販製品のＦＯＭ値を表１３に示す。本開示の炭素材料は、重量ベースでは、市販デバイスに比べて非常に都合がよい。これは、主に、「ターンオン」周波数（０．１７Ｈｚ）が比較的高いためである。容積性能は、粒子サイズを、すりつぶし又は他の処理方法で減らすことにより、向上させることが可能であると考えられる。

Figure 2014511322
キャパシタの性能を示す別の方法として、図１４に示されるように、エネルギと電力との関係をラゴーン表現で示す方法がある。出力可能なエネルギは、電力が増加するにつれ、減少する。図示されたエネルギ値及び電力値は、２．０Ｖから０．５Ｖへの定電力放電により、実験的に決定されたものである。市販デバイスとの比較は困難である。それは、パッケージ化された質量及び容積に関して未知の事項があること、ならびに、市販の有機電解質キャパシタがアセトニトリルを使用して高い電圧で動作することが多いことのためである。
実施例１１
様々な炭素材料作成方法の比較
様々な炭素材料作成方法を比較した。これは、前述のようにポリマーゲルを作成し、前述のように液体窒素中で瞬間凍結させるか、凍結機の棚でゆっくり凍結させることにより、実施した。この検討により、瞬間凍結させると、炭素材料のメソ細孔性が高まり、優れた電気化学特性が得られることが判明した。凍結乾燥、熱分解、及び活性化の条件は、以下のとおりとした。
２ｍｍのグラインダを取り付けた機械式グレータで、ポリマーゲルをすりつぶした。次に、そのポリマーゲルを液体Ｎ２で瞬間凍結させ、−５０℃で棚凍結させた。瞬間凍結後、以下の手順に従ってポリマーゲルを凍結乾燥させた。
１．−５０℃かつ５０ｍＴｏｒｒで状態を保持する。
２．５０ｍＴｏｒｒにおいて、３０分で−５０℃から−３０℃まで連続的に温度を上げる。
３．５０ｍＴｏｒｒにおいて、２２０分で−３０℃から＋２５℃まで連続的に温度を上げる。
４．＋２５℃及び５０ｍＴｏｒｒで状態を連続的に「保持」する。
凍結乾燥後、ポリマーゲルをチューブ炉内で熱分解した。これは、Ｎ２ガス下で温度を毎分５℃ずつ、９００℃まで連続的に上げ、Ｎ２ガス下で、９００℃で６０分、状態を保持し、その後、Ｎ２ガス下で、温度を周囲温度まで連続的に下げることによって実施した。次に、熱分解された材料をチューブ炉内で目標重量損失まで活性化させた。活性化パラメーターを調節することにより、所望の活性化結果を得ることが可能である。
表１４は、これら２つの方法からの、乾燥ゲル及び熱分解炭素の特徴付けをまとめたものである。

Figure 2014511322
図１５は、瞬間凍結させたポリマーゲルのメソ細孔性が、ゆっくり凍結させたゲルより高いことを示している。表１４及び図１６に示されたように、乾燥ゲルにおける細孔サイズ分布（ＰＳＤ）の動向を、活性炭のＰＳＤに直接変換した。例えば、瞬間凍結させた乾燥ゲルは活性炭も生成しており、この活性炭は、総細孔容積が多く（＋２．０ｃｃ／ｇ）、棚凍結させた乾燥ゲルよりタップ密度が低い。
液体窒素で凍結させた乾燥ゲルと、棚凍結させた乾燥ゲルとでは、温度での時間当たり活性化重量損失が非常によく似ているが、生成された活性炭の表面積が非常に異なる。表２から、活性化パラメーターを同じように低くしたり高くしたりすると、達成重量損失は同様であるが、測定されたＳＳＡは異なっていた。例えば、ＲＤ−１１１−１ＡＣ４及びＲＤ−１１１−２−ＡＣ２を９５０℃で７４分にわたって活性化させると、達成重量損失はそれぞれ５５．５％及び５２．２％であった。９５０℃で５５分間という、より低い活性化設定でも、同様の結果が得られた（３９．８％及び３８．５％）。しかしながら、所与の重量損失に対し、達成比表面積は異なるものになった（図１７）。
ゆっくりの凍結で作成された炭素材料は、電力性能が低かった。いかなる理論にも拘束されることを望むものではないが、本出願者らは、このように電力性能が低い原因は、これらの炭素材料にメソ細孔が欠落していることであろうと考えている。
また、このメソ細孔の欠落は、表１５に示されているように、これらの炭素材料のタップ密度が高く、総細孔容積が低いことの一因になっていると考えられる。

Figure 2014511322
実施例１２
別の炭素材料の作成
以下の説明に従って、（数ある中でも特に）鉛酸蓄電池用途に有用な炭素材料（「炭素９」）を作成した。アンモニウムアセテート触媒の存在下の水／酢酸溶媒（８０：２０）中でレゾルシノール及びホルムアルデヒド（０．５：１）を重合することにより、ポリマーゲルを作成した。得られたポリマーの、溶媒に対する比は０．３であった。触媒に対するレゾルシノールの比（Ｒ／Ｃ）は２５であった。この反応混合物をゲル化させるべく高温下に置いて（４５℃で約６時間インキュベートし、その後、８５℃で約２４時間インキュベートして）、ポリマーゲルを作成した。砕岩機を用い、穴サイズが３／４インチのふるいにかけて、ポリマーゲルからポリマーゲル粒子を作成した。この粒子を、液体窒素に浸漬して瞬間凍結させ、３ｇ／ｉｎ２から７ｇ／ｉｎ２の荷重で凍結乾燥機のトレイに載せ、約５０ｍＴｏｒｒから約１５０ｍＴｏｒｒで凍結乾燥させた。（生成物が棚温度の２℃以内に達する時間から推論される）乾燥時間は、凍結乾燥機の棚の生成物荷重に応じて変えた。
ポリマーゲルを乾燥させた際の質量損失は、約７２％であった。乾燥ポリマーゲルの表面積を計算すると、６９１ｍ２／ｇであった。総細孔容積は、１．０５ｃｃ／ｇであり、タップ密度は、０．３２ｇ／ｃｃであった。上述の乾燥条件（例えば、圧力、温度、時間、その他）を変えることにより、様々な特性（例えば、表面積、細孔構造、その他）を備えた乾燥ポリマーゲル材料を作成することが可能である。
に従って作成された乾燥ポリマーゲルを、２００Ｌ／ｈの窒素ガス流の下、９００℃の回転炉に通して熱分解した。この熱分解乾燥ポリマーゲルの表面積を、表面積多孔度アナライザを使用して、窒素表面積分析により調べた。標準的なＢＥＴ手法を用いて測定した比表面積は、７３７ｍ２／ｇであった。総細孔容積は０．６４ｃｃ／ｇであった。上述の熱分解条件（例えば、温度、時間、その他）を変えることにより、様々な特性（例えば、表面積、細孔構造、その他）を備えた炭素材料を作成することが可能である。
図１８は、各種炭素材料の細孔サイズ分布を重ね合わせたものを示す。なお、活性炭の細孔サイズ分布の測定は、Ｍｉｃｒｏｍｅｒｉｔｉｃｓ ＡＳＡＰ２０２０で実施した。これは、乾燥ポリマーゲルの細孔サイズ分布の測定に用いたＴｒｉｓｔａｒ ３０２０より分解能が高い（より小さい細孔サイズ容積を検出する）ミクロ細孔対応アナライザである。
活性炭材料についてのＤＦＴ累積容積プロットから、細孔容積の約４０％がミクロ細孔内に存在し、細孔容積の約６０％がメソ細孔内に存在することが判明した。上述の活性化条件（例えば、温度、時間、その他）を変えることにより、様々な特性（例えば、表面積、細孔構造、その他）を備えた炭素材料を作成することが可能である。
作成された熱分解炭素を、実生産スケールの１５インチ径のジェットミルを用いてジェットミル処理した。ジェットミル処理後の平均粒子サイズは、約４ミクロンから約７ミクロンであった。炭素１の特性を、表１６にまとめた。表１７は、前述の手順に従って作成された様々な炭素実施形態の特性の範囲をまとめたものである。

Figure 2014511322
実施例１３
別の炭素材料の作成
以下の説明に従って、エネルギ密度が増加し、電力性能のバランスがとれた炭素材料（「炭素１２」）を作成した。アンモニウムアセテート触媒の存在下の水／酢酸溶媒（８０：２０）中でレゾルシノール及びホルムアルデヒド（０．５：１）を重合することにより、ポリマーゲルを作成した。得られたポリマーの、溶媒に対する比は０．３であった。触媒に対するレゾルシノールの比（Ｒ／Ｃ）は２５であった。この反応混合物をゲル化させるべく高温下に置いて（４５℃で約６時間インキュベートし、その後、８５℃で約２４時間インキュベートして）、ポリマーゲルを作成した。砕岩機を用い、穴サイズが３／４インチのふるいにかけて、ポリマーゲルからポリマーゲル粒子を作成した。この粒子を、３ｇ／ｉｎ２から７ｇ／ｉｎ２の荷重で凍結乾燥機のトレイに載せ、凍結乾燥機の棚で凍結させ、−３０℃を下回るまで凍結させた。この凍結粒子を、約５０ｍＴｏｒｒで凍結乾燥させた。（生成物が棚温度の２℃以内に達する時間から推論される）乾燥時間は、凍結乾燥機の棚の生成物荷重に応じて変えた。実生産スケールで、−３０℃の冷却室にある凍結乾燥トレイにポリマーゲル粒子を載せ、２４時間にわたって凍結させた。これらの凍結粒子を、約１２０ｍＴｏｒｒで凍結乾燥させた。（生成物が棚温度の２℃以内に達する時間から推論される）乾燥時間は、凍結乾燥機の棚の生成物荷重に応じて変えた。
ポリマーゲルを乾燥させた際の質量損失は、７４．１％であった。乾燥ポリマーゲルの表面積を計算すると、５１５ｍ２／ｇであった。総細孔容積は、０．３９ｃｃ／ｇであり、タップ密度は、０．２２ｇ／ｃｃであった。異なる２つのバッチの乾燥ポリマーゲルの細孔サイズ分布を、図１９に示す。これは、凍結乾燥パラメーターを変更した場合の物理特性の範囲を示している。
前述の手順に従って作成された乾燥ポリマーゲルを、４００Ｌ／ｈの窒素ガス流の下、６２５℃の回転炉に通して熱分解した。実生産スケールで、前述の手順に従って作成された乾燥ポリマーゲルを、３つの加熱区画（６８５℃、７５０℃、及び８５０℃）が設定された回転炉に通して熱分解した。
この、６２５℃の炉に通して熱分解した熱分解乾燥ポリマーゲルの表面積を、表面積多孔度アナライザを使用して、窒素表面積分析により調べた。標準的なＢＥＴ手法を用いて測定した比表面積は、６２２ｍ２／ｇであった。総細孔容積は０．３３ｃｃ／ｇであった。この、３つの加熱区画（６８５℃、７５０℃、及び８５０℃）が設定された回転炉に通して熱分解した熱分解乾燥ポリマーゲルの表面積を、表面積多孔度アナライザを使用して、窒素表面積分析により調べた。標準的なＢＥＴ手法を用いて測定した比表面積は、５８８ｍ２／ｇであった。総細孔容積は０．２５ｃｃ／ｇであった。上述の熱分解条件（例えば、温度、時間、その他）を変えることにより、様々な特性（例えば、表面積、細孔構造、その他）を備えた炭素材料を作成することが可能である。
前述の方法に従って作成された熱分解炭素材料を、ＣＯ２下の９００℃のバッチ式回転炉で約８４０分にわたって活性化させた。これによる総重量損失は５０％であった。別の例では、前述の方法に従って作成された熱分解炭素材料を、ＣＯ２下の９２５℃の流動床反応器で活性化させた。
前述のようにバッチ式回転炉で生成された活性炭の表面積を、表面積多孔度アナライザを使用して、窒素表面積分析により調べた。ＢＥＴ手法を用いて測定した比表面積は、１８５７ｍ２／ｇであった。総細孔容積は０．８７ｃｃ／ｇであり、タップ密度は０．４１ｇ／ｃｃであった。流動床反応器を使用した２番目の例では、得られた材料を窒素収着分析でも測定した。ＢＥＴ手法を用いて測定した比表面積は、２０４６ｍ２／ｇであった。総細孔容積は１．０３ｃｃ／ｇであった。
図２０は、前述の両活性化条件での活性炭材料の細孔サイズ分布の例を示す。なお、活性炭の細孔サイズ分布の測定は、Ｍｉｃｒｏｍｅｒｉｔｉｃｓ ＡＳＡＰ２０２０で実施した。これは、乾燥ポリマーゲルの細孔サイズ分布の測定に用いたＴｒｉｓｔａｒ ３０２０より分解能が高い（より小さい細孔サイズ容積を検出する）ミクロ細孔対応アナライザである。
活性炭材料についてのＤＦＴ累積容積プロットから、細孔容積の８０％がミクロ細孔内に存在し、細孔容積の２０％がメソ細孔内に存在することが判明した。図２０に示された、活性炭材料の２番目の例では、細孔容積の７０％がミクロ細孔内に存在し、細孔容積の３０％がメソ細孔内に存在することが判明した。上述の活性化条件（例えば、温度、時間、その他）を変えることにより、様々な特性（例えば、表面積、細孔構造、その他）を備えた炭素材料を作成することが可能である。
作成された活性炭を、Ｊｅｔ Ｐｕｌｖｅｒｉｚｅｒ Ｍｉｃｒｏｎ Ｍａｓｔｅｒ ２インチ径ジェットミルを用いてジェットミル処理した。実生産スケールでは、１５インチ径のジェットミルを使用した。ジェットミル処理後の平均粒子サイズは、約４ミクロンから約７ミクロンであった。
熱処理工程で、エレベーター炉内にある炭素を窒素ガス下で９００℃で１時間にわたって加熱することにより、活性炭の表面にある化学種を取り出した。処理済みの炭素についてｐＨを測定したところ、７．９であった。これは、表面官能基を含む酸素が不足していることを示している。前述の方法で作成された各種炭素の特性を、表１８にまとめた。
実施例１４
別の炭素材料の作成
以下の説明に従って、エネルギ密度が増加し、電力性能のバランスがとれた炭素材料（「炭素１３」）を作成した。アンモニウムアセテート触媒の存在下の水／酢酸溶媒（８０：２０）中でレゾルシノール及びホルムアルデヒド（０．５：１）を重合することにより、ポリマーゲルを作成した。得られたポリマーの、溶媒に対する比は０．３であった。触媒に対するレゾルシノールの比（Ｒ／Ｃ）は２５であった。この反応混合物をゲル化させるべく高温下に置いて（４５℃で約６時間インキュベートし、その後、８５℃で約２４時間インキュベートして）、ポリマーゲルを作成した。砕岩機を用い、穴サイズが３／４インチのふるいにかけて、ポリマーゲルからポリマーゲル粒子を作成した。
作成されたポリマーゲル粒子を、４００Ｌ／ｈの窒素ガス流の下、６３５℃の炉に通して熱分解した。
この熱分解乾燥ポリマーゲルの表面積を、表面積多孔度アナライザを使用して、窒素表面積分析により調べた。標準的なＢＥＴ手法を用いて測定した比表面積は、５８５ｍ２／ｇであった。総細孔容積は０．２８ｃｃ／ｇであった。上述の熱分解条件（例えば、温度、時間、その他）を変えることにより、様々な特性（例えば、表面積、細孔構造、その他）を備えた炭素材料を作成することが可能である。
前述の方法に従って作成された熱分解炭素材料を、４インチ流動床反応器で、ＣＯ２下で９００℃で約１５時間にわたって活性化させた。
この活性炭の表面積を、表面積多孔度アナライザを使用して、窒素表面積分析により調べた。ＢＥＴ手法を用いて測定した比表面積は、２５２９ｍ２／ｇであった。総細孔容積は１．１５ｃｃ／ｇであり、タップ密度は０．３６ｇ／ｃｃであった。
活性炭材料についてのＤＦＴ累積容積プロットから、細孔容積の６８％がミクロ細孔内に存在し、細孔容積の３２％がメソ細孔内に存在することが判明した。上述の活性化条件（例えば、温度、時間、その他）を変えることにより、様々な特性（例えば、表面積、細孔構造、その他）を備えた炭素材料を作成することが可能である。
作成された活性炭を、Ｊｅｔ Ｐｕｌｖｅｒｉｚｅｒ Ｍｉｃｒｏｎ Ｍａｓｔｅｒ ２インチ径ジェットミルを用いてジェットミル処理した。ジェットミル処理後の平均粒子サイズは、約４ミクロンから約７ミクロンであった。
実施例１５
各種炭素材料の特性
前述の概略手順に従えば、様々な特性を有する炭素材料を作成することが可能である。表１７は、既述の各例に従って作成された炭素材料の特性をまとめたものである。

Figure 2014511322
前述の各種実施形態を組み合わせて、更なる実施形態を提供することが可能である。本明細書で参照されているか、かつ／又は、出願データシートに列挙されている米国特許、米国特許出願公開、米国特許出願、外国特許、外国特許出願、及び非特許刊行物はいずれも、参照によってそれぞれの全内容が本明細書に組み込まれている。各種の特許、出願、及び刊行物の概念を用いて更に別の実施形態を提供するために、本実施形態の各態様を必要に応じて修正してよい。これら及び他の変更は、前述の詳細説明を踏まえて、各実施形態に施してよい。一般に、添付の特許請求項において用いられている文言は、特許請求項を、本明細書及び特許請求項で開示されている特定の実施形態に限定するものであると解釈されてはならず、あらゆる可能な実施形態、ならびにそのような特許請求項に権利が付与される等価物の全範囲を包含するものであると解釈されたい。従って、特許請求の範囲は、本開示によって限定されるものではない。

Claims (82)

  1. 細孔構造を備えた炭素材料であって、前記細孔構造は、ミクロ細孔、メソ細孔、及び総細孔容積を備え、前記総細孔容積の４０％から９０％がミクロ細孔内に存在し、前記総細孔容積の１０％から６０％がメソ細孔内に存在し、前記総細孔容積の１０％未満が２０ｎｍ超の細孔内に存在する、炭素材料。
  2. 請求項１に記載の炭素材料において、前記総細孔容積の４０％から５０％がミクロ細孔内に存在し、前記総細孔容積の５０％から６０％がメソ細孔内に存在することを特徴とする炭素材料。
  3. 請求項１に記載の炭素材料において、前記総細孔容積の４３％から４７％がミクロ細孔内に存在し、前記総細孔容積の５３％から５７％がメソ細孔内に存在することを特徴とする炭素材料。
  4. 請求項１に記載の炭素材料において、前記総細孔容積の約４５％がミクロ細孔内に存在し、前記総細孔容積の約５５％がメソ細孔内に存在することを特徴とする炭素材料。
  5. 請求項１に記載の炭素材料において、前記総細孔容積の４０％から８５％がミクロ細孔内に存在し、前記総細孔容積の１５％から４０％がメソ細孔内に存在することを特徴とする炭素材料。
  6. 請求項１に記載の炭素材料において、前記総細孔容積の７５％から８５％がミクロ細孔内に存在し、前記総細孔容積の１５％から２５％がメソ細孔内に存在することを特徴とする炭素材料。
  7. 請求項１に記載の炭素材料において、前記総細孔容積の６５％から７５％がミクロ細孔内に存在し、前記総細孔容積の２５％から３５％がメソ細孔内に存在することを特徴とする炭素材料。
  8. 請求項１に記載の炭素材料において、前記総細孔容積の約８０％がミクロ細孔内に存在し、前記総細孔容積の約２０％がメソ細孔内に存在することを特徴とする炭素材料。
  9. 請求項１に記載の炭素材料において、前記総細孔容積の５％未満が２０ｎｍ超の細孔内に存在することを特徴とする炭素材料。
  10. 請求項１に記載の炭素材料において、プロトン励起Ｘ線放射分析法で測定される、１１から９２までの範囲の原子番号を有する元素の総不純物含有量が５００ｐｐｍ未満であることを特徴とする炭素材料。
  11. 請求項１に記載の炭素材料において、プロトン励起Ｘ線放射分析法で測定される、１１から９２までの範囲の原子番号を有する元素の総不純物含有量が２００ｐｐｍ未満であることを特徴とする炭素材料。
  12. 請求項１に記載の炭素材料において、プロトン励起Ｘ線放射分析法で測定される、１１から９２までの範囲の原子番号を有する元素の総不純物含有量が１００ｐｐｍ未満であることを特徴とする炭素材料。
  13. 請求項１に記載の炭素材料において、プロトン励起Ｘ線放射分析法で測定される、１１から９２までの範囲の原子番号を有する元素の総不純物含有量が５０ｐｐｍ未満であることを特徴とする炭素材料。
  14. 請求項１に記載の炭素材料において、プロトン励起Ｘ線放射分析法のデータから計算される、前記炭素材料の灰分が０．０３％未満であることを特徴とする炭素材料。
  15. 請求項１に記載の炭素材料において、プロトン励起Ｘ線放射分析法のデータから計算される、前記炭素材料の灰分が０．０１％未満であることを特徴とする炭素材料。
  16. 請求項１に記載の炭素材料において、プロトン励起Ｘ線放射分析法のデータから計算される、前記炭素材料の灰分が０．００１％未満であることを特徴とする炭素材料。
  17. 請求項１に記載の炭素材料において、燃焼分析及びプロトン励起Ｘ線放射分析法で測定される、少なくとも９５重量％の炭素を含むことを特徴とする炭素材料。
  18. 請求項１に記載の炭素材料において、プロトン励起Ｘ線放射分析法で測定される、１０ｐｐｍ未満の鉄を含むことを特徴とする炭素材料。
  19. 請求項１に記載の炭素材料において、プロトン励起Ｘ線放射分析法で測定される、３ｐｐｍ未満のニッケルを含むことを特徴とする炭素材料。
  20. 請求項１に記載の炭素材料において、プロトン励起Ｘ線放射分析法で測定される、３０ｐｐｍ未満の硫黄を含むことを特徴とする炭素材料。
  21. 請求項１に記載の炭素材料において、プロトン励起Ｘ線放射分析法で測定される、１ｐｐｍ未満のクロムを含むことを特徴とする炭素材料。
  22. 請求項１に記載の炭素材料において、プロトン励起Ｘ線放射分析法で測定される、１ｐｐｍ未満の銅を含むことを特徴とする炭素材料。
  23. 請求項１に記載の炭素材料において、プロトン励起Ｘ線放射分析法で測定される、１ｐｐｍ未満の亜鉛を含むことを特徴とする炭素材料。
  24. 請求項１に記載の炭素材料において、プロトン励起Ｘ線放射分析法で測定される、１００ｐｐｍ未満のナトリウム、１００ｐｐｍ未満のシリコン、１０ｐｐｍ未満の硫黄、２５ｐｐｍ未満のカルシウム、１０ｐｐｍ未満の鉄、２ｐｐｍ未満のニッケル、１ｐｐｍの銅、１ｐｐｍ未満のクロム、５０ｐｐｍ未満のマグネシウム、１０ｐｐｍ未満のアルミニウム、２５ｐｐｍ未満のリン、５ｐｐｍ未満の塩素、２５ｐｐｍ未満のカリウム、２ｐｐｍ未満のチタン、２ｐｐｍ未満のマンガン、０．５ｐｐｍ未満のコバルト、及び５ｐｐｍ未満の亜鉛を含み、１１から９２までの範囲の原子番号を有する他の全ての元素がプロトン励起Ｘ線放射分析法では検出されないことを特徴とする炭素材料。
  25. 請求項１に記載の炭素材料において、プロトン励起Ｘ線放射分析法で測定される、５０ｐｐｍ未満のナトリウム、５０ｐｐｍ未満のシリコン、３０ｐｐｍ未満の硫黄、１０ｐｐｍ未満のカルシウム、１０ｐｐｍ未満の鉄、１ｐｐｍ未満のニッケル、１ｐｐｍ未満の銅、１ｐｐｍ未満のクロム、及び１ｐｐｍ未満の亜鉛を含むことを特徴とする炭素材料。
  26. 請求項１に記載の炭素材料において、燃焼分析で測定される、３．０％未満の酸素、０．１％未満の窒素、及び０．５％未満の水素を含むことを特徴とする炭素材料。
  27. 請求項１に記載の炭素材料において、燃焼分析で測定される、１．０％未満の酸素を含むことを特徴とする炭素材料。
  28. 請求項１に記載の炭素材料において、熱分解ポリマー冷却ゲルを含むことを特徴とする炭素材料。
  29. 請求項１に記載の炭素材料において、活性化ポリマー冷却ゲルを含むことを特徴とする炭素材料。
  30. 請求項１に記載の炭素材料において、ＢＥＴ比表面積が少なくとも５００ｍ２／ｇであることを特徴とする炭素材料。
  31. 請求項１に記載の炭素材料において、ＢＥＴ比表面積が少なくとも１５００ｍ２／ｇであることを特徴とする炭素材料。
  32. 請求項１に記載の炭素材料において、ＢＥＴ比表面積が少なくとも２０００ｍ２／ｇであることを特徴とする炭素材料。
  33. 請求項１に記載の炭素材料において、細孔容積が少なくとも０．６０ｃｃ／ｇであることを特徴とする炭素材料。
  34. 請求項１に記載の炭素材料において、細孔容積が少なくとも１．００ｃｃ／ｇであることを特徴とする炭素材料。
  35. 請求項１に記載の炭素材料において、細孔容積が少なくとも１．５０ｃｃ／ｇであることを特徴とする炭素材料。
  36. 請求項１に記載の炭素材料において、細孔容積が少なくとも２．００ｃｃ／ｇであることを特徴とする炭素材料。
  37. 細孔構造を備えた炭素材料を含む電極であって、前記細孔構造は、ミクロ細孔、メソ細孔、及び総細孔容積を備え、前記総細孔容積の４０％から９０％がミクロ細孔内に存在し、前記総細孔容積の１０％から６０％がメソ細孔内に存在し、前記総細孔容積の１０％未満が２０ｎｍ超の細孔内に存在することを特徴とする電極。
  38. 請求項２６に記載の電極において、前記炭素材料は、プロトン励起Ｘ線放射分析法で測定される、１１から９２までの範囲の原子番号を有する元素の総不純物含有量が５００ｐｐｍ未満であることを特徴とする電極。
  39. 細孔構造を備えた炭素材料を含むデバイスであって、前記細孔構造は、ミクロ細孔、メソ細孔、及び総細孔容積を備え、前記総細孔容積の４０％から９０％がミクロ細孔内に存在し、前記総細孔容積の１０％から６０％がメソ細孔内に存在し、前記総細孔容積の１０％未満が２０ｎｍ超の細孔内に存在することを特徴とするデバイス。
  40. 請求項４０に記載のデバイスにおいて、ＥＤＬＣ、リチウム炭素電池、亜鉛炭素電池、リチウム空気電池、又は鉛酸蓄電池であることを特徴とするデバイス。
  41. 請求項４０に記載のデバイスにおいて、
    ａ）それぞれが前記炭素材料を含む正電極及び負電極と、
    ｂ）不活性多孔性セパレータと、
    ｃ）電解質と、を備える電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）デバイスであって、
    前記正電極及び前記負電極は、前記不活性多孔性セパレータによって互いに隔てられていることを特徴とするデバイス。
  42. 請求項４０に記載のデバイスにおいて、
    ａ）第１の集電子と電気的に接触している第１の活性材料を含む少なくとも１つの正電極と、
    ｂ）第２の集電子と電気的に接触している第２の活性材料を含む少なくとも１つの負電極と、
    ｃ）電解質と、を備える鉛酸蓄電池であって、
    前記正電極及び前記負電極は、不活性多孔性セパレータによって互いに隔てられており、前記第１及び第２の活性材料の少なくとも一方が前記炭素材料を含んでいることを特徴とするデバイス。
  43. 請求項４２に記載のＥＤＬＣデバイスにおいて、重量電力が少なくとも１０Ｗ／ｇであることを特徴とするＥＤＬＣデバイス。
  44. 請求項４２に記載のＥＤＬＣデバイスにおいて、容積電力が少なくとも５Ｗ／ｃｃであることを特徴とするＥＤＬＣデバイス。
  45. 請求項４２に記載のＥＤＬＣデバイスにおいて、重量キャパシタンスが少なくとも１００Ｆ／ｇであることを特徴とするＥＤＬＣデバイス。
  46. 請求項４２に記載のＥＤＬＣデバイスにおいて、容積キャパシタンスが少なくとも１０．０Ｆ／ｃｃであることを特徴とするＥＤＬＣデバイス。
  47. 請求項４２に記載のＥＤＬＣデバイスにおいて、アセトニトリル電解質中のテトラエチルアンモニウム−テトラフルロロボラートの１．８Ｍ溶液及び電流密度０．５Ａ／ｇを用いて、２．７Ｖから０．１Ｖの、５秒の時定数での定電流放電によって測定される重量キャパシタンスが少なくとも１１０Ｆ／ｇであることを特徴とするＥＤＬＣデバイス。
  48. 請求項４２に記載のＥＤＬＣデバイスにおいて、アセトニトリル電解質中のテトラエチルアンモニウム−テトラフルロロボラートの１．８Ｍ溶液及び電流密度０．５Ａ／ｇを用いて、２．７Ｖから０．１Ｖの、５秒の時定数での定電流放電によって測定される容積キャパシタンスが少なくとも１５Ｆ／ｃｃであることを特徴とするＥＤＬＣデバイス。
  49. 請求項４２に記載のＥＤＬＣデバイスにおいて、アセトニトリル電解質中のテトラエチルアンモニウム−テトラフルロロボラートの１．８Ｍ溶液及び電流密度０．５Ａ／ｇを用いて、２．７Ｖから０．１Ｖの定電流放電及び少なくとも０．２４Ｈｚの周波数応答によって測定される重量キャパシタンスが少なくとも１３Ｆ／ｃｃであることを特徴とするＥＤＬＣデバイス。
  50. 請求項４２に記載のＥＤＬＣデバイスにおいて、アセトニトリル電解質中のテトラエチルアンモニウム−テトラフルロロボラートの１．８Ｍ溶液及び電流密度０．５Ａ／ｇを用いて、２．７Ｖから０．１Ｖの定電流放電及び少なくとも０．２４Ｈｚの周波数応答によって測定される重量キャパシタンスが少なくとも１７Ｆ／ｃｃであることを特徴とするＥＤＬＣデバイス。
  51. 請求項４０乃至４３の何れか１項に記載のデバイスにおいて、前記総細孔容積の４３％から４７％がミクロ細孔内に存在し、前記総細孔容積の５３％から５７％がメソ細孔内に存在することを特徴とするデバイス。
  52. 請求項４０乃至４３の何れか１項に記載のデバイスにおいて、前記総細孔容積の８３％から７７％がミクロ細孔内に存在し、前記総細孔容積の１７％から２３％がメソ細孔内に存在することを特徴とするデバイス。
  53. 請求項４０乃至４３の何れか１項に記載のデバイスにおいて、前記炭素材料は、プロトン励起Ｘ線放射分析法で測定される、１１から９２までの範囲の原子番号を有する元素の総不純物含有量が５００ｐｐｍ未満であることを特徴とするデバイス。
  54. 請求項４０乃至４３の何れか１項に記載のデバイスにおいて、前記炭素材料は、プロトン励起Ｘ線放射分析法で測定される、１１から９２までの範囲の原子番号を有する元素の総不純物含有量が２００ｐｐｍ未満であることを特徴とするデバイス。
  55. 請求項４０乃至４３の何れか１項に記載のデバイスにおいて、プロトン励起Ｘ線放射分析法のデータから計算される、前記炭素材料の灰分が０．０３％未満であることを特徴とするデバイス。
  56. 請求項４０乃至４３の何れか１項に記載のデバイスにおいて、前記炭素材料は、燃焼分析及びプロトン励起Ｘ線放射分析法で測定される、少なくとも９５％の炭素を含むことを特徴とするデバイス。
  57. 請求項４０乃至４３の何れか１項に記載のデバイスにおいて、前記炭素材料は、プロトン励起Ｘ線放射分析法で測定される、１０ｐｐｍ未満の鉄を含むことを特徴とするデバイス。
  58. 請求項４０乃至４３の何れか１項に記載のデバイスにおいて、前記炭素材料は、プロトン励起Ｘ線放射分析法で測定される、３ｐｐｍ未満のニッケルを含むことを特徴とするデバイス。
  59. 請求項４０乃至４３の何れか１項に記載のデバイスにおいて、前記炭素材料は、プロトン励起Ｘ線放射分析法で測定される、３０ｐｐｍ未満の硫黄を含むことを特徴とするデバイス。
  60. 請求項４０乃至４３の何れか１項に記載のデバイスにおいて、前記炭素材料は、プロトン励起Ｘ線放射分析法で測定される、１ｐｐｍ未満のクロムを含むことを特徴とするデバイス。
  61. 請求項４０乃至４３の何れか１項に記載のデバイスにおいて、前記炭素材料は、プロトン励起Ｘ線放射分析法で測定される、１ｐｐｍ未満の銅を含むことを特徴とするデバイス。
  62. 請求項４０乃至４３の何れか１項に記載のデバイスにおいて、前記炭素材料は、プロトン励起Ｘ線放射分析法で測定される、１ｐｐｍ未満の亜鉛を含むことを特徴とするデバイス。
  63. 請求項４０乃至４３の何れか１項に記載のデバイスにおいて、前記総細孔容積の５％未満が２０ｎｍ超の細孔内に存在することを特徴とするデバイス。
  64. 請求項４０乃至４３の何れか１項に記載のデバイスにおいて、前記炭素材料は活性化ポリマー冷却ゲルを含むことを特徴とするデバイス。
  65. 請求項４０乃至４３の何れか１項に記載のデバイスにおいて、前記炭素材料は、ＢＥＴ比表面積が少なくとも５００ｍ２／ｇであることを特徴とするデバイス。
  66. 請求項４０乃至４３の何れか１項に記載のデバイスにおいて、前記炭素材料は、ＢＥＴ比表面積が少なくとも１５００ｍ２／ｇであることを特徴とするデバイス。
  67. 請求項４０乃至４３の何れか１項に記載のデバイスにおいて、前記炭素材料は、ＢＥＴ比表面積が少なくとも２０００ｍ２／ｇであることを特徴とするデバイス。
  68. 細孔構造を備えた炭素材料の作成方法であって、前記細孔構造は、ミクロ細孔、メソ細孔、及び総細孔容積を備え、前記総細孔容積の４０％から９０％がミクロ細孔内に存在し、前記総細孔容積の１０％から６０％がメソ細孔内に存在し、前記総細孔容積の１０％未満が２０ｎｍ超の細孔内に存在する方法であって、揮発性塩基触媒が存在する酸性条件下で１つ以上のポリマー前駆物質を反応させてポリマーゲルを得るステップを含むことを特徴とする方法。
  69. 請求項６９に記載の方法において、前記総細孔容積の４３％から４７％がミクロ細孔内に存在し、前記総細孔容積の５３％から５７％がメソ細孔内に存在することを特徴とする方法。
  70. 請求項６９に記載の方法において、前記総細孔容積の８３％から７７％がミクロ細孔内に存在し、前記総細孔容積の１７％から２３％がメソ細孔内に存在することを特徴とする方法。
  71. 請求項６９に記載の方法において、前記１つ以上のポリマー前駆物質を、酢酸及び水を含む溶媒と混合するステップを更に含むことを特徴とする方法。
  72. 請求項６９に記載の方法において、前記揮発性塩基触媒は、アンモニウムカーボネート、アンモニウムバイカーボネート、アンモニウムアセテート、水酸化アンモニウム、又はこれらの組み合わせを含むことを特徴とする方法。
  73. 請求項６９に記載の方法において、前記１つ以上のポリマー前駆物質は、レゾルシノール及びホルムアルデヒドを含むことを特徴とする方法。
  74. 請求項６９に記載の方法において、
    （ａ）前記ポリマーゲルを凍結乾燥させてポリマー冷却ゲルを得るステップと、
    （ｂ）前記ポリマー冷却ゲルを熱分解して熱分解冷却ゲルを得るステップと、
    （ｃ）前記熱分解冷却ゲルを活性化させて活性炭材料を得るステップと、
    を更に含むことを特徴とする方法。
  75. 細孔構造を備えた炭素材料であって、前記細孔構造は、ミクロ細孔、メソ細孔、及び総細孔容積を備え、前記総細孔容積の２０％から５０％がミクロ細孔内に存在し、前記総細孔容積の５０％から８０％がメソ細孔内に存在し、前記総細孔容積の１０％未満が２０ｎｍ超の細孔内に存在することを特徴とする炭素材料。
  76. 請求項７６に記載の炭素材料において、前記総細孔容積の２０％から４０％がミクロ細孔内に存在し、前記総細孔容積の６０％から８０％がメソ細孔内に存在することを特徴とする炭素材料。
  77. 請求項７６に記載の炭素材料において、前記総細孔容積の２５％から３５％がミクロ細孔内に存在し、前記総細孔容積の６５％から７５％がメソ細孔内に存在することを特徴とする炭素材料。
  78. 請求項７６に記載の炭素材料において、前記総細孔容積の約３０％がミクロ細孔内に存在し、前記総細孔容積の約７０％がメソ細孔内に存在することを特徴とする炭素材料。
  79. 請求項７６に記載の炭素材料において、前記総細孔容積の３０％から５０％がミクロ細孔内に存在し、前記総細孔容積の５０％から７０％がメソ細孔内に存在することを特徴とする炭素材料。
  80. 請求項７６に記載の炭素材料において、前記総細孔容積の３５％から４５％がミクロ細孔内に存在し、前記総細孔容積の５５％から６５％がメソ細孔内に存在することを特徴とする炭素材料。
  81. 請求項７６に記載の炭素材料において、前記総細孔容積の約４０％がミクロ細孔内に存在し、前記総細孔容積の約６０％がメソ細孔内に存在することを特徴とする炭素材料。
  82. 請求項７６に記載の炭素材料において、前記総細孔容積の５％未満が２０ｎｍ超の細孔内に存在することを特徴とする炭素材料。
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