JP2016507446A - ポリマ樹脂および炭素材料の調製 - Google Patents

ポリマ樹脂および炭素材料の調製 Download PDF

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Abstract

炭素材料を作るための方法が提供される。少なくとも１つの具体的な実施形態では、方法は、１つ以上のポリマ前駆体を１つ以上の液体と組み合わせて混合物を作る工程を含み得る。混合物は、エマルション、分散液、または懸濁液であり得る。液体は、ヘキサン、ペンタン、シクロペンタン、ベンゼン、トルエン、ｏ−キシレン、ｍ−キシレン、ｐ−キシレン、ジエチルエーテル，エチルメチルケトン、ジクロロメタン、テトラヒドロフラン、鉱物油、パラフィンオイル、植物系の油、またはそれらの任意の混合物を含み得る。方法は、ポリマ前駆体が反応して１ｍｍ以上のゲル形態のポリマ粒子の体積平均粒径（Ｄｖ，５０）を有するポリマゲル粒子を形成するのに十分な温度および時間で、混合物をエージングする工程も含み得る。方法は、ポリマゲル粒子を加熱して炭素材料を作る工程も含み得る。

Description

関連出願の相互参照
本願は、２０１２年１１月２６日出願のシリアル番号６１／７２９，９６７を有する米国仮特許出願の優先権を主張し、これは参照によって本明細書に援用される。
本明細書において開示される実施形態は、全体として、ポリマ樹脂材料を作るための方法およびそれから炭素材料を作るための方法に関する。
活性炭は、蓄給電装置に一般的に用いられている。活性炭の表面積、導電性、および細孔性は、望ましい電気化学的性能を有する電気デバイスの設計を可能にする。電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣまたは「ウルトラキャパシタ」）はかかるデバイスの一例である。ＥＤＬＣは活性炭材料から調製された電極と適当な電解質とを多くの場合に有し、より一般的なキャパシタと比較して極めて高いエネルギー密度を有する。ＥＤＬＣの通常の用途は、データ伝送用の出力の短時間のバーストまたはピーク出力機能を必要とするデバイス、例えば無線モデム、携帯電話、デジタルカメラ、および他の携帯型電子デバイスにおけるエネルギーの蓄蔵および供給を含む。ＥＤＬＣは、電動輸送車両、例えば電気自動車、電車、電気バスなどにも一般的に用いられている。
電池は、多くの場合に活性炭材料を（例えば、アノード材料、集電体、または導電性向上剤として）含有する、もう１つの一般的なエネルギーの蓄蔵および供給のデバイスである。例えば、リチウムでインターカレーションされた炭素質アノードを有するリチウム／炭素電池は、有望なエネルギー蓄蔵デバイスの代表である。炭素含有電池の他の種類は、リチウム・空気電池（これは、空気電極の集電体として細孔性炭素を用いる）および鉛酸電池（これは、多くの場合に、アノードまたはカソードの一方に炭素添加物を含む）を含む。電池は、（ＥＤＬＣの高い電流密度と比較して）低い電流密度の電力を必要とするいくつもの電子デバイスに用いられている。
ＥＤＬＣおよび炭素を用いた電池の１つの公知の制約は、高温、高電圧作動、繰り返される充放電サイクル、および／またはエージング時における低下した性能である。この低下した性能は、少なくとも部分的には、電解質の不純物または炭素電極そのものの中の不純物が電解質／電極界面において電極の劣化を引き起こすということに帰せられて来た。したがって、より高純度の炭素材料から調製される電極を備えるＥＤＬＣおよび／または電池は、既存のデバイスよりも高い電圧でより長時間、より高温で作動させられ得ることが示唆されている。
純度に加えて、炭素含有電気デバイスのもう１つの公知の制約は、活性炭の細孔構造そのものである。活性炭材料は通常は高度な細孔性を備えているが、細孔径分布は、電気エネルギーの蓄蔵および供給デバイスへの使用向けに最適化されてはいない。かかる最適化は、ミクロ細孔およびメソ細孔の両方のブレンドを含み得る。さらに、一部の用途では大きい表面積の炭素材料が望ましいかもしれないが、別の用途では小さい表面積の炭素材料が好ましい。理想的な細孔径分布は、最適化された炭素材料から調製されるデバイスの性能上の各種特性（増大したイオン移動性（すなわち、より低い抵抗）、増大したパワー密度、改善された体積比容量、増大したサイクル寿命の効率を含むが、それらに限定されない）を最大化し得る。
炭素材料を作るための１つの一般的な方法は、既存の炭素含有材料（例えば、ココナッツ繊維またはタイヤゴム）を熱分解することである。これは比較的小さい表面積を有するチャーをもたらし、次に過賦活化されて、所望の用途にとって必要な表面積および細孔性を有する材料を作り得る。かかる手法は、前駆体材料の既存の構造によって本質的に制約されており、最適化されていない細孔構造と１％以上の灰分（例えば金属不純物）とを有する炭素材料を通常はもたらす。
活性炭材料は、薬品賦活（chemical activation）によっても調製され得る。例えば、酸、塩基、または塩（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）による炭素含有材料の処理と、爾後の加熱とは、活性炭材料をもたらす。しかしながら、かかる薬品賦活は、望まれない非炭素元素を比較的高レベルで（洗浄処理後であっても）もたらし、そして、これは電気デバイスの炭素性能を損なうことになる。
大きい表面積の活性炭材料を作るためのもう１つの手法は、炭素含有有機ビルディングブロック（例えばポリマゲル）から合成ポリマを調製する方法である。既存の有機材料と同じく、合成的に調製されたポリマは熱分解および賦活化されて活性炭材料を生ずる。上記の従来の手法とは対照的に、合成的に調製されたポリマに本来備わる細孔性は、より高いプロセス収率をもたらす。なぜなら、より少ない材料が賦活化ステップにおいて失われるからである。かかる方法は実験室または小規模条件には応用可能かもしれないが、合成ポリマによる炭素材料の大量の調製は大規模の場合には制約され得る。例えば、通常得られる固体ポリマゲルのモノリスは、工業的な応用可能性のために必要とされる規模で取り扱うのが困難であり得る（例えば、１つの容器から別の容器への移しかえ、粉砕、磨砕など）。また、重合の発熱性は制御が困難であり得る。したがって、大規模スケールの合成に応用可能な高品質炭素材料の調製のための方法が必要とされている。
当分野においてはかなりの進歩がなされて来たが、炭素材料の調製のための改善された方法の必要が当分野では引き続き存在している。
炭素材料を作るための方法が提供される。少なくとも１つの具体的な実施形態では、方法は、１つ以上のポリマ前駆体を１つ以上の液体と組み合わせて混合物を作る工程を含み得る。混合物はエマルション、分散液、または懸濁液であり得る。液体はヘキサン、ペンタン、シクロペンタン、ベンゼン、トルエン、ｏ−キシレン、ｍ−キシレン、ｐ−キシレン、ジエチルエーテル、エチルメチルケトン、ジクロロメタン、テトラヒドロフラン、鉱物油、パラフィンオイル、植物系の油、またはそれらの任意の混合物を含み得る。方法は、ポリマ前駆体が反応して１ｍｍ以上のゲル形態のポリマ粒子の体積平均粒径（Ｄｖ，５０）を有するポリマゲル粒子を形成するのに十分な温度および時間で、混合物をエージングする工程も含み得る。方法は、ポリマゲル粒子を加熱して炭素材料を作る工程も含み得る。
少なくとも１つの別の具体的な実施形態では、炭素材料を作るための方法は、縮合重合ポリマゲル粒子を加熱して炭素材料を作る工程を含み得る。縮合重合ポリマゲル粒子は、連続相およびポリマ相を含んでなる混合物を調製する工程を含むプロセスによって調製され得る。ポリマ相は１つ以上のポリマ前駆体を含み得る。連続相は、ヘキサン、ペンタン、シクロペンタン、ベンゼン、トルエン、ｏ−キシレン、ｍ−キシレン、ｐ−キシレン、ジエチルエーテル、エチルメチルケトン、ジクロロメタン、テトラヒドロフラン、鉱物油、パラフィンオイル、植物系の油、またはそれらの任意の混合物を含み得る。混合物は、ポリマ前駆体が反応して縮合重合ポリマゲル粒子を形成するのに十分な温度および時間でエージングされ得る。縮合重合ポリマゲル粒子は、１ｍｍ以上の体積平均粒径（Ｄｖ，５０）を有し得る。
少なくとも１つの別の具体的な実施形態では、炭素材料を調製するための方法は、界面活性剤、１つ以上のポリマ前駆体、水、および有機溶媒を混合して、エマルションまたは懸濁液を作る工程を含み得る。界面活性剤および有機溶媒の総重量は、５０ｗｔ％シクロヘキサン未満であり得る。方法は、１つ以上のポリマ前駆体が互いに反応して１ｍｍ以上の体積平均粒径（Ｄｖ，５０）を有する縮合ポリマゲル粒子を形成するのに十分な温度および時間で、エマルションまたは懸濁液をエージングする工程も含み得る。方法は、縮合ポリマゲル粒子を加熱して炭素材料を作る工程も含み得る。
図中において、同一の符合は同様の要素を指す。図面中の要素の大きさおよび相対位置は必ずしも一定の比率で描画されていない。それらの要素の一部は、図の見やすさを良くするために任意に拡大および配置される。さらに、描画された要素の具体的な形状は、その具体的な要素の実際の形状に関して何らかの情報を伝えることを意図されておらず、専ら図面の判別し易さのために選択されたものである。
凍結乾燥ゲルのＮ２吸収等温線を示す。 活性炭試料のＮ２吸収等温線を示す。 凍結乾燥ゲルのＮ２吸収等温線を示すグラフである。 乾燥ゲルの細孔径分布を示す。 賦活化時の重量損失を示す棒グラフである。 活性炭試料のＮ２吸収等温線を示す。 活性炭の細孔径分布ＤＦＴを示す。 ＲＤ−５３８凍結乾燥ゲルの細孔容積分布のグラフである。 活性炭試料のＮ２吸収等温線を示す。 活性炭の細孔径分布を示す。 凍結乾燥ゲルの細孔容積分布を示す。 活性炭の細孔径分布のグラフである。 活性炭試料の窒素吸収等温線を示す。 活性炭試料の細孔径データである。 活性炭試料の窒素吸収等温線を示す。 凍結乾燥ゲルの窒素吸収等温線を示すグラフである。 活性炭試料の窒素吸収等温線を示す。 活性炭の細孔径分布を示す。 尿素−ホルムアルデヒドエマルションのＴＧＡデータを示す。 尿素−ホルムアルデヒド系の炭素材料の電気化学的性能を示す。 ケイ素−炭素複合材料の電気化学的性能を示す。 ゲルおよび炭素材料の粒径分布を示す。 球状ゲル粒子を示す写真である。 球状炭素材料粒子を示す写真である。
以下の説明においては、種々の実施形態の完全な理解を提供するために、特定の具体的な詳細が記載される。しかしながら、当業者には当然のことながら、本発明はそれらの詳細無しでも実施され得る。他の場合には、実施形態の説明を不必要に分かりにくくすることのないように、周知の構造が詳細に提示または説明されてはいない。文脈が別段に要求しない限り、本明細書およびその後の特許請求の範囲において、用語「含む、含んでなる、備える（comprise）」およびその変形、例えば「comprises」および「comprising」は、開放的で包括的な意味で、すなわち「含むが、それらに限定されない」として理解されるべきものである。さらに、本明細書に記載の見出しは専ら便宜のためであって、請求される発明の範囲または意味を解釈しているものではない。
本明細書における「１つの実施形態」または「一実施形態」への言及は、その実施形態に関連して記載される具体的な特徴、構造、または特質が、少なくとも１つの実施形態に含まれるということを意味する。したがって、本明細書の種々の箇所における語句「１つの実施形態では」または「一実施形態では」の出現は、必ずしも全てが同一の実施形態を指しているわけではない。さらに、その具体的な特徴、構造、または特質は、１つ以上の実施形態において任意の適当な方法で組み合わされ得る。さらに、本明細書および添付の特許請求の範囲において用いられる場合、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、内容が明らかに別段に示していない限りは複数の指示物を包含する。なお、用語「または」は、内容が明らかに別段に示していない限りは「および／または」を包含するその意味で通常は用いられる。
定義
本明細書において用いられる場合、文脈が別段に示していない限り、次の用語は以下に記載の意味を有する。
「炭素材料」は、実質的に炭素（例えば、重量基準で９０％超、９５％超、９９％超、または９９．９％超の炭素）からなる材料または物質を指す。炭素材料は、超高純度並びに非晶質および結晶質炭素材料を包含する。一部の炭素材料は電気化学的調節剤（例えばＳｉまたはＮ）を含んで、デバイスの性能を調節し（例えば向上させ）得る。これは以下により詳細に記載される。炭素材料の例は、活性炭、熱分解された乾燥ポリマゲル、熱分解されたポリマクリオゲル、熱分解されたポリマキセロゲル、熱分解されたポリマエアロゲル、賦活化された乾燥ポリマゲル、賦活化されたポリマクリオゲル、賦活化されたポリマキセロゲル、賦活化されたポリマエアロゲルなどを含み得るが、それらに限定されない。
「電気化学的調節剤」は、炭素材料の電気化学的性能を調節する（例えば向上または減少させる）任意の化学元素、化学元素を含む化合物、または異なる化学元素および／もしくは化合物同士の任意の組み合わせを指す。電気化学的調節剤は、炭素材料の抵抗、容量、出力性能、安定性、および他の特性を変更（増大または減少）できる。電気化学的調節剤は、通常は、所望の電気化学的効果を付与する。対照的に、炭素材料中の不純物は通常は望まれず、炭素材料の電気化学的性能を向上させるのではなく低下させがちである。本開示に関する電気化学的調節剤の例は、周期表の１２〜１５族の元素、および他の元素、例えば硫黄、タングステンおよび銀、および、当該元素を含んでなる化合物または酸化物、並びにそれらの組み合わせを包含するが、それらに限定されない。例えば、電気化学的調節剤は、鉛、スズ、アンチモン、ビスマス、ヒ素、タングステン、銀、亜鉛、カドミウム、インジウム、ケイ素、およびそれらの組み合わせ、さらにはそれらの酸化物、およびそれらを含む化合物を包含するが、それらに限定されない。
「１２族」元素は、亜鉛（Ｚｎ）、カドミウム（Ｃｄ）、水銀（Ｈｇ）、およびコペルニシウム（Ｃｎ）を含む。
「１３族」元素は、ホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、およびタリウム（Ｔｌ）を含む。
「１４族」元素は、炭素（Ｃ）、ケイ素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、スズ（Ｓｎ）、および鉛（Ｐｂ）を含む。
「１５族」元素は、窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、およびビスマス（Ｂｉ）を含む。
「非晶質」は、その構成原子、分子、またはイオンがランダムに配置されており規則的な繰返しパターンが無い材料、例えば非晶質炭素材料を指す。非晶質材料は若干の局所的な結晶性（すなわち規則性）を有し得るが、原子の配置の長距離での秩序は欠く。熱分解された炭素材料および／または活性炭材料は、通常は非晶質である。
「結晶質」は、その構成原子、分子、またはイオンが整った繰り返しパターンで配置されている材料を指す。結晶質炭素材料の例はダイヤモンドおよびグラフェンを含むが、これらに限定されない。
「合成」は、天然の供給源からではなく化学的手段によって調製された物質を指す。例えば、合成炭素材料は、天然の供給源から単離されずに前駆体材料から合成されるものである。
「不純物」または「不純物元素」は、母材の化学組成とは異なる母材中の異物（例えば化学元素）を指し、異物は意図的には添加されない。例えば、炭素材料中の不純物は、炭素材料中に存在する炭素以外の任意の元素または複数元素の組み合わせを指す。不純物レベルは通常は百万分率（ｐｐｍ）で表される。
「ＰＩＸＥ不純物」または「ＰＩＸＥ元素」は、１１〜９２の範囲の原子番号を有する任意の不純物元素（すなわちナトリウムからウランまで）である。用語「全ＰＩＸＥ不純物含量」および「全ＰＩＸＥ不純物レベル」は両方とも、試料、例えばポリマゲルまたは炭素材料中に存在するすべてのＰＩＸＥ不純物の合計を指す。ＰＩＸＥ不純物の濃度および同定は、プロトン励起Ｘ線放出法（ＰＩＸＥ）によって決定することができる。
「超高純度」は、０．０５０％未満の全ＰＩＸＥ不純物含量を有する物質を指す。例えば、「超高純度炭素材料」は、０．０５０％（すなわち５００ｐｐｍ）未満の全ＰＩＸＥ不純物含量を有する炭素材料である。
「灰分」は、物質を分解温度にさらした後に残存する不揮発性無機物質を指す。本明細書においては、炭素材料の灰分は、プロトン励起Ｘ線放出法によって測定される全ＰＩＸＥ不純物含量から算出される。ただし、ＰＩＸＥによって検出されるあらゆる元素は完全に変換されて、予想される燃焼生成物（すなわち酸化物）になるものとする。
「ポリマ」は、１つ以上の構造的な繰返し単位からなる巨大分子を指す。
「合成ポリマ前駆体材料」または「ポリマ前駆体」は、合成ポリマの調製に用いられる化合物を指す。ポリマ前駆体は、通常は、他の化合物と組み合わさって（すなわち反応して）ポリマ（例えば縮合ポリマ）を形成し得る化合物である。ポリマ前駆体は、モノマ、さらには部分的に重合したモノマ（すなわち、二量体、オリゴマーなど）を包含する。通常は、ポリマ前駆体は、芳香族または脂肪族のアルコールまたはアミンおよびカルボニル含有化合物（例えば、カルボン酸、ケトン、アルデヒド、イソシアネート、尿素、アミド、酸ハロゲン化物、エステル、活性カルボニル含有化合物など）から選択される。本明細書において開示される調製の一部の実施形態で用いられ得るポリマ前駆体の例は、アルデヒド（すなわち、Ｒが有機基であるＨＣ（＝Ｏ）Ｒ）、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）、フルフラール（フルフルアルデヒド）、グルコース、ベンズアルデヒド、およびシンナムアルデヒドを含むが、これらに限定されない。他の例示的なポリマ前駆体は、フェノールなどのフェノール系化合物およびジヒドロキシまたはトリヒドロキシベンゼンなどのポリヒドロキシベンゼン、例えばレゾルシノール（すなわち１，３−ジヒドロキシベンゼン）、カテコール、ヒドロキノン、およびフロログルシノールを含むが、これらに限定されない。アミン、例えばメラミン、および／または尿素も用いられ得る。２つ以上のポリヒドロキシベンゼンの混合物も、ポリマ前駆体の意味の範囲に含めて考えられる。１つ以上の実施形態では、用語「ポリマ相」および「プレポリマ」は、本明細書において定義される用語「ポリマ前駆体」と同じ意味を有する。
「縮合ポリマ」は、小分子（例えば水）の脱離を伴う１つ以上のポリマ前駆体の反応から生ずるポリマである。例示的な縮合ポリマは、アルコールまたはアミンとカルボニル含有化合物との反応から形成されるポリマを包含するが、それらに限定されない。
「モノリシック」は、本質的に粒子状でない固体の３次元構造を指す。
「ゾル」は、前駆体粒子（例えばポリマ前駆体）のコロイド懸濁液を指す。用語「ゲル」は、前駆体粒子の縮合または反応によって得られる湿潤な３次元の細孔ネットワークを指す。
「ポリマゲル」は、ネットワーク成分がポリマであるゲルを指す。通常は、ポリマゲルは湿潤な（水性または非水性系の）３次元構造であり、これは合成前駆体またはポリマ前駆体から形成されたポリマからなる。
「ゾルゲル」は、ポリマゲルの下位概念であって、ポリマがポリマ前駆体の反応によって得られる湿潤な３次元の細孔ネットワークを形成するコロイド懸濁液であるものである。
「ポリマヒドロゲル」または「ヒドロゲル」は、ポリマゲルまたはゲルの下位概念であって、合成前駆体またはモノマの溶媒が水、または水および１つ以上の水混和性溶媒の混合物であるものである。
「ＲＦポリマヒドロゲル」は、ポリマゲルの下位概念であって、ポリマが、水または水と１つ以上の水混和性溶媒との混合物中におけるレゾルシノールとホルムアルデヒドとの触媒反応によって形成されたものである。
「連続相」は、その中に重合の成分（すなわち、ポリマ前駆体、触媒、酸など）が溶解、懸濁、および／または乳化されている液相を指す。連続相は親水性または疎水性であり得、種々の粘度を有し得る。２つ以上の異なる連続相の混合物も考えられる。任意の数の異なる液体（例えば溶媒）を本発明に関して使用し得、これは本明細書においてより詳細に説明される。
「酸」は、溶液のｐＨを低下させることができる任意の物質を指す。酸は、アレニウス、ブレンステッド、およびルイス酸を包含する。「固体酸」は、溶媒に溶解されたときに酸性溶液をもたらす乾燥または顆粒状化合物を指す。用語「酸性」は、酸の特性を有することを意味する。
「塩基」は、溶液のｐＨを上昇させることができる任意の物質を指す。塩基は、アレニウス、ブレンステッド、およびルイス塩基を包含する。「固体塩基」は、溶媒に溶解されたときに塩基性溶液をもたらす乾燥または顆粒状化合物を指す。「塩基性」の用語は、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指す。２溶媒系（すなわち２つの溶媒を含有する混合溶媒）の例は、水および酢酸、水および蟻酸、水およびプロピオン酸、水および酪酸などを包含するが、これらに限定されない。３溶媒系（すなわち３つの溶媒を含有する混合溶媒）の例は、水、酢酸、およびエタノール；水、酢酸、およびアセトン；水、酢酸、および蟻酸；水、酢酸、およびプロピオン酸などを包含するが、これらに限定されない。本発明は、２つ以上の溶媒を含んでなる全ての混合溶媒系を考える。
「混和性」は、混合物が温度、圧力、および組成のある範囲において単一相を形成する場合の混合物の特性を指す。
「触媒」は、化学反応の速度を変える物質である。触媒は繰り返し的に反応に関与し、したがって触媒は繰返して再生される。本開示はナトリウム不含の触媒を考える。本明細書に記載のポリマゲル（例えば超高純度ポリマゲル）の調製に用いられる触媒は、超高純度ポリマゲルを形成するためのポリマ前駆体の重合を容易にする任意の化合物であり得る。「揮発性触媒」は、大気圧以下において気化する傾向を有する触媒である。例示的な揮発性触媒は、アンモニウム塩、例えば炭酸水素アンモニウム、炭酸アンモニウム、水酸化アンモニウム、およびそれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない。
「溶媒」は、反応物（例えば超高純度ポリマ前駆体）を溶解または懸濁する物質を指し、その中で反応が起こり得る媒体を提供する。本明細書において開示されるゲル、超高純度ポリマゲル、超高純度の合成炭素材料、および超高純度の合成非晶質炭素材料の調製に有用な溶媒の例は、水、アルコール、およびそれらの混合物を包含するが、これらに限定されない。例示的なアルコールは、エタノール、ｔ−ブタノール、メタノール、およびそれらの混合物を包含する。かかる溶媒は、合成の超高純度ポリマ前駆体材料の溶解、例えばフェノール系またはアルデヒド化合物の溶解にとって有用である。さらに、一部のプロセスではかかる溶媒は（凍結および乾燥に先立って）ポリマヒドロゲルの溶媒交換に用いられ、レゾルシノールおよびホルムアルデヒドなどの前駆体の重合からの溶媒が、純粋なアルコールと交換される。本願の一実施形態では、溶媒交換を含まないプロセスによってクリオゲルが調製される。
「％固形分」は、系に添加されたポリマ形成物質（例えば、レゾルシノール、フェノール、ホルムアルデヒド、尿素など）の総量が、モノマ形成物質および液体（例えば、水、酢酸など）の総量によって除算されたものを指す。計算は触媒などを含まない。
「付加的な水（additional water）」は、（プレミックスまたは主溶液の一部として）系に独立して添加される水を指し、所与のモノマの形成に重要な水を包含しない。
「乾燥ゲル」または「乾燥ポリマゲル」はそれぞれ、例えば当分野で公知の方法（例えば、凍結乾燥、噴霧乾燥、減圧乾燥、溶媒抽出など）によってその溶媒（通常は水、または水と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、ゲルまたはポリマゲルを指す。
「熱分解された乾燥ポリマゲル」は、熱分解はされているがまだ賦活化はされていない乾燥ポリマゲルを指す。一方、「賦活化された乾燥ポリマゲル」は、賦活化された乾燥ポリマゲルを指す。
「クリオゲル」は、凍結乾燥によって乾燥された乾燥ゲルを指す。
「ＲＦクリオゲル」は、レゾルシノールおよびホルムアルデヒドの触媒反応からゲルが形成され、凍結乾燥によって乾燥された乾燥ゲルを指す。
「熱分解されたクリオゲル」は、熱分解はされているがまだ賦活化はされていないクリオゲルである。
「賦活化されたクリオゲル」は、活性炭材料を得るために賦活化されたクリオゲルである。
「キセロゲル」は、例えば大気圧以下の風乾によって乾燥された乾燥ゲルを指す。
「熱分解されたキセロゲル」は、熱分解はされたがまだ賦活化はされていないキセロゲルである。
「賦活化されたキセロゲル」は、活性炭材料を得るために賦活化されたキセロゲルである。
「エアロゲル」は、超臨界乾燥によって、例えば超臨界二酸化炭素を用いて乾燥された乾燥ゲルを指す。
「熱分解されたエアロゲル」は、熱分解はされたがまだ賦活化されてはいないエアロゲルである。
「賦活化されたエアロゲル」は、活性炭材料を得るために賦活化されたエアロゲルである。
「有機抽出溶媒」は、ポリマ前駆体の重合が開始した後、通常はポリマヒドロゲルの重合が完了した後にポリマヒドロゲルに加えられる有機溶媒を指す。
「急速多方向凍結」はポリマゲルを凍結するプロセスであって、ポリマゲル粒子をモノリシックなポリマゲルから作り出し、そのポリマゲル粒子を適当に低温の媒体にさらすことによってなされる。低温の媒体は、例えば液体窒素、窒素ガス、または固体二酸化炭素であり得る。急速多方向凍結中には、氷核生成が氷晶成長よりも優位である。適当な低温の媒体は、例えば約−１０℃未満の温度のガス、液体、または固体であり得る。または、適当な低温の媒体は、約−２０℃未満の温度のガス、液体、または固体であり得る。または、適当な低温の媒体は、約−３０℃未満の温度のガス、液体、または固体であり得る。
「賦活化する」および「賦活化」は、それぞれ、「賦活化された」物質（例えば、賦活化クリオゲルまたは活性炭材料）を作るために、酸化雰囲気（例えば、二酸化炭素、酸素、水蒸気、またはそれらの組み合わせ）への曝露中に、賦活化滞留温度において原料または炭化／熱分解した物質を加熱するプロセスを指す。賦活化プロセスは粒子の表面の脱落を通常はもたらし、これは増大した表面積をもたらす。または、賦活化は薬品手段によって達成され得、例えば化学物質（例えば、リン酸などの酸、もしくは水酸化カリウム、水酸化ナトリウムなどの塩基、もしくは塩化亜鉛などの塩）によって炭素含有前駆体材料を含浸した後に、炭化を行うことによってなされる。「賦活化された」とは、賦活化のプロセスを経た材料または物質、例えば炭素材料を指す。
「炭化する」、「熱分解する」、「炭化」、および「熱分解」はそれぞれ、炭素含有物質を熱分解滞留温度において不活性雰囲気（例えば、アルゴン、窒素、またはそれらの組み合わせ）中または減圧中で加熱するプロセスを指し、プロセスの終わりに回収される目標の材料が主に炭素となるようにする。「熱分解された」は、熱分解のプロセスを経た材料または物質、例えば炭素材料を指す。
「滞留温度（dwell temperature）」は、相対的に一定の温度を維持する（すなわち、温度を増大も減少もさせない）ためにあてられたプロセスの一部にある時の、炉の温度を指す。例えば、熱分解温度は、相対的に一定である熱分解中の炉の温度を指す。賦活化滞留温度は、相対的に一定である賦活化中の炉の温度を指す。
「細孔」は、炭素材料、例えば活性炭、熱分解された乾燥ポリマゲル、熱分解されたポリマクリオゲル、熱分解されたポリマキセロゲル、熱分解されたポリマエアロゲル、賦活化された乾燥ポリマゲル、賦活化されたポリマクリオゲル、賦活化されたポリマキセロゲル、賦活化されたポリマエアロゲルなどの、表面の開口もしくは陥没またはトンネルを指す。細孔は単一のトンネルであり得、または構造中の連続的なネットワークとして他のトンネルにつながり得る。
「細孔構造」は、炭素材料、例えば活性炭材料の内部細孔の表面のレイアウトを指す。細孔構造の構成要素は、細孔径、細孔容積、表面積、密度、細孔径分布、および細孔長を含む。通常は、活性炭材料の細孔構造はミクロ細孔およびメソ細孔を含む。例えば、一部の実施形態では、ミクロ細孔対メソ細孔の比は向上した電気化学的性能のために最適化される。
「メソ細孔」は、通常は、２ナノメートル〜５０ナノメートルの範囲の直径を有する細孔を指す。一方、用語「ミクロ細孔」は、２ナノメートル未満の直径を有する細孔を指す。
「表面積」は物質の総比表面積を指し、ＢＥＴ技術によって測定可能である。表面積はｍ２／ｇの単位で通常は表される。ＢＥＴ（ブルナウアー／エメット／テラー）技術は、不活性ガス、例えば窒素を用いて物質上に吸着されたガスの量を測定するものであり、当分野においては材料の利用可能な表面積を測定するために一般的に用いられている。
「つながった」は、メソ細孔およびミクロ細孔に関して用いられるときには、かかる細孔の空間的方向性を指す。
「有効長」は、電解質から塩イオンを受け入れるために利用可能な十分な直径がある細孔の長さの部分を指す。
「電極」は、それを通って電気が物体、物質、または領域に出入りする導体を指す。
「結合剤」は、物質（例えば炭素材料）の個々の粒子を１つにまとめることができる材料を指す。その結果として、結合剤と粒子とを混合した後には、所産の混合物がシート、ペレット、ディスク、または他の形状に成形され得る。一部の実施形態では、電極は、開示される炭素材料および結合剤を含んでなり得る。結合剤の排他的でない例は、フルオロポリマ、例えばＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン。テフロン（登録商標））、ＰＦＡ（ペルフルオロアルコキシポリマ樹脂。テフロンとしても公知）、ＦＥＰ（フッ化エチレンプロピレン。テフロンとしても公知）、ＥＴＦＥ（ポリエチレンテトラフルオロエチレン。ＴｅｆｚｅｌおよびＦｌｕｏｎとして販売）、ＰＶＦ（ポリフッ化ビニル。Ｔｅｄｌａｒとして販売）、ＥＣＴＦＥ（ポリエチレンクロロトリフルオロエチレン。Ｈａｌａｒとして販売）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン。Ｋｙｎａｒとして販売）、ＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン。Ｋｅｌ−ＦおよびＣＴＦＥとして販売）、トリフルオロエタノール、それらの組み合わせ、およびそれらの混合物を包含する。
「不活性」は、電気エネルギー蓄蔵デバイスの電解質中において活性でない材料を指す。すなわち、イオンの有意な量を吸収せず、または化学的に変化（例えば分解）しない。
「導電性」は、ゆるく保持された価電子の伝達によって材料が電子を伝導する能力を指す。
「集電体」は、デバイスに出入りする電気の流れを容易にするための電気的な接続を提供する、電気エネルギーの蓄蔵および／または供給デバイスの部分を指す。集電体は多くの場合に金属および／または他の導電性材料を含んでおり、電極に出入りする電気の流れを容易にするための電極の支援物（backing）として用いられ得る。
「電解質」は自由イオンを含有する物質を意味し、その結果として物質が導電性になる。電解質は電気エネルギー蓄蔵デバイスに一般的に使用される。電解質の例は、溶媒、例えば炭酸プロピレン、炭酸エチレン、炭酸ブチレン、炭酸ジメチル、炭酸メチルエチル、炭酸ジエチル、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、またはそれらの混合物を、溶質、例えばテトラアルキルアンモニウム塩、例えばＴＥＡ−ＴＦＢ（テトラフルオロホウ酸テトラエチルアンモニウム）、ＭＴＥＡＴＦＢ（テトラフルオロホウ酸メチルトリエチルアンモニウム）、ＥＭＩＴＦＢ（テトラフルオロホウ酸１−エチル−３−メチルイミダゾリウム）、テトラエチルアンモニウム、トリエチルアンモニウム系の塩、またはそれらの混合物と組み合わせて含むが、これらに限定されない。一部の実施形態では、電解質は、水系の酸または水系の塩基の電解質、例えば穏和な硫酸水溶液または水酸化カリウム水溶液であり得る。
「アミン」は、窒素原子、例えば−ＮＨ２を含む化合物である。
「アルコール」は、−ＯＨ部分を含む化合物である。
「カルボニル」は、酸素に二重結合した炭素（Ｃ＝Ｏ）を含む化合物である。
「フェノール」は、それに取り付けられた１つ以上のアルコール部分を有する芳香環（例えばベンゼン）を指す。フェノールおよびレゾルシノールは両方とも「フェノール」である。
「ポリアルコール」は、１つより多いアルコール部分を有する任意の化合物を指す。
「糖」は、グルコース、果糖、ラクトースなどのポリアルコールである。
「アルキルアミン」は、アミン部分を含んでなるアルキル基（すなわち、飽和または不飽和の任意選択で置換される炭化水素化合物）を指す（例えばメチルアミンなど）。
「芳香族アミン」は、アミン基を含んでなる芳香族基（すなわち、共役π結合の環状配列を有する環状の不飽和炭化水素、例えばベンゼン）を指す（例えばアニリンなど）。
「アルデヒド」は、−Ｃ（＝Ｏ）Ｈ部分を含んでなる化合物である。
「ケトン」は、−Ｃ（＝Ｏ）−部分を含んでなる化合物を指す。
「カルボン酸」は、−Ｃ（＝Ｏ）ＯＨ部分を含有する化合物である。
「エステル」は、−Ｃ（＝Ｏ）Ｏ−部分を有する化合物である。
「酸ハロゲン化物」は、−Ｃ（＝Ｏ）Ｘ部分を含んでなる任意の化合物であり、式中Ｘはフッ素、塩素、臭素、ヨウ素イオン、またはアスタチンである。
「イソシアネート」は、−Ｎ＝Ｃ＝Ｏ部分を含んでなる化合物を指す。
「キャリア流体」は、懸濁液の流体、溶媒、希釈剤、分散液の流体、エマルションの流体、並びに／または懸濁液および／もしくはエマルションの連続相を指し得る。１つ以上の実施形態では、用語「連続相」は、本明細書において定義される「キャリア流体」と同じ定義を有する。１つ以上の実施形態では、用語「キャリア流体」は、本明細書において定義される「連続相」と同じ定義を有する。１つ以上の実施形態では、用語「キャリア流体」は、本明細書において定義される「溶媒」と同じ定義を有する。１つ以上の実施形態では、用語「溶媒」は、本明細書において定義される「キャリア流体」と同じ定義を有する。
「懸濁液プロセス」、「懸濁重合プロセス」、「分散液プロセス」、および「分散重合プロセス」は交換可能に用いられ、反応物混合物をキャリアまたは「連続相」流体（例えば炭化水素および／または水）中において混合する不均一系の重合プロセスを指す。反応物混合物相とキャリアまたは連続相の流体とは混和性でない。一部の実施形態では、反応物混合物はキャリア流体または連続相中に液滴として懸濁または分散され得、モノマ成分が重合を行ってポリマの粒子を形成し、および／または硬化を行ってポリマの硬化した粒子を形成する。一部の実施形態では、反応混合物は撹拌され得る。一部の実施形態では、反応混合物は撹拌されない。
「エマルションプロセス」および「乳化重合プロセス」は、「通常の」エマルションおよび「逆」エマルションを両方とも指す。エマルションは、懸濁液とは１つ以上の側面が違う。１つの違いは、エマルションが通常は界面活性剤の使用を含み、これがエマルション（非常に小さい大きさの液滴）を作るまたは形成するということである。キャリアまたは連続相流体が水などの親水性流体であり、反応物混合物相が疎水性化合物であるときには、通常のエマルション（例えば水中油）が形成し、モノマの液滴が界面活性剤の助けによってキャリアまたは連続相の流体中において乳化される。モノマはそれらの小さい大きさの液滴中において反応する。それらの液滴は、粒子同士が一緒に固まることを阻害されるので、通常は大きさが小さい。なぜなら、各粒子は界面活性剤によって囲まれており、界面活性剤上の電荷が他の粒子を静電的に反発するからである。一方、懸濁重合は、乳化重合によって作られるものよりもかなり大きい粒子を通常は生ずる。キャリアまたは連続相の流体が油などの疎水性流体であり、反応物混合物相が親水性化合物であるときには、逆エマルション（例えば油中水）が形成される。
本明細書において用いられる場合、用語「懸濁液および／またはエマルションプロセス」および「懸濁および／または乳化重合」は従来の重合に限定されず、または必ずしも従来の重合を指さない。その代わりに、用語「懸濁液および／またはエマルションプロセス」および「懸濁および／または乳化重合」は、必ずではないが、硬化プロセスまたは従来の重合と硬化プロセスとの組み合わせを指し得る。本明細書において検討され記載されるように、１つ以上の実施形態では、モノマ成分は、モノマ混合物のみに加えてもしくは代えて、プレポリマおよび／もしくはポリマであり得、またはプレポリマおよび／もしくはポリマを含み得る。硬化プロセスは、モノマ混合物の重合と比較してポリマのさらなる架橋または硬質化を指す。したがって、もしもプレポリマが存在するならば、懸濁液／エマルションプロセスは、重合に加えてまたは代えて硬化プロセスも含み得る。本明細書において用いられる場合、用語「硬化」は、ポリマ鎖の架橋の増大した程度によるポリマの強化または硬質化を指す。架橋は、例えば共有結合性化学反応、イオン性相互作用もしくはクラスター化、相変態もしくは転相、および／または水素結合によってプレポリマおよび／またはポリマに生ずる、構造的および／または形態的変化を指す。
本明細書において用いられる場合、用語「ゲル形態のポリマ微粒子」および「ゲル形態のポリマ粒子」は交換可能に用いられ、その中に１つ以上の細孔またはボイドを有するポリマ鎖のネットワークを指し、液体が１つ以上の細孔またはボイドを少なくとも部分的に占めるかまたは満たしている。本明細書において用いられる場合、用語「乾燥ポリマ微粒子」および「乾燥ポリマ粒子」は交換可能に用いられ、その中に１つ以上の細孔またはボイドを有するポリマ鎖のネットワークを指し、ガスが１つ以上の細孔またはボイドを少なくとも部分的に占めるかまたは満たしている。もしもボイドを少なくとも部分的に占めるかまたは満たしている液体が水であるならば、ポリマ粒子は「ヒドロゲルポリマ粒子」と呼ばれ得る。
「モノマ成分」は、１つ以上のフェノール系化合物および／もしくは１つ以上の架橋化合物、および／またはプレポリマを含むが、これらに限定されない。もしもフェノール系化合物がそれ自体と重合して架橋し得るならば、架橋化合物の使用は任意選択であり得る。別の例では、フェノール系化合物および架橋化合物の全体または一部が互いに重合して、ゲル形態のポリマ粒子を形成し得る。別の例では、フェノール系化合物および架橋化合物が互いに反応または架橋して、ゲル形態のポリマ粒子を生じ得る。別の例では、フェノール系化合物および架橋化合物が互いに重合および／または互いに架橋して、ゲル形態のポリマ粒子を生じ得る。１つ以上の実施形態では、用語「ポリマ前駆体」は、本明細書において定義される用語「モノマ成分」と同じ意味を有する。
本明細書において用いられる場合、「粒径」は体積平均粒径（Ｄｖ，５０）を指し、個々の粒子の視覚的計数もしくは測定によって、または懸濁液の流体中にある粒子のレーザー光散乱によって測定される。体積平均粒径は、直径が０．１ｍｍ超の粒子については、デジタルカメラおよびＩｍａｇｅＪフリーウェアを用いる画像取り込みによって測定される。０．１ｍｍ未満の粒径は、マルバーン社マスターサイザー（登録商標）３０００を用いる光散乱によって、水中の希分散液によって測定される。０．１ｍｍ未満の試料は、推奨のオブスキュレーションレベルが得られるまでマルバーン社の分析器に加えられる。
本明細書において用いられる場合、「スパン」は（（Ｄｖ，９０）−（Ｄｖ，１０））／（Ｄｖ，５０）として定義される。Ｄｖ，１０およびＤｖ，５０およびＤｖ，９０は、径分布のそれぞれ１０％、５０％、および９０％において測定される体積粒径である。粒径分布は、個々の粒子の視覚的計数および測定によって、または懸濁液の流体中にある粒子のレーザー光散乱によって測定される。
本明細書において用いられる場合、「正規化されたＦ／ｃｃ」または「最大理論Ｆ／ｃｃ」は、炭素粒子の包絡体積（炭素骨格の体積と炭素の細孔容積との合計）あたりで表される静電容量として定義される。なお、この包絡体積は粒子間体積を含んでいない。
Ａ．ポリマゲルおよび炭素材料の調製
炭素材料の開示される調製は、炭素材料の調製の現在公知の方法に優るいくつもの進歩を表す。例えば、類似の炭素材料は、ポリマ前駆体を混合し、それらを重合してポリマモノリスにする方法によって従来は作られて来た。モノリスは次に単離され、小さい粒子になるまで磨砕または粉砕されてはじめて、熱分解および／または賦活化されて炭素材料になることができる。かかる方法はいくつもの欠点を有している。例えば、大規模の場合には、以前に記載されたモノリス調製物は、かなりの材料取り扱い上の問題と不均一な重合および／または制御されない発熱反応の可能性とが存在する。さらに、他の問題点、例えば通常の製造設備（例えばオーブンなど）と公知のモノリス法との不適合性は、それらの方法の大規模化を挑戦的で経済的に困難なものにしている。
本発明の方法はこれらの制約を克服し、いくつもの他の改善を示す。例えば、上記の重合は、濾過によってまたは余分な溶媒を傾瀉する工程によってゲル生成物を単離する可能性を提供し、したがって本方法を大規模生産へと改変可能にしている。さらに、伝熱はモノリス法と比較して本発明の方法ではより有効であり、したがって生成物はより均一であることが期待され、制御されない発熱のリスクはかなり低減される。さらに、ゲル組成および／または処理パラメータを変えることによって、特定の所望の特徴（例えば、ミクロ細孔性、メソ細孔性、高密度、低密度、特定の粒径、ほぼ単分散の粒径分布など）を有する炭素材料がさらなる処理ステップ（例えば粉砕など）無しに得られる。開示される方法の一部の態様は、次項でより詳細に説明される。
炭素材料およびポリマゲルの種々の物理的および化学的特性は、次項において検討および記載される通りであり得、同時係属の米国特許出願第１２／７４８，２１９号、第１２／８９７，９６９号、第１２／８２９，２８２号、第１３／０４６，５７２号、第１２／９６５，７０９号、第１３／３３６，９７５号、および第６１／５８５，６１１号においても検討および記載される通りであり得る。
１．ポリマゲルの調製
上記のように、本開示の一実施形態は、ポリマゲルおよび炭素材料の調製のための方法を提供する。例えば、一実施形態では、本願は、エマルションまたは懸濁液プロセスによって縮合ポリマゲルを調製するための方法を提供する。この方法は、ａ）連続相およびポリマ相を含む混合物を調製する工程であって、ポリマ相が１つ以上のポリマ前駆体および任意選択の溶媒を含む工程と、ｂ）１つ以上のポリマ前駆体が互いに反応して縮合ポリマゲルを形成するのに十分な温度および時間で、混合物をエージングする工程とを含み得る。ポリマ相は不連続相とも呼ばれ得る。
別の実施形態では、開示される方法は乾燥した縮合ポリマゲルを調製する工程を含む。方法は、縮合ポリマゲルを乾燥する工程を含み得る。縮合ポリマゲルは、ａ）連続相およびポリマ相を含む混合物を調製する工程と（ポリマ相は１つ以上のポリマ前駆体および任意選択の溶媒を含む）、ｂ）１つ以上のポリマ前駆体が互いに反応して縮合ポリマゲルを形成するのに十分な温度および時間で混合物をエージングする工程とを含むエマルションまたは懸濁液プロセスによって調製されている。
さらに別の実施形態では、熱分解された炭素材料を調製するための方法が、縮合ポリマゲル粒子を熱分解して熱分解された炭素材料を得る工程を含み得る。縮合ポリマゲル粒子は、ａ）連続相およびポリマ相を含む混合物を調製する工程と（ポリマ相は１つ以上のポリマ前駆体および任意選択の溶媒を含む）、ｂ）１つ以上のポリマ前駆体が互いに反応して縮合ポリマゲルを形成するのに十分な温度および時間で混合物をエージングする工程とを含むプロセスによって調製されている。
さらに別の実施形態では、活性炭材料を調製するための方法が、縮合ポリマゲル粒子に由来する熱分解された炭素の賦活化を含み得る。縮合ポリマゲル粒子は、ａ）連続相およびポリマ相を含む混合物を調製する工程と（ポリマ相は、１つ以上のポリマ前駆体および任意選択の溶媒を含む）、ｂ）１つ以上のポリマ前駆体が互いに反応して縮合ポリマゲルを形成するのに十分な温度および時間で混合物をエージングする工程とを含むプロセスによって調製されている。
縮合ポリマゲルは乾燥無しで用いられ得る。または、方法は縮合ポリマゲルを乾燥する工程をさらに含み得る。上記の方法の一部の実施形態では、ポリマゲルが凍結乾燥によって乾燥されてクリオゲルを生じ得る。
方法は、いくつもの種々の細孔構造を有する縮合ポリマゲルおよび／または炭素材料の調製にとって有用であり得る。この点で、本出願人は、連続相の種類、撹拌速度、温度、エージング時間などのいくつものプロセスパラメータの変化によって細孔構造が制御され得ることを発見した。一部の実施形態では、縮合ポリマゲルはミクロ細孔性であり得る。別の実施形態では、縮合ポリマゲルはメソ細孔性であり得る。一部の別の実施形態では、縮合ポリマゲルは、ミクロ細孔性およびメソ細孔性の細孔の混合物を有する細孔構造を有し得る。
関連する実施形態では、炭素材料はミクロ細孔性であり得、または炭素材料はメソ細孔性であり得る。別の実施形態では、炭素材料は、ミクロ細孔性（例えば、約２ｎｍ未満の直径を有する細孔）およびメソ細孔性の細孔（例えば、約２ｎｍ〜５０ｎｍの直径を有する細孔）の混合物を有する細孔構造を有し得る。
さらに別の実施形態では、炭素材料はマクロ細孔性であり得る。別の実施形態では、炭素材料は、ミクロ細孔性（例えば、約２ｎｍ未満の直径を有する細孔）およびマクロ細孔性の細孔（例えば、約５０ｎｍ超の直径を有する細孔）の混合物を有する細孔構造を有し得る。別の実施形態では、炭素材料は、メソ細孔性（例えば、約２ｎｍ〜５０ｎｍの直径を有する細孔）およびマクロ細孔性の細孔（例えば、約５０ｎｍ超の直径を有する細孔）の混合物を有する細孔構造を有し得る。別の実施形態では、炭素材料は、ミクロ細孔性（例えば、約２ｎｍ未満の直径を有する細孔）およびメソ細孔性（例えば、約２ｎｍ〜５０ｎｍの直径を有する細孔）およびマクロ細孔性の細孔（例えば、約５０ｎｍ超の直径を有する細孔）の混合物を有する細孔構造を有し得る。
ポリマ相は、１つ以上のポリマ前駆体および任意選択の溶媒を混合することによって調製され得る。一部の例では、混合物は、連続相およびポリマ相を混合することによって調製され得る。方法は、混合物がエマルションである実施形態を含み得る。一方、別の実施形態では混合物は懸濁液である。
例えば、一部の実施形態では、連続相およびポリマまたは不連続相は互いに混和性ではなく、混合物はエマルションである。一方、別の例示的な方法では連続相およびポリマ相は互いに可溶性ではなく、混合物は懸濁液である。別の例では、ポリマ相は混合物の調製に先立ってエージングされ得、連続相とポリマ相との組み合わせによって混合物はエマルションおよび／または懸濁液となり得る。
別の種々の態様では、連続相およびポリマ相は互いに可溶性（すなわち混和性）である。この実施形態の一部の変形では、連続相およびポリマ相は最初は混和性であり得るが、ポリマ相はエージングされて連続相と非混和性になり、混合物はエージングによって懸濁液になり得る。
ポリマ相は、１つ以上のポリマ前駆体と任意選択の溶媒および／または任意選択の触媒とを混合してプレポリマ組成物を形成することによって調製され得る。一部の実施形態では、ポリマ相は連続相との混合に先立って「予備反応」させられて、ポリマ前駆体が少なくとも部分的に重合しているようにし得る。別の実施形態では、ポリマ前駆体は予備反応させられない。一部の別の実施形態では、方法は連続式のプロセスであり得る。例えば、ポリマ前駆体は連続的に連続相と混合され得、最終的な縮合ポリマゲルは連続的に混合物から単離され得る。
一部の実施形態では、ポリマ相が予備反応させられる条件が、最終的なゲルおよび／または炭素材料の特性に寄与し得る。例えば、所産のゲルおよび／または炭素材料の粒径は、特定の予備反応条件、例えば予備反応温度、予備反応時間、および／またはプレポリマ組成物の組成を変更することによって変えられ得る。意外なことに、一部の実施形態では、粒径の変化は、ゲルおよび／または炭素材料の細孔構造の付随的な変化をもたらさない。したがって、それらのパラメータの変化は、最終的な生成物（例えばゲルおよび／または炭素材料）の所望の細孔構造を維持しつつ好ましいまたは所望の処理条件に至る融通性を提供する。
プレポリマ相がエージングされる温度は、本発明の方法の範囲に留まりながらも様々であり得る。方法の一部の具体的な実施形態は、プレポリマ組成物を調製する工程と、プレポリマ組成物が連続相に添加される前に、約２０℃〜約１５０℃から大体反応系の化合物の沸点未満の温度までの範囲の温度においてプレポリマ組成物を反応させる工程とを提供する。より高い反応温度は、より高沸点の化学物質を用いることまたは高い圧力下においてプレポリマを調製することによって達成され得る。より具体的な実施形態は、約５０℃〜約９０℃または約６０℃〜約８５℃の範囲の温度においてプレポリマ組成物をエージングする工程を含む。より具体的な実施形態は、連続相との混合に先立って約６５℃または約８０℃の温度においてプレポリマ組成物を反応させる工程を含む。一部の場合には、容器の圧力が上げられ、またはより高沸点の溶媒が用いられて、反応物の相変化を誘発すること無しにより高い温度での反応を可能にし得る。別の場合には外付けの凝縮器が用いられて、より高い温度での反応を可能にし得る。
プレポリマ相が連続相との混合に先立って反応を行う時間は、方法の種々の実施形態において様々であり得る。異なる温度は、所産のゲルおよび／または炭素材料の異なる粒径をもたらし得る。この点で例示的な反応時間は、約５分〜４８時間の範囲の時間を含む。
プレポリマ組成物の正確な組成は、所産のゲルおよび／または炭素材料の粒径および／または細孔構造などの、一部の特性の決定因子であり得る。ゲルおよび／または炭素材料の細孔構造（例えば、メソ細孔性、ミクロ細孔性など）および／または粒径を制御するために有用な組成物が、下でより詳細に説明される。粒径に関して、本発明者は、より高い固形分含量がより大きい粒径と連続または分散相のより高い粘度とに寄与し得ることを発見した。プレポリマ組成物の種々の実施形態は以下でより詳細に説明されている。
１つのポリマ前駆体が用いられ得る。または、方法は２つ以上の異なるポリマ前駆体の使用を含み得る。ポリマ前駆体の構造は特に限定されないが、ポリマ前駆体は別のポリマ前駆体または第２のポリマ前駆体と反応してポリマを形成できるものとする。ポリマ前駆体は、アミン含有化合物、アルコール含有化合物、およびカルボニル含有化合物を包含する。例えば一部の実施形態では、ポリマ前駆体は、アルコール、フェノール、ポリアルコール、糖、アルキルアミン、芳香族アミン、アルデヒド、ケトン、カルボン酸、エステル、尿素、酸ハロゲン化物、およびイソシアネートから選択される。レゾルシノールおよびホルムアルデヒドをポリマ前駆体として用いる一部の実施形態は、１〜２．５の範囲の種々のホルムアルデヒド対レゾルシノールのモル比を有し得る。より具体的な一実施形態は、２のホルムアルデヒド対レゾルシノールのモル比を有し得る。別の具体的な実施形態では、ホルムアルデヒド対レゾルシノールのモル比は１．５であり得る。
一実施形態では、方法は第１および第２のポリマ前駆体の使用を含み得る。一部の実施形態では、第１または第２のポリマ前駆体はカルボニル含有化合物であり得、第１または第２のポリマ前駆体のもう一方はアルコール含有化合物であり得る。一部の実施形態では、第１のポリマ前駆体がフェノール系化合物であり得、第２のポリマ前駆体がアルデヒド化合物（例えばホルムアルデヒド）であり得る。一実施形態では、フェノール系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、またはそれらの組み合わせであり得、アルデヒド化合物はホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、プロピオンアルデヒド、ブチルアルデヒド、ベンズアルデヒド、シンナムアルデヒド、またはそれらの組み合わせである。さらなる実施形態では、フェノール系化合物はレゾルシノール、フェノール、またはそれらの組み合わせであり得、アルデヒド化合物はホルムアルデヒドである。さらなる実施形態では、フェノール系化合物はレゾルシノールであり得、アルデヒド化合物はホルムアルデヒドであり得る。さらなる実施形態では、フェノール系化合物はフェノールであり得、アルデヒドはホルムアルデヒドである。一部の実施形態では、ポリマ前駆体はアルコールおよびカルボニル化合物（例えばレゾルシノールおよびアルデヒド）であり得、ポリマ前駆体はそれぞれ約０．５：１．０の比で存在し得る。
本明細書において開示されるポリマ前駆体材料は、（ａ）アルコール、フェノール系化合物、および他のモノまたはポリヒドロキシ化合物、並びに（ｂ）アルデヒド、ケトン、およびそれらの組み合わせを包含し得るが、これらに限定されない。この場合の代表的なアルコールは、直鎖および分岐の飽和および不飽和アルコールを包含する。好適なフェノール系化合物は、ポリヒドロキシベンゼン、例えばジヒドロキシまたはトリヒドロキシベンゼンを含み得るが、これらに限定されない。代表的なポリヒドロキシベンゼンは、レゾルシノール（すなわち、１，３−ジヒドロキシベンゼン）、カテコール、ヒドロキノン、およびフロログルシノールを含み得るが、これらに限定されない。２つ以上のポリヒドロキシベンゼンの混合物も用いられ得る。フェノール（モノヒドロキシベンゼン）も用いられ得る。代表的なポリヒドロキシ化合物は、糖、例えばグルコース、ショ糖、キチン、および他のポリオール、例えばマンニトールも含み得る。アルデヒドは、この場合、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；直鎖不飽和アルデヒド、例えばエテノンおよび他のケテン、２−プロペナール（アクリルアルデヒド）、２−ブテナール（クロトンアルデヒド）、３ブテナールなど；分岐の飽和および不飽和アルデヒド；並びに芳香族系アルデヒド、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を包含する。好適なケトンは、直鎖飽和ケトン、例えばプロパノンおよび２ブタノンなど；直鎖不飽和ケトン、例えばプロペノン、２ブテノン、および３−ブテノン（メチルビニルケトン）など；分岐の飽和および不飽和ケトン；並びに芳香族系ケトン、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を包含する。ポリマ前駆体の材料は、上記の前駆体の組み合わせでもあり得る。
一部の実施形態では、１つのポリマ前駆体がアルコール含有種であり、もう１つのポリマ前駆体がカルボニル含有種、例えばアルデヒドおよびフェノールである。カルボニル含有種（例えば、アルデヒド、ケトン、またはそれらの組み合わせ）と反応させられるアルコール含有種（例えば、アルコール、フェノール系化合物、およびモノもしくはポリヒドロキシ化合物またはそれらの組み合わせ）の相対量は、かなり様々であり得る。一部の実施形態では、アルコール含有種対アルデヒド種の比は、アルコール含有種中の反応性のアルコール基の総モル数がアルデヒド種中の反応性のカルボニル基の総モル数とほぼ同じとなるように選択され得る。同様に、アルコール含有種対ケトン種の比は、アルコール含有種中の反応性の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となるように選択され得る。同じ大まかな１：１のモル比は、カルボニル含有種がアルデヒド種およびケトン種の組み合わせを含んでなるときにも当てはまる。
一部の実施形態では、ポリマ前駆体は、ホルムアルデヒドおよびレゾルシノール、またはホルムアルデヒドおよびフェノール、またはフェノールおよびレゾルシノールの混合物と組み合わせたホルムアルデヒドを含んでなる。別の実施形態では、ポリマ前駆体はホルムアルデヒドおよび尿素を含み得る。
別の実施形態では、ポリマ前駆体は、尿素またはアミン含有化合物であり得る。例えば、一部の実施形態では、ポリマ前駆体は尿素またはメラミンであり得る。他の実施形態は、イソシアネートまたは他の活性カルボニル化合物、例えば酸ハロゲン化物などから選択されるポリマ前駆体を含む。
開示される方法の一部の実施形態は、電気化学的調節剤を含んでなるポリマゲル（および炭素材料）の調製を含む。電気化学的調節剤は、当分野において公知であってシリアル番号１２／９６５，７０９を有する同時係属の米国特許出願に記載のものを包含する。かかる電気化学的調節剤は、所産の炭素材料またはポリマゲルの電気化学的特性を調節するために有用な元素から通常は選択され、一部の実施形態では窒素またはケイ素を含む。別の実施形態では、電気化学的調節剤は、窒素、鉄、スズ、ケイ素、ニッケル、アルミニウム、またはマンガンを含んでなる。電気化学的調節剤は、調製法に任意のステップにおいて含まれ得る。例えば、一部では、電気化学的調節剤は混合物、ポリマ相、または連続相と混合される。
ポリマ形成に先立つゲル組成物（すなわちプレポリマ組成物）中の全固形分含量は様々であり得る。この全固形分含量は、（揮発性および不揮発性成分の総重量と比較して）通常は不揮発性の成分の重量分率である。
レゾルシノール対溶媒（例えば、水、酸など）の重量比は約０．０５〜３から約０．７０〜２であり得る。または、レゾルシノール対溶媒の比は約０．１５〜１から約０．６〜１．５であり得る。または、レゾルシノール対溶媒の比は約０．１５〜１から約０．３５〜１であり得る。または、レゾルシノール対溶媒の比は約０．２５〜１から約０．５〜１であり得る。または、レゾルシノール対溶媒の比は約０．３〜１から約０．６〜１であり得る。
一部の実施形態では、プレポリマ組成物の固形分含量は約１０％から約９０％の間である。別の実施形態では、プレポリマ組成物の固形分含量は約３５％〜約７０％または約４０％〜約６０％の範囲である。一部のもっと具体的な実施形態では、プレポリマ組成物の固形分含量は約４５％〜約５５％であり得る。
一部の実施形態では、ゲル重合プロセスは触媒条件下において実施され得る。したがって、一部の実施形態では、方法は、１つ以上の触媒を混合物、ポリマ相、および／または連続相と混合する工程を含み得る。一部の実施形態では、触媒は塩基性の揮発性触媒を含み得る。例えば、一実施形態では、塩基性の揮発性触媒は、炭酸アンモニウム、炭酸水素アンモニウム、酢酸アンモニウム、水酸化アンモニウム、またはそれらの組み合わせを含み得る。さらなる実施形態では、塩基性の揮発性触媒は炭酸アンモニウムであり得る。別のさらなる実施形態では、塩基性の揮発性触媒は酢酸アンモニウムであり得る。
触媒対ポリマ前駆体（例えばフェノール系化合物）のモル比は、ポリマゲルの最終的な特性および炭素材料の最終的な特性に影響を及ぼし得る。したがって、一部の実施形態では、かかる触媒は５：１〜２，０００：１のポリマ前駆体：触媒のモル比で用いられ得る。一部の実施形態では、かかる触媒は１０：１〜４００：１のポリマ前駆体：触媒のモル比で用いられ得る。例えば、別の実施形態では、かかる触媒は５：１〜１００：１のポリマ前駆体：触媒のモル比で用いられ得る。例えば、一部の実施形態では、触媒対ポリマ前駆体のモル比は約４００：１であり得る。別の実施形態では、触媒対ポリマ前駆体のモル比は約１００：１であり得る。別の実施形態では、触媒対ポリマ前駆体のモル比は約５０：１であり得る。別の実施形態では、触媒対ポリマ前駆体のモル比は約２５：１であり得る。別の実施形態では、触媒対ポリマ前駆体のモル比は約１０：１であり得る。上記の実施形態の一部では、ポリマ前駆体は、フェノール系化合物、例えばレゾルシノールおよび／またはフェノールであり得る。
ポリマ前駆体の１つがレゾルシノールであり且つもう１つのポリマ前駆体がホルムアルデヒドである具体的な実施形態では、レゾルシノール対触媒の比が変えられて、所産のポリマゲルおよび炭素材料の所望の特性を得ることができる。本明細書に記載の方法の一部の実施形態では、レゾルシノール対触媒のモル比は約５：１〜約２，０００：１であり得る。または、レゾルシノール対触媒のモル比は約１０：１〜約４００：１であり得る。さらなる実施形態では、レゾルシノール対触媒のモル比は約５：１〜約１００：１であり得る。さらなる実施形態では、レゾルシノール対触媒のモル比は約２５：１〜約５０：１であり得る。さらなる実施形態では、レゾルシノール対触媒のモル比は約２５：１〜約５０：１であり得る。さらなる実施形態では、レゾルシノール対触媒のモル比は約１００：１〜約５：１であり得る。上記の一部の実施形態では、触媒は酢酸アンモニウムである。
さらなる別の実施形態では、方法は、酸を混合物、ポリマ相、および／または連続相と混合する工程を含む。酸は、重合プロセスに適したいくつもの酸から選択され得る。例えば、一部の実施形態では酸は酢酸であり得、別の実施形態では酸はシュウ酸であり得る。さらなる実施形態では、９９：１、９０：１０、７５：２５、５０：５０、２５：７５、２０：８０、１０：９０、または１：９０の酸対溶媒の比で、酸が第１または第２の溶媒と混合され得る。別の実施形態では、酸は酢酸であり得、第１または第２の溶媒は水であり得る。別の実施形態では、固体酸をエマルション、懸濁液、またはゲル組成物に添加する工程によって酸性が提供され得る。
混合物中の酸の合計含量が変えられて、最終的な生成物の特性を変更し得る。一部の実施形態では、酸はポリマ溶液の約１重量％〜約７５重量％で存在し得る。別の実施形態では、酸は約５％〜約５０％、例えば約５％、約１５％、または約４５％で存在し得る。別の実施形態では、酸は約１０％〜約４０％、例えば約１０％、約１５％、または約３５％で存在し得る。界面活性剤は必須でない（且つ一部の実施形態では存在しない）が、一部の実施形態は界面活性剤の使用を含む。界面活性剤は混合物、ポリマ相、および／または連続相と混合され得、または任意の他の適切な方法でプロセスに含まれ得る。一部の実施形態では界面活性剤を含み、ポリマ相は連続相との混合に先立って予備反応させられて、ポリマ前駆体が少なくとも部分的に重合しているようにし得る。
界面活性剤は、２つの非混和性溶液を乳化するのに有用ないくつもの界面活性剤から選択され得る。例えば、一部の実施形態では、界面活性剤は、ソルビタン界面活性剤、例えばＳＰＡＮ（商標）８０、ＳＰＡＮ（商標）８５、ＳＰＡＮ（商標）６５、ＳＰＡＮ（商標）６０、ＳＰＡＮ（商標）４０、ＳＰＡＮ（商標）２０、ＴＷＥＥＮ（登録商標）８０、ＴＷＥＥＮ（登録商標）４０、ＴＷＥＥＮ（登録商標）２０、ＴＷＥＥＮ（登録商標）２１、ＴＷＥＥＮ（登録商標）６０、Ｔｒｉｔｏｎ−Ｘ（登録商標）１００、またはそれらの組み合わせを含み得る。一部の実施形態では、界面活性剤はＳＰＡＮ（商標）８０を含み得る。別の実施形態では、界面活性剤はＳＰＡＮ（商標）２０を含み得る。別の実施形態では、多官能アルコール、例えばエチルセルロース、グリコール、アルキルエーテルが安定化剤および／または界面活性剤として用いられ得る。
かかる界面活性剤は当分野において周知であり、シグマ・アルドリッチ社（ミズーリ州セントルイス）を含むいくつもの供給源から市販されている。理論によって拘束されることを望むものではないが、混合物中に存在する界面活性剤の量は、所産のゲルおよび／または炭素材料の物理的特性を制御するために調節され得るパラメータであり得ると考えられる。例えば、約２％以下の界面活性剤濃度はメソ細孔性炭素と関連し得、より高い界面活性剤濃度はミクロ細孔性炭素と関連し得る。しかしながら、界面活性剤の高濃度（例えば約３０％超）はそれほど有効ではない。界面活性剤は一部の実施形態では望ましいかもしれないが、開示される方法の全ての実施形態において必要とされるわけではない。
界面活性剤が存在する一部の実施形態では、混合物は、約０．０１％〜約２０％の界面活性剤（ｗ／ｗ）、例えば約０．１％〜約２０％の界面活性剤（ｗ／ｗ）、例えば約１０％の界面活性剤を含み得る。別の実施形態では、混合物は、約０．１％〜約１０％の界面活性剤、例えば約５％の界面活性剤を含み得る。別の実施形態では、混合物は、約０．１％〜約２％の界面活性剤、例えば約０．５％または約１％の界面活性剤を含み得る。別の実施形態では、混合物は、約０．０１％〜約１．０％の界面活性剤、例えば約０．１％〜約１．０％の界面活性剤を含み得る。別の実施形態では、混合物は約１．０％〜約２．０％の界面活性剤を含み得る。別の実施形態では、混合物は約２．０％〜約５．０％の界面活性剤を含み得る。別の実施形態では、混合物は約５．０％〜約１０％の界面活性剤を含み得る。一部の特定の実施形態では、混合物は、約０．１％、約０．２％、約０．３％、約０．４％、約０．５％、約０．６％、約０．７％、約０．８％、約０．９％、約１．０％、約１．１％、約１．２％、約１．３％、約１．４％、約１．５％、約１．６％、約１．７％、約１．８％、約１．９％、または約２．０％の界面活性剤を含み得る。別の実施形態では、エマルション、懸濁液、またはそれらの組み合わせは、約９．０％〜約１１．０％、約０．０５％〜約１．１％の界面活性剤、または約０．９％〜約１．１％の界面活性剤を含み得る。
連続相は、ポリマゲルおよび炭素材料の所望の特性（例えば、表面積、細孔性、純度、粒径など）を得るために変えられ得るもう１つのプロセスパラメータである。例えば、本発明者は、連続相の入念な選択によって、最終的なポリマゲルおよび炭素材料の細孔性が制御され得ることを意外にも発見した（実施例において示されるデータ参照）。したがって、本発明の方法は、任意の所望の細孔性を有する炭素材料（および前駆体ゲル）を調製する能力を提供する。連続相の入念な選択のさらなる利点はプロセスの拡張性（scalability）にある。例えば、低い毒性、引火性などを有する連続相が選択されるときには、プロセスは他の公知のポリマプロセスよりも大規模化が適用可能である。
本発明の方法の一部の実施形態のさらなる利点は、所産のゲル粒子の所望の粒径を得るように連続相が選択され得るということである。本発明の裏付けとして実施された実験は、意外にも、細孔構造が実質的に同じままでありながらもゲル粒子の粒径はかなり変わり得ることを明らかにした。したがって、本方法は、最終的なゲルまたは炭素生成物の細孔構造に対する制御を犠牲にすること無しに最適な処理属性（例えば、濾過、熱分解など）を得るための、粒径を調整する相当の融通性を可能にする。さらに、一部の実施形態では、最終的な炭素材料の粒径は、粉砕または粒子分級の他の物理的手段の必要無しに、連続相（または本明細書に記載の他のプロセスパラメータ）の選択によって調整され得る。
ゲル粒子の粒径に影響することが示されている連続相の特性は、粘度および分子量（例えば炭化水素の鎖長）を含む。種々の粘度を有する連続相が方法の実施に有用であり、連続相の粘度は特に限定されない。方法の一部の実施形態では、約１．０ｃＰ〜約２５０ｃＰの範囲の室温の粘度を有する連続相が選択され得る。例えば、一部の実施形態は、約２．５ｃＰ〜約２００ｃＰまたは約５ｃｐ〜約１００ｃＰの範囲の粘度を有する連続相を用い得る。別の実施形態では、連続相の粘度は約１０ｃＰ、約２０ｃＰ、約３０ｃＰ、または約４０ｃＰであり得る。種々の実施形態では、連続相の粘度は８０℃において測定されて、１．０ｃＰ未満〜約１００ｃＰの範囲の粘度を有し得る。例えば、一部の実施形態は、約１ｃＰ〜約７５ｃＰまたは約２．５ｃｐ〜約５０ｃＰの粘度を有する連続相を用い得る。別の実施形態では、連続相の粘度は約５ｃＰ、約１０ｃＰ、約２０ｃＰ、または約３０ｃＰであり得る。別の実施形態では、連続相の粘度をプロセス中に変化させることが望ましくあり得る。例えば、より高い粘度は粒子形成ステップ時に望ましくあり得、より低い粘度は分離ステップ時に有利であり得る。別の実施形態では、所望の粘度目標同士は逆転され得る。
一部の連続相（例えばパラフィンオイル）の炭化水素の鎖長も、粒径などの所望の特性を有するゲルおよび炭素材料を得るために変えられ得る。炭化水素の鎖長は、約１０個の炭素から約１００個の炭素、例えば約１５個の炭素から約４０個の炭素まで変化し得る。一部の実施形態では、炭化水素の鎖長は、約２０個の炭素、約２５個の炭素、約３０個の炭素、約３５個の炭素、または約４０個の炭素であり得る。
連続相は上記のように粒子形成（大きさ）に影響するだけではなく、ファウリングにも影響し得る。適切な連続相の選択にとってのいくつかの重要な基準は、ａ）連続相の化学構造中に存在する官能基の種類および量、ｂ）飽和もしくは不飽和の化学構造、ｃ）比重、ｄ）粘度、並びに／またはｅ）表面張力を含み得るが、これらに限定されない。
一部の実施形態では、剪断速度は粒径およびファウリングに影響し得る。低い剪断速度はより大きい粒子を生ずると考えられる。適切な連続相を低い剪断速度と組み合わせることは、粒子形成およびファウリング低減の両方にとって効果をもたらし得る。
粒子形成温度も粒径およびファウリングに影響することが示されている。一実施形態では、より低い温度（例えば６５℃）における粒子形成は、ファウリングを低減することとやや大きめの粒子を生ずることとを助け得る。
方法の一部の実施形態では、ポリマ相および連続相は互いに混和性ではなく、エマルションまたは懸濁液が形成され得る。別の実施形態では、ポリマ相および連続相は互いに混和性または部分的に混和性である。それらの場合には、ポリマ相は、反応の過程で連続相に対してより混和性でなくなり得る。この点で、一部の実施形態は、任意選択の溶媒が水性および／または極性溶媒であり、連続相が有機および／または非極性溶媒である方法に関する。好適な水性および／または極性溶媒は、水、水／酢酸、アルコール（例えば、エタノール、メタノールなど）、極性エーテル（例えばＰＥＧなど）、有機酸（例えば酢酸）、およびそれらの混合物を含み得るが、これらに限定されない。一部の実施形態では、任意選択の溶媒が存在し得る。一部の実施形態では、任意選択の溶媒が存在して水を含んでなり得る。例えば、一部の実施形態では、ポリマ相は水または酢酸／水混合物であり得る。
連続相としての使用にとって好適な有機および／または非極性溶媒は、炭化水素溶媒、芳香族溶媒、油、非極性エーテル、ケトンなどを包含する。例えば、好適な有機および／または非極性溶媒は、ヘキサン、シクロヘキサン、ペンタン、シクロペンタン、ベンゼン、トルエン、キシレン、ジエチルエーテル、エチルメチルケトン、ジクロルメタン、テトラヒドロフラン、鉱物油、パラフィンオイル、イソパラフィン系の流体、植物系の油を包含するが、これらに限定されず、任意および全ての水不溶性流体が、当業者によって用いられ得る。一部の実施形態では、連続相は、有機溶媒、例えば炭化水素溶媒であり得る。より具体的な実施形態では、連続相は、シクロヘキサン、鉱物油、パラフィンオイル、ｏ−キシレン、ｍ−キシレン、ｐ−キシレン、イソパラフィンオイル、またはそれらの組み合わせであり得る。別の実施形態では、連続相は、シクロヘキサン、パラフィンオイル、キシレン、イソパラフィンオイル、またはそれらの組み合わせであり得る。一部の具体的な実施形態では、連続相はパラフィンオイルを含み得る。別の具体的な実施形態では、任意選択の溶媒が存在して水を含み得、連続相はシクロヘキサン、鉱物油、ｏ−キシレン、ｍ−キシレン、ｐ−キシレン、水、またはそれらの組み合わせを含み得る。一部の実施形態では、ポリマゲルの特定の特性（例えば粒径）が制御されるように連続相の粘度が選択され得る。
一部の実施形態では、連続相は大規模生産に適用可能なように選択され得る。この点で、大規模生産にとって重要な連続相の特性は、低い毒性、低い引火性、価格、および／または最終的な生成物からの除去の容易さなどを包含する。連続相は高純度を有するようにも選択され得る。そして、これは最終的なポリマゲルおよび／または炭素材料の高純度に寄与し得る。この点で、９９％超、９９．５％超、９９．９％超、９９．９９％超、またはさらには９９．９９９％超の純度を有する連続相が用いられ得る。一部の実施形態では、ポリマ前駆体の構成成分は単一の水相中において１つに混合され、次に当分野において公知の技術を用いて外の非水相によって乳化または懸濁され、次に水相中の前駆体の完全なまたは実質的に完全な重合を達成するのに十分な時間および温度で保持され得る。別の実施形態では、前駆体の構成成分は単一の水相中において共に混合され、部分的な重合を達成するのに十分な時間および温度で保持され、次に当分野において公知の技術を用いて外の非水相中に懸濁され、次に水相中の前駆体の完全なまたは実質的に完全な重合を達成するのに十分な時間保持され得る。この実施形態では、部分的な重合のステップは増大した粘度をもたらし得、部分的に重合した水相および非水相の乳化／懸濁のエネルギー条件および粘度に依存したポリマ樹脂の粒径の制御を可能にする。別の実施形態では、前駆体の構成成分は単一の水相中において共に混合され、部分的な重合を達成するのに十分な時間および温度で保持され、次に当分野において公知の技術を用いて外の水相中に懸濁され、次に水相中の前駆体の完全な重合を達成するのに十分な時間および温度で保持され得る。この実施形態では、部分的な重合ステップは増大した粘度をもたらし得、部分的に重合した水相および連続の水相の乳化のエネルギー条件、粘度、および非混和性に依存したポリマ樹脂粒径の制御を可能にする。別の実施形態では、ポリマ相の粘度および連続相の粘度の限定された制御が選択されて、適当な粒子形成を可能にし得る。
反応パラメータは、１つ以上のポリマ前駆体が互いに反応してポリマを形成するのに十分な温度および時間で、混合物をエージングする工程を含む。この点で、好適なエージング温度は、約室温〜連続相の沸点またはそれに近い温度の範囲である。より高い反応温度は、より高沸点の化学物質を用いることまたは高い圧力下においてプレポリマを調製することによって達成され得る。例えば、一部の実施形態では、エマルション、懸濁液、またはそれらの組み合わせは、約２０℃〜約１２０℃の範囲の温度、例えば約２０℃〜約１００℃でエージングされる。別の実施形態は、約３０℃〜約９９℃の範囲の温度、例えば約４５℃または約９９℃を含む。別の実施形態では温度は約６５℃〜約９９℃の範囲である。一方、別の実施形態は、２つ以上の温度、例えば約４５℃および約７０℃〜約９９℃または約８０℃〜約９９℃におけるエージングを含む。エージングは一部の実施形態では撹拌を含み得る。一部の場合には、容器の圧力が上げられ、またはより高沸点の溶媒が用いられて、反応物の相変化を誘発すること無しにより高い温度での反応を可能にし得る。別の場合には外付けの凝縮器が用いられて、より高い温度での反応を可能にし得る。
反応時間は、ポリマ前駆体を反応させてポリマを形成させるのに通常は十分であり得る。例えば、混合物は、所望の結果に応じて、１時間〜４８時間またはそれ以上もしくは以下のいずれかによってエージングされ得る。通常の実施形態は、約２時間〜約４８時間の時間に渡るエージングを含む。例えば一部の実施形態では、エージングは約１２時間を含み得る。別の実施形態では、エージングは約４時間〜約８時間（例えば約６時間）を含み得る。エージング条件は、撹拌、振とう、または混合物を撹拌する他の手段を任意選択で含み得る。理論によって拘束されることを望むものではないが、撹拌は、所望の粒径分布（例えばほぼ単分散など）を有するゲルおよび／または炭素材料を作るために制御され得る１つのパラメータだと考えられる。例えば、撹拌のＲＰＭは所望の結果を得るために調整され得る。かかる方法は、所望の粒径を得るための粉砕または磨砕のさらなるステップが不要であり得るというさらなる利点を有する。
通常は、方法は、ポリマゲル粒子および／または炭素材料を単離する工程も含み得る。単離のための好適な手段は、濾過、溶媒もしくは連続相の傾瀉、またはそれらの組み合わせを含む。単離された生成物は、単離されたポリマゲル粒子を乾燥して揮発性内容物を除去する工程を含む方法、例えば凍結乾燥によってさらに処理され得る。
一部の実施形態では、ポリマ粒子の粒径分布が、１，０００未満、９００未満、８００未満、７００未満、６００未満、５００未満、４００未満、３００未満、２００未満、１００未満、１０未満、５未満、３未満、２未満、１．５未満、または１未満の多分散指数（Ｄｖ，９０−Ｄｖ，１０）／Ｄｖ，５０（Ｄｖ，１０、Ｄｖ，５０、およびＤｖ，９０は、体積による粒径分布のそれぞれ１０％、５０％、および９０％における粒径である）を示す。一部の実施形態では、有機相中への水相の導入が段階分けされて、ポリマの粒径分布の２つ以上の集団が達成され得るようにできる。例えば、達成される最終的なポリマ粒子分布は、２つ以上のモードを含み、最高と最低のノードとの比が約１，０００以下、約９００以下、約８００以下、約７００以下、約６００以下、約５００以下、約４００以下、約３００以下、約２００以下、約１００以下、約５０以下、約１０以下、約５以下、または約２以下であり得る。
さらに、方法は、熱分解および／または賦活化に先立ってポリマゲル粒子を凍結乾燥する工程を含み得る。しかしながらかかる乾燥は必須ではなく、ポリマゲルは乾燥無しで熱分解され得る。一部の実施形態では、ポリマゲル粒子は、約−１０℃未満、例えば約−２０℃未満またはその代わりに約−３０℃未満の温度を有する媒体中への浸漬によって凍結され得る。例えば、媒体は、液体窒素またはドライアイス中のエタノール（または他の有機溶媒）もしくは他の手段によって冷却されたエタノールであり得る。一部の実施形態では、凍結乾燥は、凍結粒子を約３，０００ｍＴｏｒｒ未満の減圧に曝す工程を含み得る。または、減圧下における乾燥は、凍結粒子を約１，０００ｍＴｏｒｒ未満の減圧に曝す工程を含み得る。または、減圧下における乾燥は、凍結粒子を約３００ｍＴｏｒｒ未満の減圧に曝す工程を含み得る。または、減圧下における乾燥は、凍結粒子を約１００ｍＴｏｒｒ未満の減圧に曝す工程を含み得る。
ポリマゲル粒子を急速凍結する他の方法も考えられる。例えば、別の実施形態では、ポリマゲルは、ポリマゲル粒子とドライアイス（固体二酸化炭素）などの適当な低温固体との混ぜ合わせまたは物理的混合によって急速凍結され得る。別の考えられる方法は、−６０℃の金属プレートを備えるブラストフリーザを用いて、その表面に広げられたポリマゲル粒子から熱を急速除去する工程を含み得る。ポリマゲル粒子中の水を急速冷却する別の方法は、高度な減圧を非常に急速に行うことによって粒子をスナップ凍結する工程であり得る（減圧の程度は、平衡蒸気圧に相当する温度が凍結を可能にするようなものである）。急速凍結のためのさらに別の方法は、ポリマゲルを適当に低温のガスと混合する工程を含み得る。一部の実施形態では、低温ガスは約−１０℃未満の温度を有し得る。一部の実施形態では、低温ガスは約−２０℃未満の温度を有し得る。一部の実施形態では、低温ガスは約−３０℃未満の温度を有し得る。さらに別の実施形態では、ガスは約−１９６℃の温度を有し得る。例えば、一部の実施形態ではガスは窒素であり得る。さらに別の実施形態では、ガスは約−７８℃の温度を有し得る。例えば、一部の実施形態ではガスは二酸化炭素であり得る。
別の実施形態では、ポリマゲル粒子は、凍結乾燥機の棚上において−２０℃以下の温度で凍結され得る。例えば、一部の実施形態では、ポリマゲル粒子は凍結乾燥機の棚上において−３０℃以下の温度で凍結され得る。一部の他の実施形態では、ポリマゲルモノリスが凍結融解サイクル（室温から−２０℃以下へ、再び室温へ）にかけられ、凍結融解されたゲルの物理的破砕が粒子を生じ得、次にさらなる凍結乾燥処理にかけられ得る。例えば、一部の実施形態では、ポリマゲルモノリスが、凍結融解サイクル（室温から−３０℃以下へ、再び室温へ）、粒子を生ずるための凍結融解されたゲルの物理的破砕、次にさらなる凍結乾燥処理にかけられ得る。
開示される方法は、様々な炭素材料の調製にとって有用であり得る。一例においては、高い密度およびミクロ細孔性を有する炭素材料が調製され得る。この点で有用なゲル組成は、約３０ｗｔ％〜約６０ｗｔ％の固形分、約５ｗｔ％〜約３０ｗｔ％の酢酸、５〜５０のＲ：Ｃ、０．５ｗｔ％〜約１５ｗｔ％の界面活性剤、および≧２０ｗｔ％のＲＦ溶液からなる組成、例えば約４６ｗｔ〜約５０ｗｔ％の固形分、約１０ｗｔ％の酢酸、約１０のＲ：Ｃ、約１０ｗｔ％の界面活性剤、および≧３０ｗｔ％のＲＦ溶液を包含する。
メソ細孔性炭素材料も、開示される方法によって調製され得る。この点で有用な組成は、２５％〜５０％の固形分、１０〜２５％の酢酸、５０〜４００のＲ：Ｃ、約０．１ｗｔ％〜約１５ｗｔ％の界面活性剤、および約１５ｗｔ％、３５ｗｔ％のＲＦ溶液（例えば約３３ｗｔ％の固形分、約２０ｗｔ％の酢酸、１００または４００のＲ：Ｃ、約１０ｗｔ％の界面活性剤、および約２０ｗｔ％のＲＦ溶液）を含むが、これらに限定されない。メソ細孔性炭素の調製にとって有用な他の組成は、約２５ｗｔ％〜約４０ｗｔ％の固形分、約５ｗｔ％〜約１５ｗｔ％の酸、２５〜７５のＲ：Ｃ、０．５ｗｔ％〜約１．５ｗｔ％の界面活性剤、および約１５ｗｔ％〜約２５ｗｔ％のＲＦ（例えば約３３ｗｔ％の固形分、約１０ｗｔ％の酸、約５０のＲ：Ｃ、約１ｗｔ％の界面活性剤、および約２０ｗｔ％のＲＦ溶液）からなる組成を含むが、これらに限定されない。
本明細書において用いられる場合、％固形分は、ポリマ前駆体（水を含む）、付加的な水、および酸の全質量によって除算されたポリマ前駆体（水を除く）の質量として計算される。触媒は％固形分の計算には含まれない。界面活性剤の量は連続相の質量に基づく。％ＲＦ溶液は、（レゾルシノール、ホルムアルデヒド（水を含む）、付加的な水、および酸）の質量割る（レゾルシノール、ホルムアルデヒド（水を含む）、付加的な水、酸、および連続相）の全質量である。
本開示による別のもっと具体的な方法は、縮合ポリマを調製するための方法を包含し、この方法はａ）界面活性剤、１つ以上のポリマ前駆体、並びに第１および第２の溶媒を混合することによってエマルション、懸濁液、またはそれらの組み合わせを調製する工程と（第１および第２の溶媒が互いに混和性ではない）、ｂ）１つ以上のポリマ前駆体が互いに反応して縮合ポリマを形成するのに十分な温度および時間でエマルションをエージングする工程とを含む。
上記の一部の実施形態では、ポリマ前駆体は、アルコール、フェノール、ポリアルコール、糖、アルキルアミン、芳香族アミン、アルデヒド、ケトン、カルボン酸、エステル、尿素、酸ハロゲン化物、イソシアネート、およびそれらの任意の混合物から選択され得る。
一部の実施形態では、少なくとも１つのポリマ前駆体はフェノール系化合物であり得る。例えば、一部の実施形態では、少なくとも１つのポリマ前駆体はレゾルシノールであり得る。さらに別の実施形態では、少なくとも１つのポリマ前駆体はフェノールであり得る。別の例では、少なくとも１つのポリマ前駆体はアルデヒド化合物であり得、例えば、少なくとも１つのポリマ前駆体はホルムアルデヒドであり得る。一部のもっと具体的な実施形態では、少なくとも１つのポリマ前駆体はホルムアルデヒドであり得、少なくとも１つのポリマ前駆体はレゾルシノールであり得、縮合ポリマはレゾルシノール−ホルムアルデヒドポリマであり得る。一部の実施形態では少なくとも１つのポリマ前駆体は尿素であり得、別の実施形態では少なくとも１つのポリマ前駆体はメラミンであり得る。一部の実施形態では、ポリマ前駆体は、フェノール、レゾルシノール、ホルムアルデヒド、尿素、またはそれらの組み合わせもしくは混合物を含み得る。
上記の方法は、１つ以上の電気化学的調節剤（例えば、ケイ素および／または窒素）のエマルション中への添加も含み得る。
縮合ポリマを調製するための方法の種々の反応パラメータ（ポリマ前駆体、溶媒などの選択を含む）が上の項に記載のように調節されて、種々の特性を有する縮合ポリマを得ることができる。
２．ポリマゲル粒子の作製
従来のモノリス技術とは対照的に、本開示の方法は、さらなる処理に先立って粉砕または磨砕を通常は必要としない。その代わりに、さらなる処理に先立ってポリマゲル粒子は通常は濾別され、および／または溶媒が傾瀉によって除去され、並びにゲル粒子は任意選択で乾燥される（例えば凍結乾燥）。
３．ポリマゲルの急速凍結
上記のように、方法の一部の実施形態は、熱分解および／または賦活化に先立って凍結乾燥を含み得る。しかしながら、かかる乾燥は任意選択であり、開示される実施形態の一部では含まれていない。ポリマゲル粒子の凍結は、上でより詳細に記載されたように急速で多方向的に達成され得る。低速での単方向的な凍結（例えば、凍結乾燥機中での棚凍結による）は、非常に小さい表面積を有する乾燥した材料をもたらす。同様に、スナップ凍結（すなわち、大幅な減圧を行うことによってポリマゲル粒子を急速冷却することにより達成される凍結）も、小さい表面積を有する乾燥した材料をもたらす。本明細書において開示されるように、多方向的な急速凍結は、急速に材料の温度を下げて少なくとも約−１０℃以下、例えば−２０℃以下、または例えば少なくとも約−３０℃以下にすることによって達成され得る。ポリマゲル粒子の急速凍結は、氷晶の広範囲な核形成に起因する粒子内の微細な氷晶構造を作り出し得るが、氷晶成長の時間はほとんど残さない。これは、高い比表面積を氷晶と炭化水素マトリックス（氷のマトリックスからは必然的に排除される）との間において提供し得る。
結晶成長よりも核形成を促進するための極めて急速な凍結という考えは、混合溶媒系にも応用され得る。一実施形態では、混合溶媒系が急速冷却されるにつれて、主な溶媒成分がその平衡融点において結晶化を行い得、これは共溶媒の増大した濃度および付随的なさらなる凝固点降下を伴う。温度がさらに下げられるにつれて、主な溶媒の増大した結晶化および共溶媒の濃縮が起こって、やがて共融組成物が到達され得る。その時点で、さらなる成分の濃縮または生成物の冷却無しに共融組成物は液体から固体への転移を行って、やがて完全な凍結が達成され得る。水および酢酸（純粋な物質としてはそれぞれ０℃および１７℃の凝固点を示す）という具体的な場合には、共融組成物は約５９ｗｔ％の酢酸および４１ｗｔ％の水を含み、約−２７℃で凝固し得る。したがって、一実施形態では混合溶媒系は共融組成物であり得る。例えば、一実施形態では混合溶媒系は５９ｗｔ％の酢酸および４１ｗｔ％の水を含んでなる。
４．ポリマゲルの乾燥
一部の実施形態は任意選択の乾燥工程を含む。一実施形態では、微細な氷マトリックスを含有する凍結ポリマゲル粒子が、材料の崩壊を避けて且つ乾燥された生成物の微細な表面構造および細孔性を維持するように設計された条件下において凍結乾燥される。通常は、さもなければ生成物の細孔の崩壊をもたらすであろう温度より低く生成物の温度が保たれる条件下において、乾燥が達成される。それによって、乾燥した材料が所望の表面積を保持することを可能にする。
最終的な炭素材料の構造は乾燥ポリマゲルの構造に反映されており、そして、それはポリマゲルの特性によって定められる。その特徴は、本明細書に記載のゾルゲル処理手法を用いてポリマゲルに与えられ得る。しかしながら、もしも溶媒の除去に配慮がなされない場合には構造は保存されない。ポリマゲルの元々の構造を保持し、且つ凍結プロセスの制御に基づく氷晶形成によってその構造を調節することは重要である。一部の実施形態では、乾燥に先立って、ポリマゲルの水分は約５０ｗｔ％〜約９９ｗｔ％であり得る。一部の実施形態では、乾燥によってポリマゲルの水分は約１０ｗｔ％、または５ｗｔ％未満、または２．５ｗｔ％未満になり得る。
約２，２５０ミクロンの凍結乾燥機のチャンバ内圧力は、約−１０℃の乾燥中の生成物の１次乾燥温度をもたらし得る。約２，２５０ミクロンのチャンバ内圧力以下における乾燥は、−１０℃以下の１次乾燥中の生成物の温度をもたらし得る。さらなる一例として、約１，５００ミクロンのチャンバ内圧力は、約−１５℃の乾燥中の生成物の１次乾燥温度をもたらし得る。約１，５００ミクロンのチャンバ内圧力以下における乾燥は、−１５℃以下の１次乾燥中の生成物の温度をもたらす。さらなる一例として、約７５０ミクロンのチャンバ内圧力は、約−２０℃の乾燥中の生成物の１次乾燥温度をもたらし得る。７５０ミクロンのチャンバ内圧力以下における乾燥は、約−２０℃以下の１次乾燥中の生成物の温度をもたらし得る。さらなる一例として、約３００ミクロンのチャンバ内圧力は、約−３０℃の乾燥中の生成物の１次乾燥温度をもたらし得る。３００ミクロンのチャンバ内圧力以下における乾燥は、約−３０℃以下の１次乾燥中の生成物の温度をもたらし得る。
５．ポリマゲルの熱分解および賦活化
上記のポリマゲルが処理されて、炭素材料を得ることができる。かかる処理は例えば熱分解および／または賦活化を含む。通常は、熱分解プロセスにおいては、乾燥ポリマゲルが秤量されてロータリーキルン中に置かれる。温度ｒａｍｐは５℃／分に設定され得、滞留時間および滞留温度が設定され得、冷却は炉の自然冷却速度によって定まり得る。プロセス全体は、不活性雰囲気、例えば窒素環境下において行われ得る。熱分解された試料は取り出されて秤量され得る。他の熱分解プロセスは当業者に周知である。
一部の実施形態では、熱分解滞留時間（試料が所望の温度にある時間）は、約０分〜約１２０分、約２０分〜約１５０分、約３０分〜約１００分、約５０分〜約６０分、または約５５分〜約６０分であり得る。
熱分解は上記よりも低速でも実施され得る。例えば、一実施形態では、熱分解は約１２０〜４８０分で実施され得る。別の実施形態では、熱分解は約１２０〜２４０分で実施され得る。
一部の実施形態では、熱分解滞留温度は約５００℃〜約２，４００℃であり得る。一部の実施形態では、熱分解滞留温度は約６００℃〜約１，８００℃であり得る。別の実施形態では、熱分解滞留温度は約７００℃〜約１，２００℃であり得る。別の実施形態では、熱分解滞留温度は約８５０℃〜約１，０５０℃であり得る。別の実施形態では、熱分解滞留温度は約８００℃〜約９００℃であり得る。一部の実施形態では、熱分解滞留温度は約６００℃または９００℃であり得る。一部の別の具体的な実施形態では、熱分解滞留温度は約５５０℃〜約９００℃であり得る。
一部の実施形態では、熱分解滞留温度は、熱分解の過程で変えられ得る。一実施形態では、熱分解は、別々の明確な複数の加熱ゾーンを有するロータリーキルンによって実施され得る。各ゾーンの温度は、ロータリーキルン管の入口から出口端まで連続的に減少させられ得る。一実施形態では、熱分解は、別々の明確な複数の加熱ゾーンを有するロータリーキルンによって実施され得、各ゾーンの温度はロータリーキルン管の入口から出口端まで連続的に増大させられ得る。
賦活化時間および／または賦活化温度は、所産の活性炭材料の性能、さらにはその製造コストに影響を及ぼし得る。賦活化温度および賦活化滞留時間を増大させることは、より高い賦活化率をもたらし得る。これは、より低い温度およびより短い滞留時間と比較して、より多くの材料の除去に通常は相当する。賦活化温度は炭素の細孔構造も変え得る。その場合、より低い温度はより多くミクロ細孔性の炭素をもたらし、より高い温度はメソ細孔性をもたらす。これは、より高い温度で起こる賦活化ガスの拡散律速反応と、より低い温度で起こる反応速度論によって駆動される反応との結果であり得る。より高い賦活化率は、最終的な活性炭の性能を多くの場合に増大させるが、総括収率を減らすことによってコストも増大させてしまう。賦活化のレベルを改善することは、より低コストでより高性能の生成物を達成することに相当する。
熱分解されたポリマゲルは、熱分解されたポリマゲルを賦活化剤と接触させることによって賦活化され得る。酸素を含有するガスなどの多くのガスが賦活化に適している。賦活化ガスの限定しない例は、二酸化炭素、一酸化炭素、水蒸気、酸素、およびそれらの任意の混合物を包含し得るが、これらに限定されない。賦活化剤は腐食性の化学物質、例えば酸、塩基、または塩（例えば、リン酸、酢酸、クエン酸、蟻酸、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）も含み得る。他の賦活化剤は当業者に公知である。
一部の実施形態では、賦活化時間は１分〜４８時間であり得る。別の実施形態では、賦活化時間は１０分間〜２４時間であり得る。別の実施形態では、賦活化時間は６０分間〜２４時間であり得る。別の実施形態では、賦活化時間は２時間〜２４時間であり得る。さらなる実施形態では、賦活化時間は１２時間〜２４時間であり得る。一部の別の実施形態では、賦活化時間は３０分間〜８時間であり得る。一部のさらなる実施形態では、賦活化時間は３時間〜６時間であり得る。
熱分解されたポリマゲルは、当業者に公知のいくつもの適当な装置、例えば流動床、ロータリーキルン、台車昇降式キルン、ローラーハースキルン、プッシャーキルンなどを用いて賦活化され得る。賦活化プロセスの一実施形態では、試料が秤量されてロータリーキルン中に置かれ、その自動ガス制御マニホールドが２０℃／分の速度の傾き（ramp）に設定される。適切な賦活化温度が到達されたら、二酸化炭素が一定の時間キルン環境中に導入される。賦活化が起こった後に二酸化炭素は窒素と交換され、キルンは冷却される。試料はプロセスの終わりに秤量されて、賦活化のレベルを評価する。他の賦活化プロセスは当業者に周知である。本明細書において開示される実施形態の一部では、賦活化温度は８００℃〜１，３００℃であり得る。別の実施形態では、賦活化温度は８００℃〜１，０５０℃であり得る。別の実施形態では、賦活化温度は約８５０℃〜約９５０℃であり得る。別の実施形態では、賦活化温度は約９００℃であり得る。一部の実施形態では、炭素材料は賦活化されて、１，７００ｍ２／ｇ〜１，９００ｍ２／ｇの範囲の比表面積を達成する。当業者には当然のことながら、より低いまたはより高い他の賦活化温度が用いられ得る。
賦活化の程度は、賦活化ステップ中に失われた熱分解された乾燥ポリマゲルの質量の割合として測定される。本明細書に記載の方法の一実施形態では、賦活化は５％〜９０％の賦活化の程度または１０％〜８０％の賦活化の程度を含み得る。一部の場合には、賦活化は４０％〜７０％の賦活化の程度または４５％〜６５％の賦活化の程度を含む。
Ｂ．ポリマゲルの特性
本開示の一実施形態はポリマゲルを提供し、これは本明細書において開示される方法の任意のものによって調製される。開示される方法によって作られるポリマゲルは、多くの点で独特である。一部の実施形態では、方法は、単分散のまたはほぼ単分散の粒径分布を有するポリマゲルを生ずる。上記のように、ポリマゲル（および炭素材料）の粒径は、撹拌速度を含むいくつものプロセスパラメータによって制御され得る。例えば、一部の実施形態では本開示はポリマゲルを提供し、これは（Ｄｖ，９０−Ｄｖ，１０）／Ｄｖ，５０が３未満となるような粒径分布を有し、Ｄｖ，１０、Ｄｖ，５０、およびＤｖ，９０は、体積による粒径分布のそれぞれ１０％、５０％、および９０％における粒径である。一部の実施形態では（Ｄｖ，９０−Ｄｖ，１０）／Ｄｖ，５０は２未満であり、別の実施形態では（Ｄｖ９０−Ｄｖ１０）／Ｄｖ５０は１未満である。
ポリマゲル粒子は形状が実質的に球状であり得る（例えば図１４Ａ参照）。ゲルの球状性は球状炭素材料をもたらし、そして、これは望ましい電気化学的特性に寄与し得る。例えば、ポリマゲルは複数のポリマ粒子を含み得、ポリマゲル粒子の７５％超、８０％超、８５％超、９０％超、９１％超、９２％超、９３％超、９４％超、９５％超、９６％超、９７％超、９８％超、または９９％超が球状の形状を有し得る。一部の実施形態では、ポリマゲルは複数のポリマゲル粒子を含み得、ポリマゲル粒子の９０％超が球状の形状を有する。別の実施形態では、ポリマゲル粒子の９５％超が球状の形状を有する。
ＢＥＴ分析によって測定されるポリマゲルの比表面積は、約５０ｍ２／ｇ〜約１，０００ｍ２／ｇであり得る。一部の実施形態では、比表面積は約５０ｍ２／ｇ〜約１００ｍ２／ｇであり得る。別の実施形態では、比表面積は約３００ｍ２／ｇ〜約７００ｍ２／ｇであり得る。一部の他の実施形態では、比表面は約３００ｍ２／ｇ〜約４００ｍ２／ｇであり得る。一部の他の実施形態では、比表面は約４００ｍ２／ｇ〜約５００ｍ２／ｇであり得る。一部の他の実施形態では、比表面積は約５００ｍ２／ｇ〜約６００ｍ２／ｇであり得る。一部の他の実施形態では、比表面積は約６００ｍ２／ｇ〜約７００ｍ２／ｇであり得る。別の実施形態では、ポリマゲルの比表面積は、約５０ｍ２／ｇ、約７５ｍ２／ｇ、約１００ｍ２／ｇ、約１５０ｍ２／ｇ、約２００ｍ２／ｇ、約２５０ｍ２／ｇ、または約３００ｍ２／ｇの最低値から約４００ｍ２／ｇ、約４５０ｍ２／ｇ、約５００ｍ２／ｇ、約５５０ｍ２／ｇ、約６００ｍ２／ｇ、約６５０ｍ２／ｇ、約７００ｍ２／ｇ、約７５０ｍ２／ｇ、約８００ｍ２／ｇ、約８５０ｍ２／ｇ、約９００ｍ２／ｇ、約９５０ｍ２／ｇ、または約１，０００ｍ２／ｇの最高値までであり得る。
ポリマゲルの総細孔容積は約０．０１ｃｍ３／ｇ〜約１．５ｃｍ３／ｇであり得る。例えば、ポリマゲルの総細孔容積は、約０．０１ｃｍ３／ｇ、約０．０５ｃｍ３／ｇ、約０．１ｃｍ３／ｇ、約０．１５ｃｍ３／ｇ、約０．２ｃｍ３／ｇ、約０．３ｃｍ３／ｇ、約０．４ｃｍ３／ｇ、約０．５ｃｍ３／ｇ、または約０．６ｃｍ３／ｇの最低値から約０．９ｃｍ３／ｇ、約１ｃｍ３／ｇ、約１．１ｃｍ３／ｇ、約１．２ｃｍ３／ｇ、約１．３ｃｍ３／ｇ、約１．４ｃｍ３／ｇ、または約１．５ｃｍ３／ｇの最高値までであり得る。別の例では、一部の実施形態では、総細孔容積は約０．１ｃｍ３／ｇ〜約０．９ｃｍ３／ｇであり得る。別の実施形態では、総細孔容積は約０．２ｃｍ３／ｇ〜約０．８ｃｍ３／ｇであり得る。別の実施形態では、総細孔容積は約０．３ｃｍ３／ｇ〜約０．６ｃｍ３／ｇであり得る。別の実施形態では、総細孔容積は約０．６ｃｍ３／ｇ〜約０．９ｃｍ３／ｇであり得る。
別の実施形態では、ポリマゲルは、１１〜９２の範囲の原子番号を有する他の元素の全てを合計で５００ｐｐｍ未満で含み得る。例えば、一部の他の実施形態では、ポリマゲルは、１１〜９２の範囲の原子番号を有する他の元素の全てを、４５０ｐｐｍ未満、４００ｐｐｍ未満、３５０ｐｐｍ未満、３００ｐｐｍ未満、２５０ｐｐｍ未満、２００ｐｐｍ未満、１５０ｐｐｍ未満、１００ｐｐｍ未満、７５ｐｐｍ未満、５０ｐｐｍ未満、２５ｐｐｍ未満、１０ｐｐｍ未満、５ｐｐｍ未満、または１ｐｐｍ未満で含み得る。一部の実施形態では、ポリマゲルの電気化学的調節剤含量および不純物含量はプロトン励起Ｘ線放出法（ＰＩＸＥ）分析によって測定され得る。
一部の実施形態では、ポリマゲルは、乾燥ポリマゲル、例えばポリマクリオゲルであり得る。別の実施形態では、乾燥ポリマゲルはポリマキセロゲルまたはポリマエアロゲルである。一部の実施形態では、ポリマ前駆体は、脂肪族および芳香族アルコール、脂肪族および芳香族アミン、並びにカルボニル含有化合物から選択され得る。例えば、ポリマ前駆体は、アルコール、フェノール、ポリアルコール、糖、アルキルアミン、芳香族アミン、アルデヒド、ケトン、カルボン酸、エステル、尿素、酸ハロゲン化物、およびイソシアネートから選択され得る。一部の具体的な実施形態では、ポリマゲルはフェノール系化合物およびアルデヒド化合物から調製される。例えば、一実施形態では、ポリマゲルはレゾルシノールおよびホルムアルデヒドから作られ得る。一部の実施形態では、固体酸化合物の溶解によって、反応溶媒として酸を用いることによって、または溶媒の１つが酸である混合溶媒系を用いることによって、酸性が提供され得る。
開示されるプロセスの一部の実施形態は、塩基性の揮発性触媒の存在下においてポリマゲルを形成するための重合を含み得る。したがって、一部の実施形態ではポリマゲルは１つ以上の塩を含み得る。例えば、一部の実施形態では、１つ以上の塩は塩基性の揮発性の塩である。塩基性の揮発性の塩の例は、炭酸アンモニウム、炭酸水素アンモニウム、酢酸アンモニウム、水酸化アンモニウム、およびそれらの任意の組み合わせまたは混合物を含み得るが、これらに限定されない。したがって、一部の実施形態では、ポリマゲルは炭酸アンモニウム、炭酸水素アンモニウム、酢酸アンモニウム、水酸化アンモニウム、またはそれらの組み合わせを含み得る。さらなる実施形態では、ポリマゲルは炭酸アンモニウムを含み得る。別のさらなる実施形態では、ポリマゲルは酢酸アンモニウムを含み得る。
開示される方法は、ＰＩＸＥ分析および／または灰分によって測定された場合に高純度を有するポリマゲルの調製にとって有用であり得る。本明細書に記載のように、意図的に添加される電気化学的調節剤は不純物とは見なされず、したがって具体的に記載されるＰＩＸＥおよび灰分値からは除外される。一部の実施形態では、ポリマゲルは低い灰分を有し得、それから調製される炭素材料の低い灰分に寄与し得る。したがって、一部の実施形態では、ポリマゲルの灰分は０．１％〜０．００１％であり得る。別の実施形態では、ポリマゲルの灰分は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、または０．００１％未満であり得る。
別の実施形態では、ポリマゲルは、５００ｐｐｍ未満の全ＰＩＸＥ不純物含量および０．０８％未満の灰分を有し得る。さらなる実施形態では、ポリマゲルは、３００ｐｐｍ未満の全ＰＩＸＥ不純物含量および０．０５％未満の灰分を有する。別のさらなる実施形態では、ポリマゲルは、２００ｐｐｍ未満の全ＰＩＸＥ不純物含量および０．０２％未満の灰分を有する。別のさらなる実施形態では、ポリマゲルは、２００ｐｐｍ未満の全ＰＩＸＥ不純物含量および０．０１％未満の灰分を有する。
不純物を含むポリマゲルは、同じく不純物を（したがって可能性として望まれない電気化学的特性）含む炭素材料を通常はもたらす。したがって、本開示の一態様は、開示される方法によって調製されて残存する望まれない不純物の低レベルを有するポリマゲルである。ポリマゲル中に存在する各ＰＩＸＥ不純物の量は、プロトン励起Ｘ線放出法によって測定され得る。一部の実施形態では、ポリマゲル中に存在するナトリウムのレベルは１，０００ｐｐｍ未満、５００ｐｐｍ未満、１００ｐｐｍ未満、５０ｐｐｍ未満、１０ｐｐｍ未満、または１ｐｐｍ未満であり得る。一部の実施形態では、ポリマゲル中に存在するマグネシウムのレベルは１，０００ｐｐｍ未満、１００ｐｐｍ未満、５０ｐｐｍ未満、１０ｐｐｍ未満、または１ｐｐｍ未満であり得る。上記のように、一部の実施形態では、他の不純物、例えば水素、酸素、および／または窒素が、１０％未満〜０．０１％未満の範囲のレベルで存在し得る。
一部の具体的な実施形態では、ポリマゲルは、１００ｐｐｍ未満のナトリウム、３００ｐｐｍ未満のケイ素、５０ｐｐｍ未満の硫黄、１００ｐｐｍ未満のカルシウム、２０ｐｐｍ未満の鉄、１０ｐｐｍ未満のニッケル、４０ｐｐｍ未満の銅、５ｐｐｍ未満のクロム、および５ｐｐｍ未満の亜鉛を含み得る。別の具体的な実施形態では、ポリマゲルは５０ｐｐｍ未満のナトリウム、１００ｐｐｍ未満のケイ素、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、および２ｐｐｍ未満の亜鉛を含み得る。
別の具体的な実施形態では、ポリマゲルは、５０ｐｐｍ未満のナトリウム、５０ｐｐｍ未満のケイ素、３０ｐｐｍ未満の硫黄、１０ｐｐｍ未満のカルシウム、２ｐｐｍ未満の鉄、１ｐｐｍ未満のニッケル、１ｐｐｍ未満の銅、１ｐｐｍ未満のクロム、および１ｐｐｍ未満の亜鉛を含み得る。
一部の別の具体的な実施形態では、ポリマゲルは、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、および１ｐｐｍ未満のマンガンを含み得る。
開示される方法は、種々の比表面積を有し得るポリマゲルをもたらし、これは少なくとも部分的には正確な反応パラメータに依存する。理論によって拘束されるものではないが、ポリマゲルの表面積は炭素材料の表面積特性に少なくとも部分的に寄与すると考えられる。表面積は当業者に周知のＢＥＴ技術を用いて測定され得る。本明細書に開示の態様の任意のものの一実施形態では、ポリマゲルは、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、少なくとも７００ｍ２／ｇ、少なくとも８００ｍ２／ｇ、または少なくとも９００ｍ２／ｇ、または少なくとも１，０００ｍ２／ｇ、または少なくとも１，１００ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を有し得る。
一実施形態では、ポリマゲルは１００ｍ２／ｇ〜１，０００ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を有し得る。または、ポリマゲルは１５０ｍ２／ｇ〜９００ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を有し得る。または、ポリマゲルは４００ｍ２／ｇ〜８００ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を有し得る。
一実施形態では、ポリマゲルは０．１０ｃｍ３／ｇ〜０．６０ｃｍ３／ｇのタップ密度を有し得る。一実施形態では、ポリマゲルは０．１５ｃｍ３／ｇ〜０．２５ｃｍ３／ｇのタップ密度を有し得る。本開示の一実施形態では、ポリマゲルは、少なくとも１５０ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積および０．６０ｃｍ３／ｇ未満のタップ密度を有し得る。または、ポリマゲルは、少なくとも２５０ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積および０．４ｃｍ３／ｇ未満のタップ密度を有し得る。別の実施形態では、ポリマゲルは、少なくとも５００ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積および０．３０ｃｍ３／ｇ未満のタップ密度を有し得る。
本明細書に開示の態様または変形の任意のものの別の実施形態では、ポリマゲルは１５％未満、１３％未満、１０％未満、５％未満、または１％未満の残存水含量を有し得る。
一実施形態では、ポリマゲルは、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％、または総細孔容積の少なくとも９９％を占める５００オングストローム以下の細孔の細孔容積率を有し得る。別の実施形態では、ポリマゲルは、総細孔容積の少なくとも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％、または総細孔容積の少なくとも９９％を占める２０ｎｍ以下の細孔の細孔容積率を有し得る。
一部の実施形態では、０．０５の相対圧においてポリマゲルの質量あたり吸着される窒素の量は、０．９９の相対圧までに吸着される全窒素の少なくとも１０％、または０．９９の相対圧までに吸着される全窒素の少なくとも２０％であり得る。別の実施形態では、０．０５の相対圧においてポリマゲルの質量あたり吸着される窒素の量は、０．９９の相対圧までに吸着される全窒素の１０％〜５０％であり得、０．９９の相対圧までに吸着される全窒素の２０％〜６０％であり得、または０．９９の相対圧までに吸着される全窒素の２０％〜３０％であり得る。
一実施形態では、ポリマゲルは、全細孔表面積の少なくとも５０％、全細孔表面積の少なくとも７５％、全細孔表面積の少なくとも９０％、または全細孔表面積の少なくとも９９％を占める、１００ｎｍ以下の細孔の細孔表面積率を有し得る。別の実施形態では、ポリマゲルは、全細孔表面積の少なくとも５０％、全細孔表面積の少なくとも７５％、全細孔表面の少なくとも９０％、または全細孔表面積の少なくとも９９％を占める、２０ｎｍ以下の細孔の細孔表面積率を有し得る。
上でより詳細に説明されたように、開示される炭素材料を調製するための方法はポリマゲルの熱分解を含み得る。一部の実施形態では、熱分解されたポリマゲルは約１００ｍ２／ｇ〜約１，２００ｍ２／ｇの表面積を有し得る。例えば、熱分解されたポリマゲルは、約１００ｍ２／ｇ、約１５０ｍ２／ｇ、約２００ｍ２／ｇ、約２５０ｍ２／ｇ、約３００ｍ２／ｇ、約３５０ｍ２／ｇ、約４００ｍ２／ｇ、約４５０ｍ２／ｇ、または約５００ｍ２／ｇの最低値から、約６００ｍ２／ｇ、約６５０ｍ２／ｇ、約７００ｍ２／ｇ、約７５０ｍ２／ｇ、約８００ｍ２／ｇ、約８５０ｍ２／ｇ、約９００ｍ２／ｇ、約９５０ｍ２／ｇ、約１，０００ｍ２／ｇ、約１，０５０ｍ２／ｇ、約１，１００ｍ２／ｇ、約１，１５０ｍ２／ｇ、または約１，２００ｍ２／ｇの最高値までの表面を有し得る。別の実施形態では、熱分解されたポリマゲルは、約１００ｍ２／ｇ、約２００ｍ２／ｇ、約３００ｍ２／ｇ、約４００ｍ２／ｇ、約５００ｍ２／ｇ、約６００ｍ２／ｇ、約７００ｍ２／ｇ、約８００ｍ２／ｇ、約９００ｍ２／ｇ、または約１，０００ｍ２／ｇの最低値から約１，２００ｍ２／ｇ、約１，４００ｍ２／ｇ、約１，６００ｍ２／ｇ、約１，８００ｍ２／ｇ、約２，０００ｍ２／ｇ、約２，２００ｍ２／ｇ、約２，４００ｍ２／ｇ、約２，６００ｍ２／ｇ、約２，８００ｍ２／ｇ、または約３，０００ｍ２／ｇの最高値までの比表面積を有し得る。別の実施形態では、熱分解されたポリマゲルは約５００ｍ２／ｇ〜約８００ｍ２／ｇの表面積を有し得る。別の実施形態では、熱分解されたポリマゲルは約５００ｍ２／ｇ〜約７００ｍ２／ｇの表面積を有し得る。
別の実施形態では、熱分解されたポリマゲルは約０．１ｃｍ３／ｇ〜約１．０ｃｍ３／ｇのタップ密度を有し得る。例えば、熱分解されたポリマゲルは、約０．１ｃｍ３／ｇ、約０．１５ｃｍ３／ｇ、約０．２ｃｍ３／ｇ、約０．２５ｃｍ３／ｇ、約０．３ｃｍ３／ｇ、約０．３５ｃｍ３／ｇ、または約０．４ｃｍ３／ｇの最低値から約０．６ｃｍ３／ｇ、約０．６５ｃｍ３／ｇ、約０．７ｃｍ３／ｇ、約０．７５ｃｍ３／ｇ、約０．８ｃｍ３／ｇ、約０．８５ｃｍ３／ｇ、約０．９ｃｍ３／ｇ、約０．９５ｃｍ３／ｇ、または約１ｃｍ３／ｇの最高値までのタップ密度を有し得る。別の実施形態では、熱分解されたポリマゲルは約０．３ｃｍ３／ｇ〜約０．６ｃｍ３／ｇのタップ密度を有し得る。別の実施形態では、熱分解されたポリマゲルは約０．３ｃｍ３／ｇ〜約０．５ｃｍ３／ｇのタップ密度を有し得る。
一部の実施形態では、ポリマゲルは約４μｍ〜約１０ｍｍの範囲の平均粒径を有し得る。別の実施形態では、ポリマゲルの平均粒径は約１μｍ〜約４ｍｍであり得る。別の実施形態では、ポリマゲルの平均粒径は約１０μｍ〜約１ｍｍであり得る。さらに別の実施形態では、ポリマゲルの平均粒径は約２０μｍ〜約５００μｍであり得る。さらに別の実施形態では、ポリマゲルの平均粒径は約５００μｍ〜約４ｍｍであり得る。さらに別の実施形態では、ポリマゲルの平均粒径は約２μｍ〜約３００μｍであり得る。別の実施形態では、ポリマゲルの平均粒径は約１００μｍ〜約１０μｍであり得る。一部の実施形態では、ポリマゲルの平均粒径は約０．９ｍｍ、約０．８ｍｍ、または約０．５ｍｍであり得る。別の実施形態では、ポリマゲルの平均粒径は、約１００μｍ、約５０μｍ、または約１０μｍであり得る。
さらに別の実施形態では、ポリマゲルは、単分散のまたはほぼ単分散の粒径分布を有し得る。例えば、一部の実施形態では、（Ｄｖ，９０−Ｄｖ，１０）／Ｄｖ，５０が３未満になり、Ｄｖ，１０、Ｄｖ，５０、およびＤｖ，９０が体積による粒径分布のそれぞれ１０％、５０％、および９０％における粒径であるような粒径分布を、ポリマゲルが有する。さらなる実施形態では、（Ｄｖ，９０−Ｄｖ，１０）／Ｄｖ，５０は２未満、または１未満であり得る。さらに別の実施形態では、（Ｄｖ，９０−Ｄｖ，１０）／Ｄｖ，５０は、１，０００未満、９００未満、８００未満、７００未満、６００未満、５００未満、４００未満、３００未満、２００未満、１００未満、１０未満、５未満、３未満、２未満、１．５未満、または１未満であり得る。
さらに別の実施形態では、ポリマゲル粒子は実質的に球状の形状を有し得る（例えば図２３Ａ参照）。かかる形状は、一部の実施形態では、下でより詳細に説明されるように所産の炭素粒子の球状の形状に寄与する。一部の実施形態ではポリマゲルは複数のポリマゲル粒子であり得、ポリマゲル粒子の９０％超が球状の形状を有する。例えば、一部の実施形態ではポリマゲル粒子の９５％超が球状の形状を有する。
ポリマゲルは電気化学的調節剤を含み得るので、ゲルの元素内容は様々であり得る。一部の実施形態では、ポリマゲルは約１００ｐｐｍ超の電気化学的調節剤を含み得る。一部の実施形態では、電気化学的調節剤は、窒素、鉄、スズ、ケイ素、ニッケル、アルミニウム、およびマンガンから選択され得る。一部の実施形態では電気化学的調節剤はケイ素であり得、別の実施形態では電気化学的調節剤は窒素であり得る。
ポリマゲル中の電気化学的調節剤の量は、最終的な炭素材料にとって望ましいレベルに制御され得る。したがって、一部の実施形態では、ポリマゲルは、少なくとも０．１０ｗｔ％、少なくとも０．２５ｗｔ％、少なくとも０．５０ｗｔ％、少なくとも１．０ｗｔ％、少なくとも５．０％、少なくとも１０ｗｔ％、少なくとも２５ｗｔ％、少なくとも５０ｗｔ％、少なくとも７５ｗｔ％、少なくとも９０ｗｔ％、少なくとも９５ｗｔ％、少なくとも９９ｗｔ％、または少なくとも９９．５ｗｔ％の電気化学的調節剤を含み得る。例えば、一部の実施形態では、ポリマゲルは０．５ｗｔ％〜９９．５ｗｔ％の炭素および０．５ｗｔ％〜９９．５ｗｔ％の電気化学的調節剤を含み得る。電気化学的調節剤の割合は重量パーセント基準（ｗｔ％）で計算される。
Ｃ．炭素材料の特性
本開示の一実施形態は、本明細書において開示される方法の任意のものによって調製される炭素材料を提供する。炭素材料の細孔径分布は、他の公知の炭素材料を含むデバイスと比較して、その炭素材料を含む電気デバイスの優れた性能に寄与し得る。例えば、一部の実施形態では、熱分解および／または賦活化によって、炭素材料はミクロ細孔とメソ細孔との最適化された混合物を含み得、低い表面官能性も含み得る。別の実施形態では、炭素材料は、１１〜９２の範囲の原子番号を有する全ての元素の合計５００ｐｐｍ未満を含み得る（プロトン励起Ｘ線放出法によって測定される）。例えば、炭素材料は、１１〜９２の範囲の原子番号を有する元素の全てを、合計４７５ｐｐｍ未満、４５０ｐｐｍ未満、４００ｐｐｍ未満、３５０ｐｐｍ未満、３００ｐｐｍ未満、２５０ｐｐｍ未満、２００ｐｐｍ未満、１５０ｐｐｍ未満、１００ｐｐｍ未満、７５ｐｐｍ未満、または５０ｐｐｍ未満で含み得る（プロトン励起Ｘ線放出法によって測定される）。高い純度並びに最適化されたミクロ細孔および／またはメソ細孔分布は、炭素材料をウルトラキャパシタなどの蓄給電デバイスへの使用にとって理想的なものとする。
理論によって拘束されることを望むものではないが、出願人は、開示される炭素材料の最適化された細孔径分布および高純度が、少なくとも部分的には、開示される乳化／懸濁重合法に帰せられ得ると考える。開示される炭素材料の特性、さらにはそれらの調製のための方法が、以下でより詳細に説明される。
理論によって拘束されることを望むものではないが、細孔構造に加えて、炭素材料の純度のプロフィル、表面積、および他の特性は、その調製方法の作用であると考えられる。調製のパラメータの変化は、種々の特性を有する炭素材料をもたらし得る。したがって、一部の実施形態では、炭素材料は、熱分解された乾燥ポリマゲル、例えば熱分解されたポリマクリオゲル、熱分解されたポリマキセロゲル、または熱分解されたポリマエアロゲルであり得る。別の実施形態では、炭素材料は熱分解および賦活化され得る（例えば合成活性炭材料）。例えば、さらなる実施形態では、炭素材料は、賦活化された乾燥ポリマゲル、賦活化されたポリマクリオゲル、賦活化されたポリマキセロゲル、または賦活化されたポリマエアロゲルであり得る。
上記のように、活性炭粒子はエネルギー蓄蔵材料として広く用いられている。この点で決定的に重要な特徴は高いパワー密度であり、これは、高い周波数応答をもたらす低いイオン抵抗を有する電極によって可能である。低いイオン抵抗を達成することは重要である。例えば、デバイスの種々の状況においては、サイクル実行に応答する能力が制約条件となる。開示される方法は、「どのようにして電極の組成を最適化して電気エネルギーの蓄蔵および供給デバイスの出力性能を最大化するか」という課題を解決する炭素材料を調製するために有用である。その炭素材料を含むデバイスは、長期安定性、速い応答時間、および高いパルス出力性能を示す。
一部の実施形態では、開示される方法は、ミクロ細孔および／またはメソ細孔構造を含み得る炭素材料を生じ、それはミクロ細孔またはメソ細孔または両方にある総細孔容積の割合（パーセント）によって通常は表される。したがって、一部の実施形態では、炭素材料の細孔構造は２０％〜９０％のミクロ細孔であり得る。別の実施形態では、炭素材料の細孔構造は３０％〜７０％のミクロ細孔であり得る。別の実施形態では、炭素材料の細孔構造は４０％〜６０％のミクロ細孔であり得る。別の実施形態では、炭素材料の細孔構造は４０％〜５０％のミクロ細孔であり得る。別の実施形態では、炭素材料の細孔構造は４３％〜４７％のミクロ細孔であり得る。一部の実施形態では、炭素材料の細孔構造は約４５％のミクロ細孔であり得る。別の実施形態では、炭素材料の細孔構造は、約２０％、約２５％、約３０％、約３５％、約３７％、約４０％、または約４３％の最低値から約４７％、約５０％、約５５％、約６０％、約６５％、約７０％、約７５％、約８０％、約８５％、または約９０％のミクロ細孔の最高値までであり得る。
炭素材料のメソ細孔性は高いイオン移動性および低い抵抗に寄与し得る。一部の実施形態では、炭素材料の細孔構造は２０％〜８０％のメソ細孔であり得る。別の実施形態では、炭素材料の細孔構造は３０％〜７０％のメソ細孔であり得る。別の実施形態では、炭素材料の細孔構造は４０％〜６０％のメソ細孔であり得る。別の実施形態では、炭素材料の細孔構造は５０％〜６０％のメソ細孔であり得る。別の実施形態では、炭素材料の細孔構造は５３％〜５７％のメソ細孔であり得る。別の実施形態では、炭素材料の細孔構造は約５５％のメソ細孔であり得る。別の実施形態では、炭素材料の細孔構造は、約２０％、約２５％、約３０％、約３５％、約３７％、約４０％、または約４３％の最低値から約４７％、約５０％、約５５％、約６０％、約６５％、約７０％、約７５％、約８０％、約８５％、または約９０％のメソ細孔の最高値までであり得る。
炭素材料中のミクロ細孔およびメソ細孔の最適化された混合は、その向上した電気化学的性能に寄与し得る。したがって、一部の実施形態では、炭素材料の細孔構造は２０％〜８０％のミクロ細孔および２０％〜８０％のメソ細孔であり得る。別の実施形態では、炭素材料の細孔構造は３０％〜７０％のミクロ細孔および３０％〜７０％のメソ細孔であり得る。別の実施形態では、炭素材料の細孔構造は４０％〜６０％のミクロ細孔および４０％〜６０％のメソ細孔を含んでなる。別の実施形態では、炭素材料の細孔構造は４０％〜５０％のミクロ細孔および５０％〜６０％のメソ細孔であり得る。別の実施形態では、炭素材料の細孔構造は４３％〜４７％のミクロ細孔および５３％〜５７％のメソ細孔であり得る。別の実施形態では、炭素材料の細孔構造は約４５％のミクロ細孔および約５５％のメソ細孔であり得る。
他の変形では、炭素材料は、２０ｎｍ超の細孔の相当な容積は有さない。例えば、一部の実施形態では、炭素材料は、総細孔容積の２５％未満、２０％未満、１５％未満、１０％未満、５％未満、２．５％未満、または１％未満を、２０ｎｍ超の細孔に有し得る。
炭素材料の細孔性はそれらの向上した電気化学的性能に寄与し得る。したがって、一実施形態では、炭素材料は、２０オングストローム未満の細孔にある細孔容積を、少なくとも１．８ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．２ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．６ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．３０ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．２５ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．２０ｃｍ３／ｇ、または少なくとも０．１５ｃｍ３／ｇで有し得る。別の実施形態では、炭素材料は、２０オングストローム超の細孔にある細孔容積を少なくとも７ｃｍ３／ｇ、少なくとも５ｃｍ３／ｇ、少なくとも４．００ｃｍ３／ｇ、少なくとも３．７５ｃｍ３／ｇ、少なくとも３．５０ｃｍ３／ｇ、少なくとも３．２５ｃｍ３／ｇ、少なくとも３．００ｃｍ３／ｇ、少なくとも２．７５ｃｍ３／ｇ、少なくとも２．５０ｃｍ３／ｇ、少なくとも２．２５ｃｍ３／ｇ、少なくとも２．００ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．９０ｃｍ３／ｇ、１．８０ｃｍ３／ｇ、１．７０ｃｍ３／ｇ、１．６０ｃｍ３／ｇ、１．５０ｃｍ３／ｇ、１．４０ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．３０ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．２０ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．１０ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．００ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．８５ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．８０ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．７５ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．７０ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．６５ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．５０ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．４ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．２ｃｍ３／ｇ、または少なくとも０．１ｃｍ３／ｇで有し得る。
別の実施形態では、炭素材料は、２０オングストローム〜５００オングストロームの範囲の細孔について、少なくとも７．００ｃｍ３／ｇ、少なくとも５．００ｃｍ３／ｇ、少なくとも４．００ｃｍ３／ｇ、少なくとも３．７５ｃｍ３／ｇ、少なくとも３．５０ｃｍ３／ｇ、少なくとも３．２５ｃｍ３／ｇ、少なくとも３．００ｃｍ３／ｇ、少なくとも２．７５ｃｍ３／ｇ、少なくとも２．５０ｃｍ３／ｇ、少なくとも２．２５ｃｍ３／ｇ、少なくとも２．００ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．９０ｃｍ３／ｇ、１．８０ｃｍ３／ｇ、１．７０ｃｍ３／ｇ、１．６０ｃｍ３／ｇ、１．５０ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．４０ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．３０ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．２０ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．０ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．８ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．６ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．４ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．２ｃｍ３／ｇ、または少なくとも０．１ｃｍ３／ｇの細孔容積を有し得る。
別の実施形態では、炭素材料は、２０オングストローム〜３００オングストロームの範囲の細孔について、少なくとも、少なくとも７．００ｃｍ３／ｇ、少なくとも５．００ｃｍ３／ｇ、４．００ｃｍ３／ｇ、少なくとも３．７５ｃｍ３／ｇ、少なくとも３．５０ｃｍ３／ｇ、少なくとも３．２５ｃｍ３／ｇ、少なくとも３．００ｃｍ３／ｇ、少なくとも２．７５ｃｍ３／ｇ、少なくとも２．５０ｃｍ３／ｇ、少なくとも２．２５ｃｍ３／ｇ、少なくとも２．００ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．９０ｃｍ３／ｇ、１．８０ｃｍ３／ｇ、１．７０ｃｍ３／ｇ、１．６０ｃｍ３／ｇ、１．５０ｃｍ３／ｇ、１．４０ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．３０ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．２０ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．１０ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．００ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．８５ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．８０ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．７５ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．７０ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．６５ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．５０ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．４０ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．３０ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．２０ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．０ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．８ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．６ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．４ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．２ｃｍ３／ｇ、または少なくとも０．１ｃｍ３／ｇの細孔容積を有し得る。
別の実施形態では、炭素材料は、２０オングストローム〜１，０００オングストロームの範囲の細孔について、少なくとも７ｃｍ３／ｇ、少なくとも５ｃｍ３／ｇ、少なくとも４．００ｃｍ３／ｇ、少なくとも３．７５ｃｍ３／ｇ、少なくとも３．５０ｃｍ３／ｇ、少なくとも３．２５ｃｍ３／ｇ、少なくとも３．００ｃｍ３／ｇ、少なくとも２．７５ｃｍ３／ｇ、少なくとも２．５０ｃｍ３／ｇ、少なくとも２．２５ｃｍ３／ｇ、少なくとも２．００ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．９０ｃｍ３／ｇ、１．８０ｃｍ３／ｇ、１．７０ｃｍ３／ｇ、１．６０ｃｍ３／ｇ、１．５０ｃｍ３／ｇ、１．４０ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．３０ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．２０ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．０ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．８ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．６ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．４ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．２ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．１ｃｍ３／ｇの細孔容積を有し得る。
別の実施形態では、炭素材料は、２０オングストローム〜２，０００オングストロームの範囲の細孔について、少なくとも７ｃｍ３／ｇ、少なくとも５ｃｍ３／ｇ、少なくとも４．００ｃｍ３／ｇ、少なくとも３．７５ｃｍ３／ｇ、少なくとも３．５０ｃｍ３／ｇ、少なくとも３．２５ｃｍ３／ｇ、少なくとも３．００ｃｍ３／ｇ、少なくとも２．７５ｃｍ３／ｇ、少なくとも２．５０ｃｍ３／ｇ、少なくとも２．２５ｃｍ３／ｇ、少なくとも２．００ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．９０ｃｍ３／ｇ、１．８０ｃｍ３／ｇ、１．７０ｃｍ３／ｇ、１．６０ｃｍ３／ｇ、１．５０ｃｍ３／ｇ、１．４０ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．３０ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．２０ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．０ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．８ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．６ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．４ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．２ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．１ｃｍ３／ｇの細孔容積を有し得る。
別の実施形態では、炭素材料は、２０オングストローム〜５，０００オングストロームの範囲の細孔について、少なくとも７ｃｍ３／ｇ、少なくとも５ｃｍ３／ｇ、少なくとも４．００ｃｍ３／ｇ、少なくとも３．７５ｃｍ３／ｇ、少なくとも３．５０ｃｍ３／ｇ、少なくとも３．２５ｃｍ３／ｇ、少なくとも３．００ｃｍ３／ｇ、少なくとも２．７５ｃｍ３／ｇ、少なくとも２．５０ｃｍ３／ｇ、少なくとも２．２５ｃｍ３／ｇ、少なくとも２．００ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．９０ｃｍ３／ｇ、１．８０ｃｍ３／ｇ、１．７０ｃｍ３／ｇ、１．６０ｃｍ３／ｇ、１．５０ｃｍ３／ｇ、１．４０ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．３０ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．２０ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．０ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．８ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．６ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．４ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．２ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．１ｃｍ３／ｇの細孔容積を有し得る。
別の実施形態では、炭素材料は、２０オングストローム〜１ミクロンの範囲の細孔について、少なくとも７ｃｍ３／ｇ、少なくとも５ｃｍ３／ｇ、少なくとも４．００ｃｍ３／ｇ、少なくとも３．７５ｃｍ３／ｇ、少なくとも３．５０ｃｍ３／ｇ、少なくとも３．２５ｃｍ３／ｇ、少なくとも３．００ｃｍ３／ｇ、少なくとも２．７５ｃｍ３／ｇ、少なくとも２．５０ｃｍ３／ｇ、少なくとも２．２５ｃｍ３／ｇ、少なくとも２．００ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．９０ｃｍ３／ｇ、１．８０ｃｍ３／ｇ、１．７０ｃｍ３／ｇ、１．６０ｃｍ３／ｇ、１．５０ｃｍ３／ｇ、１．４０ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．３０ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．２０ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．０ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．８ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．６ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．４ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．２ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．１ｃｍ３／ｇの細孔容積を有し得る．
別の実施形態では、炭素材料は、２０オングストローム〜２ミクロンの範囲の細孔について、少なくとも７ｃｍ３／ｇ、少なくとも５ｃｍ３／ｇ、少なくとも４．００ｃｍ３／ｇ、少なくとも３．７５ｃｍ３／ｇ、少なくとも３．５０ｃｍ３／ｇ、少なくとも３．２５ｃｍ３／ｇ、少なくとも３．００ｃｍ３／ｇ、少なくとも２．７５ｃｍ３／ｇ、少なくとも２．５０ｃｍ３／ｇ、少なくとも２．２５ｃｍ３／ｇ、少なくとも２．００ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．９０ｃｍ３／ｇ、１．８０ｃｍ３／ｇ、１．７０ｃｍ３／ｇ、１．６０ｃｍ３／ｇ、１．５０ｃｍ３／ｇ、１．４０ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．３０ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．２０ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．０ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．８ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．６ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．４ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．２ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．１ｃｍ３／ｇの細孔容積を有し得る。
別の実施形態では、炭素材料は、２０オングストローム〜３ミクロンの範囲の細孔について、少なくとも７ｃｍ３／ｇ、少なくとも５ｃｍ３／ｇ、少なくとも４．００ｃｍ３／ｇ、少なくとも３．７５ｃｍ３／ｇ、少なくとも３．５０ｃｍ３／ｇ、少なくとも３．２５ｃｍ３／ｇ、少なくとも３．００ｃｍ３／ｇ、少なくとも２．７５ｃｍ３／ｇ、少なくとも２．５０ｃｍ３／ｇ、少なくとも２．２５ｃｍ３／ｇ、少なくとも２．００ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．９０ｃｍ３／ｇ、１．８０ｃｍ３／ｇ、１．７０ｃｍ３／ｇ、１．６０ｃｍ３／ｇ、１．５０ｃｍ３／ｇ、１．４０ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．３０ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．２０ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．０ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．８ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．６ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．４ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．２ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．１ｃｍ３／ｇの細孔容積を有し得る。
別の実施形態では、炭素材料は、２０オングストローム〜４ミクロンの範囲の細孔について、少なくとも７ｃｍ３／ｇ、少なくとも５ｃｍ３／ｇ、少なくとも４．００ｃｍ３／ｇ、少なくとも３．７５ｃｍ３／ｇ、少なくとも３．５０ｃｍ３／ｇ、少なくとも３．２５ｃｍ３／ｇ、少なくとも３．００ｃｍ３／ｇ、少なくとも２．７５ｃｍ３／ｇ、少なくとも２．５０ｃｍ３／ｇ、少なくとも２．２５ｃｍ３／ｇ、少なくとも２．００ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．９０ｃｍ３／ｇ、１．８０ｃｍ３／ｇ、１．７０ｃｍ３／ｇ、１．６０ｃｍ３／ｇ、１．５０ｃｍ３／ｇ、１．４０ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．３０ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．２０ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．０ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．８ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．６ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．４ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．２ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．１ｃｍ３／ｇの細孔容積を有し得る。
別の実施形態では、炭素材料は、２０オングストローム〜５ミクロンの範囲の細孔について、少なくとも７ｃｍ３／ｇ、少なくとも５ｃｍ３／ｇ、少なくとも４．００ｃｍ３／ｇ、少なくとも３．７５ｃｍ３／ｇ、少なくとも３．５０ｃｍ３／ｇ、少なくとも３．２５ｃｍ３／ｇ、少なくとも３．００ｃｍ３／ｇ、少なくとも２．７５ｃｍ３／ｇ、少なくとも２．５０ｃｍ３／ｇ、少なくとも２．２５ｃｍ３／ｇ、少なくとも２．００ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．９０ｃｍ３／ｇ、１．８０ｃｍ３／ｇ、１．７０ｃｍ３／ｇ、１．６０ｃｍ３／ｇ、１．５０ｃｍ３／ｇ、１．４０ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．３０ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．２０ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．０ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．８ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．６ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．４ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．２ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．１ｃｍ３／ｇの細孔容積を有し得る。
さらに別の実施形態では、炭素材料は、少なくとも４．００ｃｍ３／ｇ、少なくとも３．７５ｃｍ３／ｇ、少なくとも３．５０ｃｍ３／ｇ、少なくとも３．２５ｃｍ３／ｇ、少なくとも３．００ｃｍ３／ｇ、少なくとも２．７５ｃｍ３／ｇ、少なくとも２．５０ｃｍ３／ｇ、少なくとも２．２５ｃｍ３／ｇ、少なくとも２．００ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．９０ｃｍ３／ｇ、１．８０ｃｍ３／ｇ、１．７０ｃｍ３／ｇ、１．６０ｃｍ３／ｇ、１．５０ｃｍ３／ｇ、１．４０ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．３０ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．２０ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．１０ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．００ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．８５ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．８０ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．７５ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．７０ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．６５ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．６０ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．５５ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．５０ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．４５ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．４０ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．３５ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．３０ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．２５ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．２０ｃｍ３／ｇ、または少なくとも０．１０ｃｍ３／ｇの総細孔容積を有し得る。別の実施形態では、炭素材料は、約０．１ｃｍ３／ｇ、約０．２ｃｍ３／ｇ、約０．２５ｃｍ３／ｇ、約０．３ｃｍ３／ｇ、約０．４ｃｍ３／ｇ、約０．５ｃｍ３／ｇ、約０．６ｃｍ３／ｇ、約０．７ｃｍ３／ｇ、約０．８ｃｍ３／ｇ、約０．９ｃｍ３／ｇ、または約１ｃｍ３／ｇの最低値から約１．５ｃｍ３／ｇ、約２ｃｍ３／ｇ、約２．５ｃｍ３／ｇ、約３ｃｍ３／ｇ、約３．５ｃｍ３／ｇ、約４ｃｍ３／ｇ、約４．５ｃｍ３／ｇ、約５ｃｍ３／ｇ、約５．５ｃｍ３／ｇ、約６ｃｍ３／ｇ、約６．５ｃｍ３／ｇ、約７ｃｍ３／ｇ、約７．５ｃｍ３／ｇ、または約８ｃｍ３／ｇの最高値までの総細孔容積を有し得る。
さらに別の実施形態では、炭素材料は、少なくとも０．２ｃｍ３／ｇである２０オングストローム未満の細孔にある細孔容積と、少なくとも０．８ｃｍ３／ｇである２０〜３００オングストロームの細孔にある細孔容積とを有し得る。さらに別の実施形態では、炭素材料は、少なくとも０．５ｃｍ３／ｇである２０オングストローム未満の細孔にある細孔容積と、少なくとも０．５ｃｍ３／ｇである２０〜３００オングストロームの細孔にある細孔容積とを有し得る。さらに別の実施形態では、炭素は、少なくとも０．６ｃｍ３／ｇである２０オングストローム未満の細孔にある細孔容積と、少なくとも２．４ｃｍ３／ｇである２０〜３００オングストロームの細孔にある細孔容積とを有し含み得る。さらに別の実施形態では、炭素材料は、少なくとも１．５ｃｍ３／ｇである２０オングストローム未満の細孔にある細孔容積と、少なくとも１．５ｃｍ３／ｇである２０〜３００オングストロームの細孔にある細孔容積とを有し得る。
一部の実施形態では、炭素材料の細孔は２ｎｍ〜１０ｎｍのピーク細孔容積を有し得る。別の実施形態では、ピーク細孔容積は１０ｎｍ〜２０ｎｍであり得る。さらに別の実施形態では、ピーク細孔容積は２０ｎｍ〜３０ｎｍであり得る。さらに別の実施形態では、ピーク細孔容積は３０ｎｍ〜４０ｎｍであり得る。さらに別の実施形態では、ピーク細孔容積は４０ｎｍ〜５０ｎｍであり得る。別の実施形態では、ピーク細孔容積は５０ｎｍ〜１００ｎｍであり得る。別の実施形態では、炭素材料の細孔は、約２ｎｍ、約５ｎｍ、約１０ｎｍ、約１５ｎｍ、約２０ｎｍ、約２５ｎｍ、約３０ｎｍ、約３５ｎｍ、約４０ｎｍ、約４５ｎｍ、または約５０ｎｍの最低値から約６０ｎｍ、約６５ｎｍ、約７０ｎｍ、約７５ｎｍ、約８０ｎｍ、約８５ｎｍ、約９０ｎｍ、約９５ｎｍ、または約１００ｎｍの最高値までのピーク細孔容積を有し得る。
一部の実施形態では、ミクロ細孔領域の低い細孔容積（例えば、６０％未満、５０％未満、４０％未満、３０％未満、２０％未満のミクロ細孔性）を有するメソ細孔性炭素材料が、開示される方法によって調製され得る。例えば、メソ細孔性炭素材料は、熱分解はされたが賦活化されてはいないポリマゲルであり得る。一部の実施形態では、熱分解されたメソ細孔性炭素は、少なくとも４００ｍ２／ｇ、少なくとも５００ｍ２／ｇ、少なくとも６００ｍ２／ｇ、少なくとも６７５ｍ２／ｇ、または少なくとも７５０ｍ２／ｇの比表面積を有し得る。別の実施形態では、メソ細孔性炭素材料は、少なくとも０．５０ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．６０ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．７０ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．８０ｃｍ３／ｇ、または少なくとも０．９０ｃｍ３／ｇの総細孔容積を有し得る。さらに別の実施形態では、メソ細孔性炭素材料は、少なくとも０．３０ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．３５ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．４０ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．４５ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．５０ｃｍ３／ｇ、または少なくとも０．５５ｃｍ３／ｇのタップ密度を有し得る。
別の実施形態では、炭素材料は０．１ｃｍ３／ｇ以上の範囲の総細孔容積を有し得る。別の実施形態では、炭素材料は０．６ｃｍ３／ｇ以下の総細孔容積を有する。別の実施形態では、炭素材料は約０．１ｃｍ３／ｇ〜約０．６ｃｍ３／ｇの範囲の総細孔容積を有する。一部の他の実施形態では、炭素材料の総細孔容積は約０．１ｃｍ３／ｇ〜約０．２ｃｍ３／ｇであり得る。一部の他の実施形態では、炭素材料の総細孔容積は約０．２ｃｍ３／ｇ〜約０．３ｃｍ３／ｇであり得る。一部の他の実施形態では、炭素材料の総細孔容積は約０．３ｃｍ３／ｇ〜約０．４ｃｍ３／ｇであり得る。一部の他の実施形態では、炭素材料の総細孔容積は約０．４ｃｍ３／ｇ〜約０．５ｃｍ３／ｇであり得る。一部の他の実施形態では、炭素材料の総細孔容積は約０．５ｃｍ３／ｇ〜約０．６ｃｍ３／ｇであり得る。別の実施形態では、炭素材料の総細孔容積は、約０．１ｃｍ３／ｇ、約０．１５ｃｍ３／ｇ、約０．２ｃｍ３／ｇ、約０．２５ｃｍ３／ｇ、または約０．３ｃｍ３／ｇの最低値から約０．３５ｃｍ３／ｇ、約０．４ｃｍ３／ｇ、約０．４５ｃｍ３／ｇ、約０．５ｃｍ３／ｇ、約０．５５ｃｍ３／ｇ、または約０．６ｃｍ３／ｇの最高値までであり得る。
炭素材料は低い全ＰＩＸＥ不純物を含んでなる。したがって、一部の実施形態では、炭素材料中の全ての他のＰＩＸＥ元素の全ＰＩＸＥ不純物含量（プロトン励起Ｘ線放出法によって測定される）は、１，０００ｐｐｍ未満であり得る。別の実施形態では、炭素材料中の全ての他のＰＩＸＥ元素の全ＰＩＸＥ不純物含量は、８００ｐｐｍ未満、７００ｐｐｍ未満、６００ｐｐｍ未満、５００ｐｐｍ未満、４００ｐｐｍ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、または１ｐｐｍ未満であり得る。上記のさらなる実施形態では、炭素材料は、熱分解された乾燥ポリマゲル、熱分解されたポリマクリオゲル、熱分解されたポリマキセロゲル、熱分解されたポリマエアロゲル、賦活化された乾燥ポリマゲル、賦活化されたポリマクリオゲル、賦活化されたポリマキセロゲル、または賦活化されたポリマエアロゲルであり得る。
望まれないＰＩＸＥ不純物の低い含量に加えて、開示される炭素材料は高い総炭素含量を有し得る。炭素に加えて、炭素材料は酸素、水素、窒素、および電気化学的調節剤も含み得る。一部の実施形態では、炭素材料は、重量／重量基準で少なくとも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、少なくとも９９％の炭素、少なくとも９９．５％の炭素、少なくとも９９．７％の炭素、少なくとも９９．９％の炭素、または少なくとも９９．９５％の炭素であり得る。一部の他の実施形態では、炭素材料は、１０％未満の酸素、５％未満の酸素、３％未満の酸素、２．５％未満の酸素、１％未満の酸素、または０．５％未満の酸素を重量／重量基準で含み得る。別の実施形態では、炭素材料は、１０％未満の水素、５％未満の水素、２．５％未満の水素、１％未満の水素、０．５％未満の水素、または０．１％未満の水素を重量／重量基準で含み得る。別の実施形態では、炭素材料は、５％未満の窒素、２．５％未満の窒素、１％未満の窒素、０．５％未満の窒素、０．２５％未満の窒素、または０．０１％未満の窒素を重量／重量基準で含み得る。開示される炭素材料の酸素、水素、および窒素の含量は、燃焼分析によって測定され得る。燃焼分析によって元素組成を測定する技術は当分野においては周知である。
別の実施形態では、炭素含量は、ＣＨＮＯ分析によって測定された場合に９８ｗｔ％超であり得る。別の実施形態では、炭素含量は全質量の５０ｗｔ％〜９８ｗｔ％であり得る。さらに別の実施形態では、炭素含量は全質量の９０ｗｔ％〜９８ｗｔ％であり得る。さらに別の実施形態では、炭素含量は全質量の８０ｗｔ％〜９０ｗｔ％であり得る。さらに別の実施形態では、炭素含量は全質量の７０ｗｔ％〜８０ｗｔ％であり得る。さらに別の実施形態では、炭素含量は全質量の６０ｗｔ％〜７０ｗｔ％であり得る。
別の実施形態では、窒素含量は、ＣＨＮＯ分析によって測定された場合に０ｗｔ％〜約３０ｗｔ％であり得る。別の実施形態では、窒素含量は全質量の１ｗｔ％〜１０ｗｔ％であり得る。さらに別の実施形態では、窒素含量は全質量の１０ｗｔ％〜２０ｗｔ％であり得る。さらに別の実施形態では、窒素含量は全質量の２０ｗｔ％〜３０ｗｔ％であり得る。別の実施形態では、窒素含量は３０ｗｔ％超であり得る。
炭素および窒素の含量はＣ：Ｎの比としても測定され得る。一実施形態では、Ｃ：Ｎ比は１：０．００１〜１：１であり得る。別の実施形態では、Ｃ：Ｎ比は１：０．００１〜０．０１であり得る。さらに別の実施形態では、Ｃ：Ｎ比は１：０．０１〜１：１であり得る。さらに別の実施形態では、窒素の含量は炭素の含量を超える。
炭素材料は、炭素材料の電気化学的性能を最適化するように選択された１つ以上の電気化学的調節剤（すなわちドープ剤）も含み得る。電気化学的調節剤は上記の重合ステップ中に添加され得る。例えば、電気化学的調節剤は、上記の混合物、連続相、またはポリマ相に添加され得、または任意の他の方法によって重合プロセスに含まれ得る。
電気化学的調節剤は、炭素材料の細孔構造中および／または表面に組み込まれ得、またはいくつもの他の方法で組み込まれ得る。例えば、一部の実施形態では、炭素材料は電気化学的調節剤のコーティング（例えばＡｌ２Ｏ３）を炭素材料の表面に含み得る。一部の実施形態では、炭素材料は約１００ｐｐｍ超の電気化学的調節剤を含み得る。一部の実施形態では、電気化学的調節剤は、鉄、スズ、ケイ素、ニッケル、アルミニウム、マンガン、およびそれらの任意の混合物から選択され得る。一部の実施形態では、電気化学的調節剤はケイ素であり得る。別の実施形態では、電気化学的調節剤は窒素であり得る。
一部の実施形態では、電気化学的調節剤は、リチウム金属に対して３から０Ｖまでリチウム化する能力を有する元素であり得る（例えば、ケイ素、スズ、硫黄）。別の実施形態では、電気化学的調節剤は、リチウム金属に対して３から０Ｖまでリチウム化する能力を有する金属酸化物であり得、またはそれを含み得る（例えば、酸化鉄、酸化モリブデン、酸化チタン）。さらに別の実施形態では、電気化学的調節剤は、リチウム金属に対して３から０Ｖまでリチウム化しない元素であり得、またはそれを含み得る（例えば、アルミニウム、マンガン、ニッケル、金属リン酸塩）。さらに別の実施形態では、電気化学的調節剤は非金属元素（例えば、フッ素、窒素、水素）であり得、またはそれを含み得る。さらに別の実施形態では、電気化学的調節剤は、上記の電気化学的調節剤の任意のものまたはそれらの任意の組み合わせ（例えば、スズ−ケイ素、ニッケル−酸化チタン）であり得、またはそれを含み得る。
電気化学的調節剤はいくつもの形態で提供され得る。例えば、一部の実施形態では、電気化学的調節剤は塩であり得、または塩を含み得る。別の実施形態では、電気化学的調節剤は元素の形態の１つ以上の元素、例えば元素の鉄、スズ、ケイ素、ニッケル、またはマンガンであり得、またはそれを含み得る。別の実施形態では、電気化学的調節剤は、酸化形態の１つ以上の元素、例えば酸化鉄、酸化スズ、酸化ケイ素、酸化ニッケル、酸化アルミニウム、または酸化マンガンであり得、またはそれを含み得る。
別の実施形態では、電気化学的調節剤は鉄であるかまたは鉄を含み得る。別の実施形態では、電気化学的調節剤はスズであるかまたはスズを含み得る。別の実施形態では、電気化学的調節剤はケイ素であるかまたはケイ素を含み得る。一部の他の実施形態では、電気化学的調節剤はニッケルであるかまたはニッケルを含み得る。さらに別の実施形態では、電気化学的調節剤はアルミニウムであるかまたはアルミニウムを含み得る。さらに別の実施形態では、電気化学的調節剤はマンガンであるかまたはマンガンを含み得る。さらに別の実施形態では、電気化学的調節剤はＡｌ２Ｏ３であるかまたはＡｌ２Ｏ３を含み得る。
炭素材料の電気化学的特性は、炭素材料中の電気化学的調節剤の量によって少なくとも部分的に調節され得る。したがって、一部の実施形態では、炭素材料は、少なくとも０．１０ｗｔ％、少なくとも０．２５ｗｔ％、少なくとも０．５０ｗｔ％、少なくとも１．０ｗｔ％、少なくとも５．０ｗｔ％、少なくとも１０ｗｔ％、少なくとも２５ｗｔ％、少なくとも５０ｗｔ％、少なくとも７５ｗｔ％、少なくとも９０ｗｔ％、少なくとも９５ｗｔ％、少なくとも９９ｗｔ％、または少なくとも９９．５ｗｔ％の電気化学的調節剤であり得る。例えば、一部の実施形態では、炭素材料は０．５ｗｔ％〜９９．５ｗｔ％の炭素と０．５ｗｔ％〜９９．５ｗｔ％の電気化学的調節剤とを含み得る。電気化学的調節剤の百分率は重量パーセント基準（ｗｔ％）で計算される。一部の別のもっと具体的な実施形態では、電気化学的調節剤は、鉄、スズ、ケイ素、ニッケル、およびマンガンから選択される。
炭素材料の全灰分は、一部の場合には、炭素材料の電気化学的性能に影響を及ぼし得る。したがって、一部の実施形態では、炭素材料の灰分は約０．１ｗｔ％〜０．００１ｗｔ％の灰分であり得る。例えば、一部の具体的な実施形態では、炭素材料の灰分は、０．１ｗｔ％未満、０．０８ｗｔ％未満、０．０５ｗｔ％未満、０．０３ｗｔ％未満、０．０２５ｗｔ％未満、０．０１ｗｔ％未満、０．００７５ｗｔ％未満、０．００５ｗｔ％未満、または０．００１ｗｔ％未満であり得る。
別の実施形態では、炭素材料は、５００ｐｐｍ未満の全ＰＩＸＥ不純物含量および０．０８ｗｔ％未満の灰分を有し得る。さらなる実施形態では、炭素材料は、３００ｐｐｍ未満の全ＰＩＸＥ不純物含量および０．０５ｗｔ％未満の灰分を有し得る。別のさらなる実施形態では、炭素材料は、２００ｐｐｍ未満の全ＰＩＸＥ不純物含量および０．０５ｗｔ％未満の灰分を有し得る。別のさらなる実施形態では、炭素材料は、２００ｐｐｍ未満の全ＰＩＸＥ不純物含量および０．０２５ｗｔ％未満の灰分を有し得る。別のさらなる実施形態では、炭素材料は、１００ｐｐｍ未満の全ＰＩＸＥ不純物含量および０．０２ｗｔ％未満の灰分を有し得る。別のさらなる実施形態では、炭素材料は、５０ｐｐｍ未満の全ＰＩＸＥ不純物含量および０．０１ｗｔ％未満の灰分を有し得る。
開示される炭素材料中に存在する個々のＰＩＸＥ不純物の量は、プロトン励起Ｘ線放出法によって測定され得る。個々のＰＩＸＥ不純物は、開示される炭素材料の全体的な電気化学的性能に対して様々に寄与し得る。したがって、一部の実施形態では、炭素材料中に存在するナトリウムのレベルは１，０００ｐｐｍ未満、９００ｐｐｍ未満、８００ｐｐｍ未満、７００ｐｐｍ未満、６００ｐｐｍ未満、５００ｐｐｍ未満、４００ｐｐｍ未満、３００ｐｐｍ未満、２００ｐｐｍ未満、１００ｐｐｍ未満、５０ｐｐｍ未満、１０ｐｐｍ未満、または１ｐｐｍ未満であり得る。上記のように、一部の実施形態では、他の不純物、例えば水素、酸素、および／または窒素が１０ｗｔ％未満〜０．０１ｗｔ％未満のレベルで存在し得る。
一部の実施形態では、炭素材料は、プロトン励起Ｘ線放出法分析の検出限界に近いまたはそれを下回る望まれないＰＩＸＥ不純物を有し得る。例えば、一部の実施形態では、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未満のケイ素、４ｐｐｍ未満のリン、３ｐｐｍ未満の硫黄、３ｐｐｍ未満の塩素、２ｐｐｍ未満のカリウム、３ｐｐｍ未満のカルシウム、２ｐｐｍ未満のスカンジウム、１ｐｐｍ未満のチタン、１ｐｐｍ未満のバナジウム、０．５ｐｐｍ未満のクロム、０．５ｐｐｍ未満のマンガン、０．５ｐｐｍ未満の鉄、０．２５ｐｐｍ未満のコバルト、０．２５ｐｐｍ未満のニッケル、０．２５ｐｐｍ未満の銅、０．５ｐｐｍ未満の亜鉛、０．５ｐｐｍ未満のガリウム、０．５ｐｐｍ未満のゲルマニウム、０．５ｐｐｍ未満のヒ素、０．５ｐｐｍ未満のセレン、１ｐｐｍ未満の臭素、１ｐｐｍ未満のルビジウム、１．５ｐｐｍ未満のストロンチウム、２ｐｐｍ未満のイットリウム、３ｐｐｍ未満のジルコニウム、２ｐｐｍ未満のニオブ、４ｐｐｍ未満のモリブデン、４ｐｐｍ未満のテクネチウム、７ｐｐｍ未満のルビジウム、６ｐｐｍ未満のロジウム、６ｐｐｍ未満のパラジウム、９ｐｐｍ未満の銀、６ｐｐｍ未満のカドミウム、６ｐｐｍ未満のインジウム、５ｐｐｍ未満のスズ、６ｐｐｍ未満のアンチモン、６ｐｐｍ未満のテルル、５ｐｐｍ未満のヨウ素、４ｐｐｍ未満のセシウム、４ｐｐｍ未満のバリウム、３ｐｐｍ未満のランタン、３ｐｐｍ未満のセリウム、２ｐｐｍ未満のプラセオジム、２ｐｐｍ未満のネオジム、１．５ｐｐｍ未満のプロメチウム、１ｐｐｍ未満のサマリウム、１ｐｐｍ未満のユウロピウム、１ｐｐｍ未満のガドリニウム、１ｐｐｍ未満のテルビウム、１ｐｐｍ未満のジスプロシウム、１ｐｐｍ未満のホルミウム、１ｐｐｍ未満のエルビウム、１ｐｐｍ未満のツリウム、１ｐｐｍ未満のイッテルビウム、１ｐｐｍ未満のルテチウム、１ｐｐｍ未満のハフニウム、１ｐｐｍ未満のタンタル、１ｐｐｍ未満のタングステン、１．５ｐｐｍ未満のレニウム、１ｐｐｍ未満のオスミウム、１ｐｐｍ未満のイリジウム、１ｐｐｍ未満の白金、１ｐｐｍ未満の銀、１ｐｐｍ未満の水銀、１ｐｐｍ未満のタリウム、１ｐｐｍ未満の鉛、１．５ｐｐｍ未満のビスマス、２ｐｐｍ未満のトリウム、または４ｐｐｍ未満のウラニウムを含み得る。
一部の具体的な実施形態では、プロトン励起Ｘ線放出法によって測定された場合に、炭素材料は１００ｐｐｍ未満のナトリウム、３００ｐｐｍ未満のケイ素、５０ｐｐｍ未満の硫黄、１００ｐｐｍ未満のカルシウム、２０ｐｐｍ未満の鉄、１０ｐｐｍ未満のニッケル、１４０ｐｐｍ未満の銅、５ｐｐｍ未満のクロム、および５ｐｐｍ未満の亜鉛を含み得る。別の具体的な実施形態では、炭素材料は５０ｐｐｍ未満のナトリウム、３０ｐｐｍ未満の硫黄、１００ｐｐｍ未満のケイ素、５０ｐｐｍ未満のカルシウム、１０ｐｐｍ未満の鉄、５ｐｐｍ未満のニッケル、２０ｐｐｍ未満の銅、２ｐｐｍ未満のクロム、および２ｐｐｍ未満の亜鉛を含み得る。
別の具体的な実施形態では、炭素材料は、５０ｐｐｍ未満のナトリウム、５０ｐｐｍ未満のケイ素、３０ｐｐｍ未満の硫黄、１０ｐｐｍ未満のカルシウム、２ｐｐｍ未満の鉄、１ｐｐｍ未満のニッケル、１ｐｐｍ未満の銅、１ｐｐｍ未満のクロム、および１ｐｐｍ未満の亜鉛を含み得る。
一部の別の具体的な実施形態では、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、および１ｐｐｍ未満のマンガンを含み得る。
開示される炭素材料は大きい表面積も含み得る。理論によって拘束されることを望むものではないが、大きい表面積は、少なくとも部分的には、それらの優れた電気化学的性能に寄与し得ると考えられる。したがって、一部の実施形態では、炭素材料は、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１，０００ｍ２／ｇ、少なくとも１，５００ｍ２／ｇ、少なくとも２，０００ｍ２／ｇ、少なくとも２，４００ｍ２／ｇ、少なくとも２，５００ｍ２／ｇ、少なくとも２，７５０ｍ２／ｇ、または少なくとも３，０００ｍ２／ｇのＢＥＴ比表面積を有し得る。別の実施形態では、ＢＥＴ比表面積は、約１００ｍ２／ｇ〜約３，０００ｍ２／ｇ、例えば約５００ｍ２／ｇ〜約１，０００ｍ２／ｇ、約１，０００ｍ２／ｇ〜約１，５００ｍ２／ｇ、約１，５００ｍ２／ｇ〜約２，０００ｍ２／ｇ、約２，０００ｍ２／ｇ〜約２，５００ｍ２／ｇ、または約２，５００ｍ２／ｇ〜約３，０００ｍ２／ｇであり得る。別の例では、炭素材料は、約１００ｍ２／ｇ、約１５０ｍ２／ｇ、約２００ｍ２／ｇ、約２５０ｍ２／ｇ、約３００ｍ２／ｇ、約３５０ｍ２／ｇ、約４００ｍ２／ｇ、約４５０ｍ２／ｇ、または約５００ｍ２／ｇの最低値から約１，０００ｍ２／ｇ、約１，５００ｍ２／ｇ、約２，０００ｍ２／ｇ、約２，４００ｍ２／ｇ、約２，５００ｍ２／ｇ、約２，７５０ｍ２／ｇ、約３，０００ｍ２／ｇ、約３，５００ｍ２／ｇ、約４，０００ｍ２／ｇ、約４，５００ｍ２／ｇ、または約５，０００ｍ２／ｇの最高値までのＢＥＴ比表面積を有し得る。上記の一部の実施形態では、炭素材料は賦活化され得る。
一部の具体的な実施形態では、表面積は約５０ｍ２／ｇ〜約１，２００ｍ２／ｇ、例えば約５０ｍ２／ｇ〜約４００ｍ２／ｇであり得る。別の具体的な実施形態では、表面積は約２００ｍ２／ｇ〜約３００ｍ２／ｇであり得、例えば表面積は約２５０ｍ２／ｇであり得る。
別の実施形態では、炭素材料は、０．１ｃｍ３／ｇ〜１．０ｃｍ３／ｇ、０．２ｃｍ３／ｇ〜０．８ｃｍ３／ｇ、０．３ｃｍ３／ｇ〜０．５ｃｍ３／ｇ、または０．４ｃｍ３／ｇ〜０．５ｃｍ３／ｇのタップ密度を有し得る。別の実施形態では、炭素材料は、少なくとも０．１ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．２ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．３ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．４ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．５ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．７ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．７５ｃｍ３／ｇ、少なくとも０．９ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．０ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．１ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．２ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．３ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．４ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．５ｃｍ３／ｇ、または少なくとも１．６ｃｍ３／ｇの総細孔容積を有し得る。別の実施形態では、炭素材料は、約０．１ｃｍ３／ｇ、約０．１５ｃｍ３／ｇ、約０．２ｃｍ３／ｇ、約０．２５ｃｍ３／ｇ、約０．３ｃｍ３／ｇ、約０．３５ｃｍ３／ｇ、約０．４ｃｍ３／ｇ、約０．４５ｃｍ３／ｇ、または約０．５ｃｍ３／ｇの最低値から約０．６ｃｍ３／ｇ、約０．７ｃｍ３／ｇ、約０．８ｃｍ３／ｇ、約０．９ｃｍ３／ｇ、約１ｃｍ３／ｇ、約１．１ｃｍ３／ｇ、約１．２ｃｍ３／ｇ、約１．３ｃｍ３／ｇ、約１．４ｃｍ３／ｇ、約１．５ｃｍ３／ｇ、約１．６ｃｍ３／ｇ、約１．７ｃｍ３／ｇ、約１．８ｃｍ３／ｇ、約１．９ｃｍ３／ｇ、または約２ｃｍ３／ｇの最高値までのタップ密度を有し得る。
開示される炭素材料の細孔径分布は、炭素材料の電気化学的性能に影響を及ぼし得る１つのパラメータであり得る。例えば、炭素材料は短い有効長（すなわち、ＴＥＭによって測定された場合に１０ｎｍ未満、５ｎｍ未満、または３ｎｍ未満）を有するメソ細孔を含み得、これがイオン拡散距離を減少させ、イオン輸送を向上させて出力を最大化するために有用であり得る。したがって、一実施形態では、総細孔容積の少なくとも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％、または総細孔容積の少なくとも９９％を占める、１００ｎｍ以下の細孔の細孔容積率を炭素材料が有し得る。別の実施形態では、総細孔容積の少なくとも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％、または総細孔容積の少なくとも９９％を占める、２０ｎｍ以下の細孔の細孔容積率を炭素材料が有し得る。
別の実施形態では、全細孔表面積の少なくとも４０％、全細孔表面積の少なくとも５０％、全細孔表面積の少なくとも７０％、または全細孔表面積の少なくとも８０％を占める、２０〜３００オングストロームの細孔の細孔表面積率を炭素材料が有し得る。別の実施形態では、全細孔表面積の少なくとも２０％、全細孔表面積の少なくとも３０％、全細孔表面積の少なくとも４０％、または全細孔表面積の少なくとも５０％を占める、２０ｎｍ以下の細孔の細孔表面積率を炭素材料が有し得る。
別の実施形態では、全細孔表面積の少なくとも５０％、全細孔表面積の少なくとも５５％、全細孔表面積の少なくとも６０％、全細孔表面積の少なくとも６５％、全細孔表面積の少なくとも７０％、全細孔表面積の少なくとも７５％、全細孔表面積の少なくとも８０％、全細孔表面積の少なくとも８５％、全細孔表面積の少なくとも９０％、全細孔表面の少なくとも９５％、または全細孔表面積の少なくとも９９％を占める、１００ｎｍ以下の細孔の細孔表面積率を炭素材料が有し得る。別の実施形態では、全細孔表面積の少なくとも５０％、全細孔表面積の少なくとも５５％、全細孔表面積の少なくとも６０％、全細孔表面積の少なくとも６５％、全細孔表面積の少なくとも７０％、全細孔表面積の少なくとも７５％、全細孔表面積の少なくとも８０％、全細孔表面積の少なくとも８５％、全細孔表面積の少なくとも９０％、全細孔表面積の少なくとも９５％、または全細孔表面積の少なくとも９９％を占める、２０ｎｍ以下の細孔の細孔表面積率を炭素材料が有し得る。
別の実施形態では、炭素材料は、主に１，０００オングストローム以下、９００オングストローム以下、８００オングストローム以下、７００オングストローム以下、６００オングストローム以下、５００オングストローム以下、４００オングストローム以下、３００オングストローム以下、２００オングストローム以下、１００オングストローム以下、または５０オングストローム以下の範囲の細孔を有し得る。または、炭素材料は、０オングストローム〜２０オングストロームの範囲のミクロ細孔および２０オングストローム〜３００オングストロームの範囲のメソ細孔を有し得る。メソ細孔の範囲と比較したミクロ細孔の範囲の細孔容積または細孔表面の比は、９５：５〜５：９５であり得る。または、メソ細孔の範囲と比較したミクロ細孔の範囲の細孔容積または細孔表面の比は、２０：８０〜６０：４０であり得る。別の実施形態では、メソ細孔の範囲と比較したミクロ細孔の範囲の細孔容積または細孔表面の比は、約９０：１０〜１０：９０、約８５：１５〜１５：８５、約８０：２０〜約２０：８０、約７０：３０〜３０：７０、または約６０：４０〜約４０：６０であり得る。
別の実施形態では、炭素材料はメソ細孔性であり得、単分散のメソ細孔を含む。本明細書において用いられる場合、用語「単分散」は、細孔径に関して用いられるときには、約３以下、約２以下、または約１．５以下のスパン（（Ｄｖ，９０−Ｄｖ，１０）／Ｄｖ，５０としてさらに定義される。Ｄｖ，１０、Ｄｖ，５０、およびＤｖ，９０は、体積による分布の１０％、５０％、および９０％における細孔径を指す）を通常は指す。
さらに別の実施形態では、炭素材料は、少なくとも１ｃｍ３／ｇ、少なくとも２ｃｍ３／ｇ、少なくとも３ｃｍ３／ｇ、少なくとも４ｃｍ３／ｇ、または少なくとも７ｃｍ３／ｇの細孔容積を有し得る。１つの具体的な実施形態では、炭素材料は１ｃｍ３／ｇ〜７ｃｍ３／ｇの細孔容積を有し得る。炭素材料は、約０．５ｃｍ３／ｇ、約１ｃｍ３／ｇ、約１．５ｃｍ３／ｇ、約２ｃｍ３／ｇ、約２．５ｃｍ３／ｇ、約３ｃｍ３／ｇ、約３．５ｃｍ３／ｇ、または約４ｃｍ３／ｇの最低値から約５ｃｍ３／ｇ、約５．５ｃｍ３／ｇ、約６ｃｍ３／ｇ、約６．５ｃｍ３／ｇ、約７ｃｍ３／ｇ、約８ｃｍ３／ｇ、約９ｃｍ３／ｇ、または約１０ｃｍ３／ｇの最高値までの細孔容積を有し得る。
別の実施形態では、炭素材料は、総細孔容積の少なくとも５０％が、５０Å〜５，０００Åの範囲の直径を有する細孔にあり得る。一部の例では、炭素材料は、総細孔容積の少なくとも５０％が、５０Å〜５００Åの範囲の直径を有する細孔にあり得る。さらに別の場合には、炭素材料は、総細孔容積の少なくとも５０％が、５００Å〜１，０００Åの範囲の直径を有する細孔にあり得る。さらに別の場合には、炭素材料は、総細孔容積の少なくとも５０％が、１，０００Å〜５，０００Åの範囲の直径を有する細孔にあり得る。別の実施形態では、炭素材料は、総細孔容積の少なくとも５０％が、約５０Å、約１００Å、約２５０Å、約５００Å、約７５０Å、または約１，０００Åの最低値から約２，０００Å、約２，５００Å、約３，０００Å、約３，５００Å、約４，０００Å、約４，５００Å、または約５，０００Åの最高値までの範囲の直径を有する細孔にあり得る。
一部の実施形態では、炭素材料の平均粒径は１ミクロン〜１，０００ミクロンであり得る。別の実施形態では、炭素材料の平均粒径は１〜１００ミクロンであり得る。さらに別の実施形態では、炭素材料の平均粒径は１〜５０ミクロンであり得る。さらに別の実施形態では、炭素材料の平均粒径は５〜１５ミクロンまたは１〜５ミクロンであり得る。さらに別の実施形態では、炭素材料の平均粒径は約１０ミクロンであり得る。さらに別の実施形態では、炭素材料の平均粒径は、４未満、３未満、２未満、または１ミクロン未満であり得る。別の実施形態では、炭素材料は、約１ミクロン、約５ミクロン、約１０ミクロン、約２５ミクロン、約５０ミクロン、約１００ミクロン、約１５０ミクロン、約２００ミクロン、または約２５０ミクロンの最低値から約４００ミクロン、約５００ミクロン、約６００ミクロン、約７００ミクロン、約８００ミクロン、約９００ミクロン、または約１，０００ミクロンの最高値までの平均粒径を有し得る。
一部の実施形態では、炭素材料は１ｎｍ〜１０ｎｍの平均粒径を有し得る。別の実施形態では、平均粒径は１０ｎｍ〜２０ｎｍであり得る。さらに別の実施形態では、平均粒径は２０ｎｍ〜３０ｎｍであり得る。さらに別の実施形態では、平均粒径は３０ｎｍ〜４０ｎｍであり得る。さらに別の実施形態では、平均粒径は４０ｎｍ〜５０ｎｍであり得る。別の実施形態では、平均粒径は５０ｎｍ〜１００ｎｍであり得る。別の実施形態では、平均粒径は約１μｍ〜約１ｍｍの範囲である。別の実施形態では、平均粒径は約１００μｍ〜約１０μｍの範囲である。別の実施形態では、平均粒径は約１００μｍ、約５０μｍ、または約１０μｍであり得る。別の実施形態では、炭素材料は、約１ｎｍ、約３ｎｍ、約５ｎｍ、約１０ｎｍ、約１５ｎｍ、約２０ｎｍ、約３０ｎｍ、約４０ｎｍ、約５０ｎｍ、約６０ｎｍ、約７０ｎｍ、約８０ｎｍ、約９０ｎｍ、または約１００ｎｍの最低値から約２００ｎｍ、約３００ｎｍ、約４００ｎｍ、約５００ｎｍ、約６００ｎｍ、約７００ｎｍ、約８００ｎｍ、約９００ｎｍ、または約１，０００ｎｍの最高値までの平均粒径を有し得る。
一部の実施形態では、炭素の平均粒径は１〜１，０００ミクロンであり得る。別の実施形態では、炭素の平均粒径は１〜１００ミクロンであり得る。さらに別の実施形態では、炭素の平均粒径は５〜５０ミクロンであり得る。さらに別の実施形態では、炭素の平均粒径は５〜１５ミクロンであり得る。さらに別の実施形態では、炭素の平均粒径は約１０ミクロンであり得る。
一部の実施形態では、炭素材料は１ミクロン〜５ミクロンの平均粒径を示す。別の実施形態では、平均粒径は５ミクロン〜１０ミクロンであり得る。さらに別の実施形態では、平均粒径は１０ｎｍ〜２０ミクロンであり得る。さらに別の実施形態では、平均粒径は２０ｎｍ〜３０ミクロンであり得る。さらに別の実施形態では、平均粒径は３０ミクロン〜４０ミクロンであり得る。さらに別の実施形態では、平均粒径は４０ミクロン〜５０ミクロンであり得る。別の実施形態では、平均粒径は５０ミクロン〜１００ミクロンであり得る。別の実施形態では、平均粒径はサブミクロンの範囲、＜１ミクロンであり得る。
関連する実施形態では、炭素材料は０．１ｍｍ〜４ｍｍの平均粒径を有し得る。別の実施形態では、平均粒径は０．５ｍｍ〜４ｍｍであり得る。さらに別の実施形態では、平均粒径の範囲は０．５ｍｍ〜３ｍｍであり得る。さらに別の実施形態では、平均粒径は０．５ｍｍ〜２ｍｍであり得る。別の実施形態では、平均粒径は０．５ｍｍ〜１ｍｍであり得る。一部の実施形態では、平均粒径は約０．９ｍｍ、約０．８ｍｍ、または約０．５ｍｍであり得る。別の実施形態では、炭素材料は、約０．１ｍｍ、約０．２ｍｍ、約０．３ｍｍ、約０．４ｍｍ、約０．５ｍｍ、約０．６ｍｍ、約０．７ｍｍ、約０．８ｍｍ、約０．９ｍｍ、約１ｍｍ、約１．１ｍｍ、約１．２ｍｍ、約１．３ｍｍ、約１．４ｍｍ、または約１．５ｍｍの最低値から約１．６ｍｍ、約１．８ｍｍ、約２ｍｍ、約２．３ｍｍ、約２．５ｍｍ、約２．８ｍｍ、約３ｍｍ、約３．３ｍｍ、約３．５ｍｍ、約３．７ｍｍ、または約４ｍｍの最高値までの平均粒径を有し得る。
さらに別の実施形態では、炭素材料は、単分散のまたはほぼ単分散の粒径分布を有し得る。例えば、一部の実施形態では、（Ｄｖ，９０−Ｄｖ，１０）／Ｄｖ，５０が３未満となり得るような粒径分布を炭素材料が有し、Ｄｖ，１０、Ｄｖ，５０、およびＤｖ，９０は、体積による粒径分布のそれぞれ１０％、５０％、および９０％における粒径である。さらなる実施形態では、（Ｄｖ，９０−Ｄｖ，１０）／Ｄｖ，５０は２未満または１未満であり得る。さらに別の実施形態では、（Ｄｖ，９０−Ｄｖ，１０）／Ｄｖ，５０は、１，０００未満、９００未満、８００未満、７００未満、６００未満、５００未満、４００未満、３００未満、２００未満、１００未満、１０未満、５未満、３未満、２未満、１．５未満、またはさらには１未満であり得る。
さらに別の実施形態では、炭素材料は、光学顕微鏡法および画像解析によって測定された場合に実質的に球状の形状を有する炭素粒子であり得、またはそれを含み得る（例えば図２３Ｂ参照）。例えば、炭素粒子の７５％超、８０％超、８５％超、９０％超、９１％超、９２％超、９３％超、９４％超、９５％超、９６％超、９７％超、９８％超、または９９％超が球状の形状を有し得る。かかる形状は、炭素材料を含むいくつもの電気デバイスの性能を改善し得る。なぜなら、形状は粒子の充填（したがってエネルギー密度）に影響することが公知だからである。一部の実施形態では、炭素材料は複数の炭素粒子であるかまたは複数の炭素粒子を含み得、炭素粒子の９０％超が球状の形状を有する。例えば、一部の実施形態では、炭素材料の９５％超が球状の形状を有し得る。
上記のように、本明細書において開示される方法は、有利には、改善された粒径分布を有するポリマゲルおよび／または炭素材料を提供する。一部の実施形態では、粒径分布は、個々のポリマまたは炭素粒子の向上した充填に寄与し得る。炭素粒子などのエネルギー蓄蔵粒子の向上した充填は、種々の用途にとって有利であり得る。例えば、大きい表面積を有する活性炭材料は、エネルギー蓄蔵デバイス、例えばキャパシタ、特にスーパーキャパシタに通常用いられている。通常はかかる高い表面積の炭素材料は低密度を有する傾向があり、したがって体積基準のそれらの静電容量（すなわち体積比容量）は比較的低い。実際の用途のためには、キャパシタは高い重量比および高い体積比容量を両方必要とする。大きさに関して制約されるデバイスについては、体積比容量は、活性炭粒子をより密に充填することによって増大させられ得る。活性炭材料の従来の粉砕は、粒径の何らかの分布と構造の幅広いランダムな範囲（すなわち非球状の粒子形状）とを有する粉末をもたらす。これらの特質は、活性炭粉末が密に充填される能力を制約し、したがってそれによって達成され得る体積比容量を制約する。向上した充填特性を有する炭素材料が、本明細書およびシリアル番号１３／２５０，４３０を有する同時係属の米国特許出願に記載される。
炭素材料の粒径分布は、それらの電気化学的性能にとって重要な因子であり得る。一部の実施形態では、開示される方法に従って調製される炭素材料は、約０．０１μｍ〜約５０μｍの粒径を有する複数の炭素粒子であり得、またはそれらを含み得る。別の実施形態では、粒径分布は約０．０１μｍ〜約２０μｍの粒径を含み得る。例えば、一部の実施形態では、粒径分布は約０．０３μｍ〜約１７μｍまたは約０．０４μｍ〜約１２μｍの粒径を含み得る。上記の一部の実施形態では、炭素粒子の少なくとも９０％、少なくとも９５％、または少なくとも９９％が、約０．０１μｍ〜約５０μｍ、約０．０１μｍ〜約２０μｍ、約０．０３μｍ〜約１７μｍ、または約０．０４μｍ〜約１２μｍの粒径を有し得る。
一部の実施形態では、開示される炭素材料は、約０．１ｃｍ３／ｇ〜約０．８ｃｍ３／ｇ、例えば約０．２ｃｍ３／ｇ〜約０．６ｃｍ３／ｇのタップ密度を有し得る。一部の実施形態では、炭素材料が主にミクロ細孔を含み、タップ密度は約０．３ｃｍ３／ｇ〜０．６ｃｍ３／ｇまたは０．４ｃｍ３／ｇ〜０．５ｃｍ３／ｇであり得る。一部の実施形態では、炭素材料がメソ細孔および／またはマクロ細孔を含み、タップ密度は約０．１〜０．４ｃｍ３／ｇまたは０．２〜０．３ｃｍ３／ｇであり得る。
別の実施形態では、炭素材料は、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、少なくとも１．６ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．７ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．８ｃｍ３／ｇ、少なくとも１．９ｃｍ３／ｇ、または少なくとも２．０ｃｍ３／ｇの総細孔容積を有し得る。
Ｄ．ポリマゲルおよび炭素材料の特性評価
最終的な炭素材料および中間体ポリマゲルの構造的な特性は、７７Ｋにおける窒素収着を用いて測定され得る。これは当業者に公知の方法である。仕上がった炭素材料の最終的な性能および特質が重要である。しかしながら、中間生成物（乾燥ポリマゲルと熱分解はされたが賦活化されてはいないポリマゲルとの両方）も、当業者には公知のように特に品質管理の立場から評価され得る。マイクロメリティックス社のＡＳＡＰ２０２０が用いられて詳細なミクロ細孔およびメソ細孔分析を実施し、一部の実施形態では０．３５ｎｍ〜５０ｎｍの細孔径分布を明らかにする。このシステムは１０−７ａｔｍの圧力から出発する窒素等温線を作成し、１ｎｍ以下の範囲の高分解度の細孔径分布を可能にする。ソフトウェアが生成したレポートは、密度汎関数理論（ＤＦＴ）法を用いて、特性、例えば細孔径分布、表面積分布、全表面積、総細孔容積、および特定の細孔径範囲の細孔容積を算出する。
炭素材料の不純物含量は、当業者に公知のいくつもの分析技術によって測定され得る。本開示に関連して有用な１つの具体的な分析法は、プロトン励起Ｘ線放出法（ＰＩＸＥ）である。この技術は、１１〜９２の範囲の原子番号を有する元素の濃度を低いｐｐｍレベルで測定できる。したがって、一実施形態では、炭素材料中に存在する不純物の濃度はＰＩＸＥ分析によって測定される。
Ｅ．炭素材料を含むデバイス
本発明の一実施形態は、開示される炭素材料を含む電極、またはそれを含むデバイスである。この点で有用なデバイスは、下記並びにシリアル番号１２／７４８，２１９、１２／８９７，９６９、１２／８２９，２８２、１３／０４６，５７２、１２／９６５，７０９、１３／３３６，９７５、および６１／５８５，６１１を有する同時係属の米国特許出願に記載のデバイスを含むが、これらに限定されない。
１．ＥＤＬＣ
開示される炭素材料は、電極材料としていくつもの電気エネルギーの蓄蔵および供給デバイスに用いられ得る。１つのかかるデバイスはウルトラキャパシタであり得る。炭素材料を含んでいるウルトラキャパシタは、共有の米国特許第７，８３５，１３６号において詳細に検討および説明されている。
ＥＤＬＣは、それらのエネルギー蓄蔵エレメントとして電解質溶液中に浸漬された電極を用いる。通常は、電解質によって浸漬および含浸された細孔性セパレータが、電極が互いに接触しないことを保証しており、電極間の直接の電流の流れを防いでいる。同時に、細孔性セパレータはイオン電流が電極間の電解質中を両方向に流れることを可能にし、したがって電極と電解質との間の界面に電荷の二重層を形成させる。
ＥＤＬＣの電極対間に電位が印加されたときには、電解質中に存在するイオンが逆に荷電した電極の表面に引き寄せられて、電極に向かって移動する。したがって逆に荷電したイオンの層が作られ、各電極表面の近傍に維持される。電気エネルギーは、それらのイオン層と各電極表面の電荷層との間の電荷分離層に蓄蔵される。実際に、電荷分離層は本質的に静電キャパシタとして振る舞う。静電エネルギーは、ＥＤＬＣにおいても、電解溶液の分子の向きおよび並びによって、電位によって誘起される電場の影響下で蓄蔵され得る。エネルギー蓄蔵のこの様式は、しかしながらあまり重要ではない。
開示される炭素材料をふくむＥＤＬＣは、高出力が望まれる種々の電子デバイスに用いられ得る。したがって、一実施形態では、炭素材料を含む電極が提供される。別の実施形態では、電極は活性炭材料を含む。さらなる実施形態では、炭素材料を含む電極を含むウルトラキャパシタが提供される。前記のさらなる実施形態では、超高純度の合成炭素材料が、上記のミクロ細孔およびメソ細孔の最適化されたバランスを含んでなる。
開示される炭素材料は、いくつもの電子デバイス、例えば無線の消費者向けおよび商業向けデバイス、例えばデジタルスチルカメラ、ノートブックＰＣ、医療用デバイス、位置追跡デバイス、自動車用デバイス、コンパクトフラッシュデバイス、携帯電話、ＰＣＭＣＩＡカード、種々の携帯デバイス、およびデジタル音楽プレーヤーに有用性を見いだす。ウルトラキャパシタは、重機、例えば掘削機および他の土木装置、フォークリフト、ごみ運搬車、港湾および建設用クレーン、並びに輸送システム、例えばバス、自動車、および列車にも用いられる。
一実施形態では、本開示は、本明細書に記載の炭素材料を含むデバイスに関する。デバイスは電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）デバイスであり、ａ）正電極および負電極と（正および負電極のそれぞれが炭素材料を含む）、ｂ）不活性な細孔性セパレータと、ｃ）電解質とを含み、正電極および負電極は不活性な細孔性セパレータによって分離されている。
一実施形態では、炭素材料を含むウルトラキャパシタデバイスが、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の質量出力を有し得る。別の実施形態では、炭素材料を含むウルトラキャパシタデバイスが、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、または少なくとも２０Ｗ／ｃｃの体積出力を有し得る。別の実施形態では、炭素材料を含むウルトラキャパシタデバイスが、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、または少なくとも２５．０Ｗｈ／ｋｇの質量エネルギーを有し得る。別の実施形態では、炭素材料を含むウルトラキャパシタデバイスが、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、または少なくとも２０．０Ｗｈ／リットルの体積エネルギーを有し得る。
上記の一部の実施形態では、炭素材料を含むウルトラキャパシタデバイスの質量出力、体積出力、質量エネルギー、および体積エネルギーは、２．７Ｖから１．８９Ｖの定電流放電によって、アセトニトリル中のテトラフルオロホウ酸テトラエチルアンモニウムの１．０Ｍ溶液（１．０ＭのＴＥＡＴＦＢ、ＡＮ中）の電解質と０．５秒の時間定数とを用いて測定され得る。
一実施形態では、炭素材料を含むウルトラキャパシタデバイスが、少なくとも１０Ｗ／ｇの質量出力、少なくとも５Ｗ／ｃｃの体積出力、少なくとも１００Ｆ／ｇの重量比静電容量（０．５Ａ／ｇの場合）、および少なくとも１０Ｆ／ｃｃの体積比容量（０．５Ａ／ｇの場合）を有し得る。一実施形態では、上記のウルトラキャパシタデバイスは、炭素材料、導電性向上剤、結合剤、電解質溶媒、および電解質塩を含むコインセル二重層ウルトラキャパシタであり得る。さらなる実施形態では、上記の導電性向上剤は、カーボンブラックおよび／または当分野において公知の他の導電性向上剤であり得る。さらなる実施形態では、上記結合剤は、テフロンおよび／または当分野において公知の他の結合剤であり得る。さらなる上記の実施形態では、電解質溶媒は、アセトニトリルまたは炭酸プロピレンまたは当分野において公知の他の電解質溶媒であり得る。さらなる上記の実施形態では、電解質塩は、テトラエチルアミノテトラフルオロボレートまたはトリエチルメチルアミノテトラフルオロボレートまたは当分野において公知の他の電解質塩、または当分野において公知の液状電解質であり得る。
一実施形態では、炭素材料を含むウルトラキャパシタデバイスが、少なくとも１５Ｗ／ｇの質量出力、少なくとも１０Ｗ／ｃｃの体積出力、少なくとも１１０Ｆ／ｇの重量比容量（０．５Ａ／ｇの場合）、および少なくとも１５Ｆ／ｃｃの体積比容量（０．５Ａ／ｇの場合）を有し得る。一実施形態では、上記のウルトラキャパシタデバイスは、炭素材料、導電性向上剤、結合剤、電解質溶媒、および電解質塩を含むコインセル二重層ウルトラキャパシタであり得る。さらなる実施形態では、上記の導電性向上剤は、カーボンブラックおよび／または当分野において公知の他の導電性向上剤であり得る。さらなる実施形態では、上記の結合剤は、テフロンおよび／または当分野において公知の他の結合剤であり得る。さらなる上記の実施形態では、電解質溶媒は、アセトニトリルまたは炭酸プロピレン、または当分野において公知の電解質溶媒であり得る。さらなる上記の実施形態では、電解質塩は、テトラエチルアミノテトラフルオロボレートまたはトリエチルメチルアミノテトラフルオロボレート、または当分野において公知の他の電解質塩、または当分野において公知の液状電解質であり得る。
一実施形態では、炭素材料を含むウルトラキャパシタデバイスが、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、または少なくとも１３０Ｆ／ｇの重量比静電容量を有し得る。別の実施形態では、炭素材料を含むウルトラキャパシタデバイスは、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、少なくとも２５Ｆ／ｃｃ、または少なくとも３０Ｆ／ｃｃの体積比容量を有し得る。上記の一部の実施形態では、重量比静電容量および体積比容量は、２．７Ｖから０．１Ｖの定電流放電によって、５秒の時間定数で、アセトニトリル中のテトラフルオロホウ酸テトラエチルアンモニウムの１．８Ｍ溶液（１．８ＭのＴＥＡＴＦＢ、ＡＮ中）の電解質と０．５Ａ／ｇ、１．０Ａ／ｇ、４．０Ａ／ｇ、または８．０Ａ／ｇの電流密度とを用いて測定され得る。
一実施形態では、本開示は、本明細書において開示される炭素材料を含み得るウルトラキャパシタを提供し、電圧印加耐久試験（voltage hold）期間後の炭素材料を含むウルトラキャパシタの初期静電容量（すなわち、電圧印加耐久試験を受ける前の静電容量）の減少率が、公知の炭素材料を含むウルトラキャパシタの初期静電容量の減少率よりも少ない。一実施形態では、電圧印加耐久試験（２．７Ｖ、２４時間、６５℃）後の炭素材料を含むウルトラキャパシタの残存する初期静電容量の割合が、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％、または少なくとも１０％であり得る。上記のさらなる実施形態では、電圧印加耐久試験段階後に残る初期静電容量の割合は、０．５Ａ／ｇ、１Ａ／ｇ、４Ａ／ｇ、または８Ａ／ｇの電流密度で測定され得る。
別の実施形態では、本開示は、本明細書において開示される炭素材料を含み得るウルトラキャパシタを提供し、繰返しの電圧サイクル後の炭素材料を含むウルトラキャパシタの初期静電容量の減少率が、同じ条件に曝された公知の炭素材料を含むウルトラキャパシタの初期静電容量の減少率よりも少ない。例えば、一実施形態では、炭素材料を含むウルトラキャパシタに残存する初期静電容量の割合は、１，０００、２，０００、４，０００、６，０００、８，０００、または１０，０００回の電圧サイクルイベント（２Ｖから１Ｖのサイクル、電流密度４Ａ／ｇからなる）後に、公知の炭素材料を含むウルトラキャパシタに残存する初期静電容量の割合よりも多くあり得る。別の実施形態では、炭素材料を含むウルトラキャパシタに残存する初期静電容量の割合は、１，０００、２，０００、４，０００、６，０００、８，０００、または１０，０００回の電圧サイクルイベント（２Ｖから１Ｖのサイクル、電流密度４Ａ／ｇからなる）後に、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％、または少なくとも１０％である。
上記のように、炭素材料はウルトラキャパシタデバイスに組み込まれ得る。一部の実施形態では、炭素材料は、当分野の技術に従ってジェットミルを用い、約１０ミクロンの平均粒径まで粉砕され得る。理論によって拘束されることを望むものではないが、この微細な粒径は粒子間の導電性を向上し、さらには極薄シート電極の製造を可能にすると考えられる。ジェットミルは、本質的には、炭素材料をそれ自体によって磨砕する。これは、高圧窒素によって推進されるディスク形状のチャンバ内の炭素材料を回転させることによる。より大きい粒子がフィードされると、遠心力がそれらをチャンバの外側に押し出す。互いに磨砕しながら、粒子は中心に向かって移動し、そこでは適切な寸法に達したら最終的に磨砕チャンバから脱出する。
さらなる実施形態では、ジェットミル処理後に、炭素材料は繊維性のテフロン結合剤（３重量％）と混合されて、粒子をまとめて１つのシートにし得る。炭素テフロン混合物は、均一な粘度が到達されるまで混練され得る。次に、混合物は高圧ローラー成形機を用いてシートにローラー加工されて、５０ミクロンの最終厚みをもたらし得る。それらの電極は打ち抜かれてディスクになり、乾燥アルゴン雰囲気下において１９５℃に加熱されて、水および／または他の空気中汚染物質を除去し得る。電極は秤量され得、それらの寸法はカリパスを用いて測定され得る。
ＥＤＬＣの炭素電極は適切な電解質溶液によって濡らされ得る。本願のデバイスへの使用のための電解質溶液への使用のための溶媒の例は、炭酸プロピレン、炭酸エチレン、炭酸ブチレン、炭酸ジメチル、炭酸メチルエチル、炭酸ジエチル、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、またはそれらの任意の混合物を含み得るが、これらに限定されない。かかる溶媒は、通常は、テトラアルキルアンモニウム塩を含む溶質、例えばＴＥＡＴＦＢ（テトラフルオロホウ酸テトラエチルアンモニウム）、ＴＥＭＡＴＦＢ（テトラフルオロホウ酸トリエチルメチルアンモニウム）、ＥＭＩＴＦＢ（テトラフルオロホウ酸１−エチル−３−メチルイミダゾリウム）、テトラメチルアンモニウム、またはトリエチルアンモニウム系の塩と混合される。さらに、電解質は、水系の酸または塩基の電解質、例えば穏和な硫酸または水酸化カリウムであり得る。
一部の実施形態では、電極は、アセトニトリル中のテトラエチルアンモニウム−テトラフルロボレートの１．０Ｍ溶液（１．０ＭのＴＥＡＴＦＢ、ＡＮ中）の電解質によって濡らされ得る。別の実施形態では、電極は、炭酸プロピレン中のテトラフルオロホウ酸テトラエチルアンモニウムの１．０Ｍ溶液（１．０ＭのＴＥＡＴＦＢ、ＰＣ中）の電解質によって濡らされ得る。これらは研究および産業において用いられる一般的な電解質であり、デバイスの性能を評価するための標準と見なされる。別の実施形態では、対称型の炭素−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）において組み立てられ、ＮＫＫ細孔性膜（３０ミクロン厚）がセパレータとして働く。組み立てられたら、試料は、試料の細孔性に応じて約２０分間以上電解質中に浸漬され得る。
一部の実施形態では、静電容量および出力は、サイクリックボルタメトリー（ＣＶ）、クロノポテンシオメトリー（ＣＰ）、およびインピーダンススペクトル法を用いて、種々の電圧（１．０〜２．５Ｖの最大電圧の範囲）および電流レベル（１〜１０ｍＡ）で、バイオロジック社ＶＭＰ３電気化学ワークステーションによって測定され得る。この実施形態では、静電容量は、次式を用いてポテンショグラムの放電曲線から算出され得る。
等式１ Ｃ＝（Ｉ×Δｔ）／ΔＶ
式中、Ｉは電流（Ａ）であり、ΔＶは電圧降下であり、Δｔは時間差である。この実施形態では試験キャパシタが対称型の炭素−炭素（Ｃ−Ｃ）電極であるので、比容量は、
等式２ Ｃｓ＝２Ｃ／ｍｅ
から求められる。
式中、ｍｅは１つの電極の質量である。比エネルギーおよび出力は、
等式３ ＥＳ＝（１／４）（ＣＶｍａｘ ２／ｍｅ）
等式４ ＰＳ＝ＥＳ／４ＥＳＲ
を用いて求められる。
式中、Ｃは測定された静電容量、Ｖｍａｘは最大試験電圧、ＥＳＲは放電の始まりの電圧降下から得られる等価直列抵抗である。または、ＥＳＲはインピーダンススペクトル法から得られる。
２．電池
開示される炭素材料は、いくつもの種類の電池の電極としても有用性を見いだす。例えば、一実施形態は電気エネルギー蓄蔵デバイスに関し、これはａ）炭素材料を含む少なくとも１つのアノードと、ｂ）金属酸化物を含む少なくともカソードと、ｃ）リチウムイオンを含む電解質とを含む。炭素材料は本明細書に記載の炭素材料の任意のものである。
別の実施形態は、金属・空気電池、例えばリチウム・空気電池に関する。リチウム・空気電池は、正電極と負電極との間に挿入された電解質を通常は含む。正電極は、リチウム化合物、例えば酸化リチウムまたは過酸化リチウムを通常は含んでなり、酸素を酸化または還元するために働く。負電極は、リチウムイオンを吸収および放出する炭素質の物質を通常は含んでなる。スーパーキャパシタと同様に、開示される炭素材料を含むリチウム・空気電池などの電池は、公知の炭素材料を含む電池よりも優れていると予想される。したがって、一実施形態では、本発明は金属・空気電池、例えばリチウム・空気電池を提供し、これは本明細書において開示される炭素材料を含む。
いくつもの他の電池、例えば亜鉛−炭素電池、リチウム／炭素電池、鉛酸電池なども、本明細書に記載の炭素材料によってより良好に機能すると予想される。当業者は、開示される炭素材料が有利となる炭素含有電池の他の具体的な種類も認識するであろう。したがって、別の実施形態では、本発明は、電池、特に亜鉛／炭素、リチウム／炭素電池、または鉛酸電池を提供し、それらは本明細書において開示される炭素材料を含む。
以下の実施例において開示される炭素材料は、本明細書において開示される方法に従って調製された。化学物質は商業的供給者から試薬級純度以上で入手され、供給者から受け入れままでさらなる精製無しに用いられた。
一部の例では、ポリマ相は、ポリマ前駆体と任意選択の溶媒および／または任意選択の触媒とを混合してプレポリマ組成物を形成することによって調製され得る。ポリマ相は次に連続相に添加され、これは界面活性剤の任意選択の添加を伴う。一部の実施形態では、ポリマ相は重合の特定の程度まで反応させられ（プレポリマ）、次に連続相との混合を行い得る。これは任意選択の界面活性剤の添加を伴う。プレポリマの重合は、液状のプレポリマの屈折率に基づく終点に至るまで実施され得る。例えば、プレポリマは、プレポリマが約１．１０００、約１．２０００、約１．３０００、または約１．３２００の最低値から約１．４５００、約１．４８００、約１．５０００、または約１．５５００の最高値までの範囲の屈折率を有するまで重合され得る。別の例では、プレポリマを作るためのモノマ混合物の重合は、約１．３５００〜約１．４５００、約１．３８００〜約１．４４００、約１．３９００〜約１．４３５０、約１．３９００〜約１．４５００の屈折率に至るまで実施され得る。モノマ成分は、懸濁液またはエマルションを形成するのに先立って、約２０℃、約３０℃、約４０℃、約５０℃、約６０℃、または約７０℃の温度において予備重合され得る。プレポリマがキャリア流体に添加され得、キャリア流体がプレポリマに添加され得、またはプレポリマおよびキャリア流体が同時に互いと結合され得る。
プレポリマ溶液は外部相と組み合わされ得る。外部相の温度は６０℃から２００℃まで様々であり得る。外部相温度は約６０℃、７０℃、８０℃、９０℃、９５℃、１００℃であり得る。一部の実施形態では、外部相の温度は大気圧における沸点よりも高くあり得る。プレポリマ相が高温の外部相と接触している硬化時間は様々であり得る。硬化時間は３０秒間から１００時間まで変化し得る。硬化時間は１分間、５分間、３０分間、１時間であり得る。別の実施形態では、硬化時間は１時間、２時間、３時間、６時間、および１２時間であり得る。
一部の例では、ポリマゲル粒子は熱分解および／または賦活化に先立って凍結乾燥された。それらの例では、凍結乾燥機の棚が通常は−３０℃に予備冷却された後に、凍結されたポリマヒドロゲル粒子を含むトレイを凍結乾燥機の棚に載せた。凍結乾燥のチャンバ内圧力は通常は５０〜１，０００ｍＴｏｒｒの範囲であり、棚の温度は＋１０℃〜＋２５℃の範囲であった。または、棚の温度はより低く、例えば０℃〜＋１０℃の範囲に設定され得る。または、棚の温度はより高く、例えば２５℃〜＋１００℃の範囲に設定され得る。チャンバ内圧力は５０〜３，０００ｍＴｏｒｒの範囲に維持され得る。例えば、チャンバ内圧力は１５０〜３００ｍＴｏｒｒの範囲に制御され得る。
別段の記載がない限り、ポリマは、窒素雰囲気中において７００℃〜１，２００℃の範囲の温度で実施例において定められる時間の加熱によって熱分解された（例えば、８５０℃、２００Ｌ／ｈの窒素ガス流）。賦活化条件は、通常は、熱分解されたポリマヒドロゲルをＣＯ２雰囲気中で８００℃〜１，０００℃の範囲の温度において実施例において定められる時間加熱することを含んだ（例えば、９００℃、ＣＯ２雰囲気下、６６０ｍｉｎ）。具体的な熱分解および賦活化の条件は以下の実施例に記載される通りである。
ＴＧＡ研究は、メトラー・トレド社ＴＧＡ／ＤＳＣ１７０７−Ｎ２／ＣＯ２−ＭＸ５システムを用いて実施された。熱分解および賦活化はサーモサイエンティフィック社ＥｃｏｎｏｍｙＳｏｌｉｄ管状炉を用いて実施された。表面積および細孔容積の測定はマイクロメリティックス社Ｔｒｉｓｔａｒ ＩＩ ＢＥＴシステムを用いて得られた。
別段の定めがない限り、パーセント値は実施例および明細書を通して重量（ｗ／ｗ）基準である。
＜実施例１＞
乾燥ポリマゲルのエマルション調製
各試料について２つの別々の溶液が調製された。レゾルシノールおよびホルムアルデヒド（レゾルシノール：ホルムアルデヒドのモル比＝０．５：１）の溶液と水／酢酸溶媒（７５：２５）とを混合して、酢酸アンモニウム触媒を添加することによって、５種類のゲル溶液が作製された。種々のゲル試薬の比が５つの試料について表１に示されている。
シクロヘキサン／ＳＰＡＮ８０溶液も調製された。ゲル溶液が１０分間混合された後に、シクロヘキサン／ＳＰＡＮ８０溶液に注加され、温度が４５℃に設定された。４５℃において４時間後、温度が６５℃〜７０℃に上げられ、２４時間保持された後に余分なシクロヘキサンが傾瀉され、樹脂は４５℃のオーブン内に１０〜２０分間置かれて乾燥された。試料条件は表１に要約されている。
＜実施例２＞
乾燥ポリマゲルのデータ
窒素等温線、表面積、および細孔容積のデータが、実施例１の乾燥ゲル試料について図１および表２に示されている。比較の目的のために、２つの炭素試料が、実施例１５に記載の通常の「モノリス」手法によって対照として調製された。比較試料１は、ミクロ細孔性ポリマゲルをもたらすゲル組成から調製された。比較試料２は、メソ細孔性ポリマゲルをもたらすゲル組成から調製された。全ての試料は、比較試料と比較してより低い表面積および細孔容積を示した。理論によって拘束されることを望むものではないが、この減少は、ゲル材料の細孔内および表面上の界面活性剤および／または残存する非水性溶媒に起因する可能性が高いと考えられる。これは熱分解中に焼失すると予想された。この理論は、熱分解された材料を目標の表面積に至るまで賦活化し、且つミクロ細孔性炭素と同等の細孔容積およびＰ９５／Ｐ５（すなわち、９５％分圧において収着される窒素対５％分圧において収着される窒素の比）を達成する能力によって裏付けられた。したがって、乾燥ゲルのいくつかの特性は最終的な炭素材料の特性を予測し得ない。
＜実施例３＞
活性炭データ
窒素等温線、表面積、細孔容積、および電気化学的試験（ＥＣＴ）のデータが、活性炭試料（３−３、３−４、３−５）について図２および表３および４に示されている。試料３−３〜３−５は不活性雰囲気下において高温で熱分解され、試料４は熱分解に先立つ乾燥ステップ無しに熱分解された。全ての３つの試料は管状炉（ＣＯ２雰囲気）内において高温で賦活化されて、１，７００〜１，９００ｍ２／ｇの表面積を達成した。等温線データ（図２）は、全ての３つの試料が非常にミクロ細孔性の細孔構造を示し、モノリス技術によって調製された対照炭素材料と同等またはより優れた表面積対細孔容積の発達を有していたことを示している。例えば、Ｐ９５／Ｐ５（０．９５分圧対０．０５分圧において収着された窒素の比）は、モノリシックなポリマゲルに由来する炭素の１．２０に対して、エマルションプロセスによって調製されたポリマゲルに由来する炭素試料では１．０８〜１．１４であった。より低いＰ９５／Ｐ５は増大したミクロ細孔性を反映しており、そして、これは活性炭の体積比容量を改善するために有利である。
全ての試料は、モノリス技術によって調製された比較用の炭素（２４Ｆ／ｃｃの正規化された体積比容量を有する比較試料３）よりも、良好なまたは同じ正規化された電気化学的性能も示す。用いられたゲル組成（３−３、３−５）は公知のモノリス調製に基づくとメソ細孔性炭素を生ずると予想されたが、全ての炭素試料は乾燥ゲルまたは活性炭として意外にもメソ細孔性を示さなかった。
＜実施例４＞
乾燥ポリマゲルの調製
種々の細孔構造（例えばメソ細孔性）を有する炭素材料を調製するための本発明の方法の能力を調べるために、５つの重合が、実施例１に記載の一般的な方法を用いて実施された。ただし、組成は表５に記載の通りであった。対照として、各重合のそれぞれのゲル組成はモノリス条件下においても（すなわち実施例１５に記載のように）重合させられた。各ゲル組成の対照試料は表６においては「Ｃ」で示されている。
＜実施例５＞
乾燥ポリマゲルのデータ
窒素等温線、表面積、および細孔容積のデータが、実施例４に従って調製された乾燥ゲル試料について図３および表６に示されている。全てのポリマゲルは分析に先立って凍結乾燥された。全ての試料は、メソ細孔性炭素のモノリス調製された対照（本明細書では「メソ対照」と呼ばれる）と比較して、また個々の対照（モノリス）ゲルと比較して、崩れた細孔構造およびより低いＳＳＡを示した。上記のように、低いＳＳＡおよびＰＶは、界面活性剤が細孔を詰まらせることによって生じた産物（artifact）であり得、これは界面活性剤量に関連しても関連していなくもあり得る。試料１および３は両方とも２０％の酸含量を用いており、メソ細孔の範囲からのわずかな細孔容積への寄与を示す。試料２および４は１０％の酸含量を用いており、両方とも、それらの細孔容積の大部分がマクロ細孔に帰せられることを示している。
試料１〜４のメソ細孔の収縮を考慮に入れると、試料５についてはより少ない界面活性剤を用いようと判断された。マクロ細孔性無しにメソ細孔性を達成するために、低い酸（１０％）および低いＲ：Ｃ（５０：１）が用いられた。試料５は、メソ細孔からの容積のかなり比較的大きい寄与を示しており（図４）、メソ対照の対照乾燥ゲルに近い図になる。表面積（表６）は対照よりもなお低いが、賦活化データに基づくと（下記参照）、これは乾燥ゲル材料よりもむしろ界面活性剤に起因し得る。
＜実施例６＞
活性炭のデータ
実施例５のゲル、乾燥ゲルが熱分解および賦活化された（試料７−１〜７−５）。賦活化時の重量損失、窒素等温線、表面積、細孔容積、および電気化学的試験データが、それらの活性炭試料について図５および６並びに表７に示されている。全ての試料およびそれらの対照は、不活性雰囲気下において高温で熱分解された。全ての熱分解された炭素（ＰＣ）の試料は９００℃における賦活化速度のＴＧＡ分析にまわされた。各エマルションＰＣ試料は管状炉内で高温において賦活化された。
ＴＧＡデータ（図５）は、エマルション試料の賦活化速度のかなりの増大を、それらの対照試料と比較して示している。これは、どちらかと言うと粒径が非常に小さいことに起因し得、細孔性の量のみに起因はし得ない。試料２および４は、試料１および３と比較して増大した賦活化速度を示しており（これは同じ賦活化条件からのより高いＮ２吸着によって示唆される）、よりマクロ細孔性である。試料１および３は他のプロトコールよりも高い酸含量を用いており、より多くのメソ細孔容積を含有し、メソ対照と比較してより崩れていた（図６）。試料１〜４は過賦活化されたが、それらの細孔の発達はメソ対照の炭素に似ていない。試料１および３は２０％の酸を用いたが、１０％の酸を用いた試料よりもメソ細孔性の炭素の発生を示す。
試料５は、より多くのメソ細孔性を生成する目的でより少ない界面活性剤を用いた。試料５のデータはメソ細孔性の首尾良い生成を示している（図７参照）。この炭素材料は、メソ対照の対照よりも、１００Å〜２００Åの細孔の寄与の少なさを示す。ただしこれは電気化学的性能にとって問題となり得ない。したがって、記載の方法はメソ細孔性炭素材料の調製に好適である。
＜実施例７＞
乾燥ポリマゲルの調製
１０種類の乳化重合が実施例１の一般的な方法に従って実施され、ミクロ細孔性炭素材料の調製のパラメータを検討した。同じゲル組成を用いてゲルをモノリス的に重合させることによって、対照試料（表９においては「Ｃ」で示されている）も調製された。重合条件は表８に示されている。
＜実施例８＞
乾燥ポリマゲルのデータ
窒素等温線、表面積、および細孔容積のデータが、実施例７の乾燥ゲル試料について図８および表８に示されている。試料３および４は処理可能な湿潤ゲルを生じなかったので、これらの試料についてはデータは収集されなかった。全ての他の試料は凍結乾燥された。ＤＦＴ細孔径分布（図８）は、エマルション試料対それらのオーブン硬化対照における細孔構造の収縮を示している。これは他の実施例について記載されたのと同様である。この結果として、エマルション試料は、それらの対応するモノリス対照試料と比較してより低い比表面積および細孔容積を示す（表９）。
＜実施例９＞
活性炭のデータおよび電気化学的試験
窒素等温線、表面積、および細孔容積のデータが、実施例８の活性炭試料について図９および１０並びに表１０に示されている。試料は不活性雰囲気下において高温で熱分解された。１，７００ｍ２／ｇ〜１，９００ｍ２／ｇのＳＳＡを達成する目的で、全ての試料は管状炉によって賦活化された。等温線データ（図９）およびＤＦＴ細孔径分布（図１０）は、本エマルション組成がミクロ細孔性炭素を作る能力を証明している。実際に、１つの試料（１０−２）のみが何らかのメソ細孔性を示した。１０−２におけるメソ細孔の発達は、低い界面活性剤濃度並びに低い触媒および低い酸含量に起因し得る。高い界面活性剤量（≧５％）は、活性炭の同様の表面積、細孔容積、および等温線データを、ゲル組成に関係なく示した。より低い界面活性剤量（１％）では、材料はゲル組成の変化に対してより多くの敏感さを示す。
活性炭の電気化学的試験（ＥＣＴ）データが表１１に示されている。試料はフリッチュ・ミルによって粉砕され、次にローラー加工されてＥＣＴ用の乾燥電極となった。同様の賦活化レベルの現行のミクロ対照炭素と比較して、試料５は十分な成績を記録した。
＜実施例１０＞
乾燥ポリマゲルの調製
組成と処理パラメータとの関係をより良く理解するために、１２の重合実験が実施例１に記載の一般的な方法に従って実施された。一部の処理パラメータ、例えば撹拌速度、反応開始温度、および硬化時間が、表１２に要約されたように変えられた。
＜実施例１１＞
乾燥ポリマゲルのデータ
窒素等温線、表面積、および細孔容積のデータが、実施例１０の乾燥ゲル試料について図１１および表１３に示されている。比較の目的のために、モノリス法によって調製された代表的なミクロ細孔性およびミクロ／メソ細孔性のゲル（それぞれミクロ対照およびメソ対照）のデータも図１１に示されている。表面積と硬化時間との間には相関があることが見て取れる。さらに、専らミクロ細孔性からミクロ／メソ細孔性までの範囲の一連の乾燥ゲルを得ることができ、それらの所産の炭素が乳化重合によって直ちに入手可能であることが明らかである。
＜実施例１２＞
活性炭のデータ
乳化重合によるミクロ細孔性炭素材料の調製のための適切な条件を決定する手段として、実施例１０のゲルが不活性雰囲気下において高温で熱分解された。予め材料のゲルを乾燥することはしなかった。選ばれた試料のみが乾燥され、次に熱分解された。全ての試料は管状炉内において９００℃で賦活化された。１，７００ｍ２／ｇ〜１，９００ｍ２／ｇのＳＳＡを達成することが目標であった。ＴＧＡデータが収集されて、賦活化速度を決定した。細孔容積および細孔径のデータは図１２〜１５に示されている。表１４〜１６は炭素材料の種々の物理的および電気化学的特性を示している。見て取れるように、種々の物理的および電気化学的特性を有する充実した一連のミクロ細孔性〜メソ細孔性炭素材料が、記載の方法によって調製され得る。「ＰＣｔ」で示された試料は熱分解に先立って凍結乾燥された。「キルン乾燥」で示された試料は湿潤ゲルからそのまま熱分解された（すなわち凍結乾燥されていない）。
＜実施例１３＞
可変のプロセスパラメータ
上記のプロセスパラメータに加えて、種々の界面活性剤および溶媒を用いて重合が実施された。各試料につき、２つの別々の溶液が調製された。ゲル溶液が本明細書に記載のように作られ、連続相／界面活性剤溶液も調製され、温度は８５℃まで上げられた。ゲル溶液が１０分間混合され終わったら、連続相／界面活性剤溶液に注加され、６時間８５℃に維持された。試料は次に取り出されて大ビーカーに入れられ、沈降するに任された。余分な連続相が傾瀉され、次に残りの材料がイソプロパノールによって濯がれて、ブフナー漏斗によって濾過された。試料条件は表１７に要約されている。１７−６は、鉱物油を連続相とする懸濁液プロセスを試験するために作られた。
窒素等温線、表面積、および細孔容積のデータが、実施例１３の乾燥ゲル試料について図１６および表１８に示されている。試料１７−１および１７−３は濾過されなかったが、ＩＰＡによって濯がれてフード内で乾燥された。理論によって拘束されることを望むものではないが、細孔容積のこの減少は、ゲル材料の細孔中および表面上の界面活性剤に起因する可能性が高いと考えられる。これは熱分解中に焼失すると予想された。この理論は、目標の表面積、細孔容積、およびＰ９５／Ｐ５（すなわち、９５％分圧において収着される窒素対５％分圧において収着される窒素の比）に至るまで、妥当な賦活化速度で、熱分解された材料を賦活化する能力によって裏付けられた。したがって、乾燥ゲルの一部の特性は最終的な炭素材料の特性を予測し得ない。
より高い固形分（＞３０％）の組成に、メソ細孔性樹脂を油エマルション中において作る能力が見られることは重要である。これはシクロヘキサン系では見られなかった。試料１７−５はミクロ細孔性モノリス組成を用いたが、パラフィンオイルの逆エマルション中においてはメソ細孔性樹脂が作られた。これは、油中で硬化する際の樹脂の制御された温度グラフに帰せられ得る。種々の連続相は、一方の相から他方への試薬のより多いまたはより少ない移動を可能にする。これは、ここで見られた細孔性の変化に寄与すると考えられる。
１７シリーズの活性炭試料についての窒素等温線、表面積、細孔容積、および電気化学的試験のデータが、図１７並びに表１９および２０に示されている。全ての試料は、高温において不活性雰囲気下で熱分解された。試料１および５は、キルン乾燥技術を用いて乾燥無しに熱分解された。全ての試料は管状炉内において高温で賦活化され、１，７００ｍ２／ｇ、１，９００ｍ２／ｇの表面積を達成した。ＴＧＡデータが収集されて、賦活化速度を決定した。等温線およびＤＦＴデータ（図１８および１９）は、種々の炭素材料を作る能力を示している。低い固形分および酸含量では、メソ細孔性炭素は油連続相中で達成され得る。図１７および１８は、ミクロ細孔性炭素および混じり合ったミクロ細孔性／メソ細孔性炭素の特性を有する炭素を作る能力も示している。
電気化学的試験の成績（表２０）が、１５分間材料をフリッチュ粉砕した後に測定された。試料１７−２のデータは、現行のＥｎｅｒＧ２社のメソ細孔性製品と比較してメソ細孔性炭素の十分な性能を証明した。試料１７−６の成績は、現行のＥｎｅｒＧ２社のミクロ細孔性炭素と同レベルであった。１７−１は並外れたエネルギー密度を有するデバイスをもたらした。
＜実施例１４＞
フェノール・ホルムアルデヒド系ゲルの調製
５種類のゲル溶液が、フェノールおよびホルムアルデヒド（フェノール：ホルムアルデヒドのモル比＝０．５：１）の溶液を水／酸溶媒と混合することによって調製された。一部の場合には酢酸アンモニウム触媒が添加された。種々のゲル試薬の比が５つの試料について表２１に示されている。ゲル溶液は５〜１０分間混合された後に連続相／ＳＰＡＮ８０溶液に注加され、温度は９５℃に設定され、３〜５日間保持された後に、余分な連続相が傾瀉された。湿潤ゲル試料は不活性雰囲気下において高温で直接的に熱分解され、重量損失は５０〜７５％であった。代表的な炭化および賦活化データは表２２に示されている。
＜実施例１５＞
界面活性剤不含エマルション尿素−ホルムアルデヒドの合成
ポリマゲルの小球体は、極希溶液を用いる重合によっても作られ得る。ポリマゲルが次の一般的な方法を用いて調製された。尿素およびホルムアルデヒド（１．６：１）が室温で脱イオン水中に混合されて（１４３：１の水：尿素）、希溶液を形成した。溶液は５分間混合された後、蟻酸が添加される。約３０分後に、溶液は透明から乳白色になった。この時点で溶液は動かさずに静置され、やがて白色のポリマ球体の堆積が形成された。一実施形態では、ポリマ球体について窒素収着によって測定された比表面積および細孔容積は、それぞれ約７．８６ｍ２／ｇおよび約０．５７ｃｍ３／ｇである。一部の実施形態では、尿素：ホルムアルデヒドの比、尿素：水、蟻酸の量、滞留および撹拌時間、並びに塩基または酸触媒が変更されて、好ましいポリマをもたらし得る。
ポリマは、次に高温において不活性雰囲気下で熱分解されて炭素にされた。一実施形態では、熱分解後の炭素の物理的特性は約４８．３ｍ２／ｇの表面積および約０．０３６ｃｍ３／ｇの細孔容積である。図１９は、尿素−ホルムアルデヒドのポリマエマルションの一実施形態のＴＧＡを示している。なお、同図では＞９０％の急速な重量損失が滞留温度において起こっている。
炭素は、リチウムイオン電池においてハードカーボンアノード材料として試験された。リチウム金属をカウンター電極とし、１：１エチレン炭素／炭酸ジエチル（ＥＣ：ＤＥＣ）中の１ＭのＬｉＰＦ６を電解質とし、市販のポリプロピレンセパレータを用いた。１つの例示的な実施形態では、電気化学的性能（８８：２：１０（ハードカーボン：カーボンブラック、ＰＶＤＦ結合剤）の組成について、図２０に示されている）は高い重量比容量を示す（＞５００ｍＡｈ／ｇ）。
＜実施例１６＞
ケイ素−炭素複合材料の調製
水および酢酸（４０：１のモル比）中のレゾルシノールおよびホルムアルデヒド（０．５：１のモル比）と酢酸アンモニウム（１０：１のモル比のレゾルシノール対酢酸アンモニウム）との溶液が調製された。最後に、１モル当量（レゾルシノール対ケイ素）の微粒化（−３２５メッシュ）ケイ素粉末が混合物に添加された。最終的な混合物が５分間撹拌された後に、音波処理を１０分間行った。この混合物はＳＰＡＮ８０（界面活性剤）：シクロヘキサンの１：１００（体積による）溶液に注加され、４５℃に加熱された。５時間後に温度が６５℃まで上げられ、２４時間撹拌された（覆蓋された）。粉末が溶液から沈降したら、シクロヘキサンが傾瀉され、回収された粉末は８８℃で１０分間乾燥され、次に高温において不活性雰囲気下で熱分解された。得られた粉末は、４７６ｍ２／ｇの表面積、０．２１２ｃｍ３／ｇの細孔容積、および１７．８オングストロームの平均細孔幅を有した。
電圧対Ｓｉ−Ｃ複合材料の比容量が試験された。結果は図２１に示されている。カウンター電極としてのリチウム金属と８８：２：１０（重量による）のＳｉ−Ｃ複合材料−導電性向上剤（ＳｕｐｅｒＰ）−結合剤（ポリフッ化ビニリデン）からなる作用電極とを用いるセルが、試験された。電極はレーヨン３３ミクロン膜によって分離されており、電解質は１：１（重量による）の炭酸エチレン−炭酸ジエチレン中の１ＭのＬｉＰＦ６であった。セルは先ず４０ｍＡ／ｇの定電流で０．００５Ｖまで放電させられ、次に同じ電流で２Ｖまで充電された。
＜実施例１７＞
粒径分布および形状
乳化重合が上記のように実施されて活性炭粒子が調製された。図２２は、湿潤ゲル、乾燥ゲル、および活性炭粒子のほぼ単分散の粒径分布が乳化重合によって得られたことを示している（図２２の左から右に向かって、それぞれ１−３／３−３の湿潤ゲル粒子、乾燥ゲル粒子、および活性炭粒子）。湿潤ゲル粒子は２６．４μｍのＤｖ１０、４３．６μｍのＤｖ５０、および６６．３μｍのＤｖ９０を有する（スパン＝０．９１４）。乾燥ゲル粒子は２３．７μｍのＤｖ１０、４２．０μｍのＤｖ５０、および６９．４μｍのＤｖ９０を有する（スパン＝１．０９０）。炭化粒子は、１９．５μｍのＤｖ１０、３１．５μｍのＤｖ５０、および４９．３μｍのＤｖ９０を有する（スパン＝０．９４７）。エマルション組成およびプロセスパラメータ（例えば撹拌速度など）は、所産の生成物の粒径および単分散性の程度を制御するために調節される。図２３Ａおよび２３Ｂはそれぞれ、ゲルおよび炭素粒子の球状性を示している。球状の形状は、炭素粒子の充填がデバイスの電気化学的性能に影響する一部の電気化学的用途において利点を有する。
＜実施例１８＞
ゲルおよび炭素材料の例示的なモノリス調製
ポリマゲルが、酢酸アンモニウム触媒の存在下において、水／酢酸溶媒（７５：２５）中におけるレゾルシノールおよびホルムアルデヒド（０．５：１）の重合によって調製された。レゾルシノール対溶媒の割り当て（Ｒ／Ｓ）は０．３であり、レゾルシノール対触媒の比（Ｒ／Ｃ）は２５であった。反応混合物は高い温度に置かれて（４５℃で約６ｈ保温、次に８５℃で約２４ｈ保温）ゲル化させられ、ポリマゲルを生じた。ポリマゲル粒子がポリマゲルから作られ、４，７５０ミクロンメッシュの篩に通された。篩別された粒子は液体窒素中への浸漬によって急速凍結され、３ｇ／ｉｎ２〜７ｇ／ｉｎ２の量で凍結乾燥トレイに載せられ、約５０ｍＴｏｒｒで凍結乾燥された。乾燥するまでの時間（生成物が棚の温度から２℃以内に達する時間から推定される）は、凍結乾燥機の棚上の生成物の量によって異なった。
他のモノリスゲルおよび炭素材料は、上記の一般的方法に従って調製される。異なるゲル組成および／または凍結乾燥無しを含めて、方法の変更も用いられ得る。
＜実施例１９＞
電気化学的特性の一般試験
炭素試料はそれらの電気化学的性能について、特にＥＤＬＣコインセルデバイスの電極材料として分析された。電極、ＥＤＬＣの作製、およびそれらの試験に関する具体的な詳細は以下に記載されている。
キャパシタ電極は、約９７重量部の炭素粒子（平均粒径５〜１５ミクロン）および約３重量部のテフロンからなった。テフロンが良好に分散されて複合材料がある程度の物理的一貫性を得るまで、炭素およびテフロンは乳棒および乳鉢によって素練りされた。混合後に、複合材料はローラー加工されて平らなシートになった（約５０ミクロン厚）。電極ディスク（直径約１．５９ｃｍ）がシートから打ち抜かれた。電極は、ドライボックスに取り付けられたバキュームオーブン中に置かれて、１９５℃において１２時間加熱された。これは、電極調製中に雰囲気から吸着された水を除去した。乾燥後に電極は室温まで放冷され、オーブン内の雰囲気はアルゴンで満たされ、電極はドライボックス内に移動され、そこでキャパシタが作製された。
１インチ（２．５４ｃｍ）の直径の炭素コーティング済みアルミニウム箔ディスクとアルミニウムにヒートシールされた５０ミクロン厚のポリエチレンガスケットリングとによって形成された空洞中に、炭素電極が入れられた。第２の電極が同様にして次に調製された。アセトニトリル中に１．８Ｍのテトラフルオロホウ酸テトラエチレンアンモニウムを含む２滴の電解質が、各電極に加えられた。各電極は０．８２５インチの直径の細孔性ポリプロピレンセパレータによって被覆された。２個の電極同士は、セパレータと共に互いに対向するようにサンドイッチ状にされた。、構造全体は共にホットプレスされた。
完成したら、キャパシタはポテンショスタット／ファンクションジェネレータ／周波数応答分析機による電気試験に使えるようになった。静電容量は定電流放電法によって測定された。これは、電流パルスを既知の時間印加することと、生ずる電圧のプロフィルを測定することとを含む。所与の時間および終了電圧を選択することによって、静電容量が以下のＣ＝Ｉｔ／ΔＶから算出された（Ｃ＝静電容量、Ｉ＝電流、ｔ＝所望の電圧に到達するまでの時間、ΔＶ＝初期と最終電圧との間の電圧差）。２つの炭素電極の重量および体積に基づく比容量が、それぞれ重量および体積によって静電容量を除算することによって得られた。このデータは２．４３から１．８９Ｖの放電について報告される。
＜実施例２０＞
連続相粘度および界面活性剤の作用としての粒径および細孔性
ミクロ細孔性ゲル（試料２０−１〜５（固形分／酸／Ｒ：Ｃ））およびメソ細孔性ゲル（２０−６〜１０（固形分／酸／Ｒ：Ｃ））をもたらすことが知られているレゾルシノール−ホルムアルデヒドのポリマ組成が、実施例１に記載の一般的な方法に従って調製された。ただし、界面活性剤は用いられなかった。ポリマ組成の懸濁液および／またはエマルションは種々の粘度を有する種々のパラフィンオイル（種々の供給者）と混合され、８０℃における撹拌によってエージングされた。
所産のゲル粒子の粒径および差分細孔容積が測定された。結果は図２４〜２６に示されている。図２４に見られるように、所産のゲル粒子の粒径は直径約０．５ｍｍ〜約３ｍｍの範囲であり、粒径は連続相の粘度と反比例していた。すなわち、連続相の粘度が高いほど平均粒径は小さい。ゲル粒子の粒径は様々であったが、凍結乾燥ゲル粒子の細孔構造は非常に一貫していた（図２５および２６）。
同様の実験が界面活性剤の存在下において実施された。ポリマ組成中の界面活性剤の存在はかなり小さめのゲル粒径をもたらす。図２７は、界面活性剤の存在下（図２７Ａ、約２００μｍ）および界面活性剤の非存在下（図２７Ｂ、約０．５ｍｍ〜約３ｍｍ）において調製されたゲルの粒径を比較している。それらの２つの調製法の粒径はかなり異なっていたが、所産の活性炭の細孔構造は２つの方法間で変わらなかった（図２８。点線は界面活性剤試料であり、実線は界面活性剤無しである）。
したがって、本発明の方法の一部の実施形態は、単に適切な連続相の選択によって、所望の細孔構造を維持しながら粒径の操作を可能にする。さらに、方法は、堅牢で再現可能な製造プロセスを提供する。なぜなら、粒径に影響するプロセスパラメータの変動は、最終的な生成物の所産の細孔構造に影響するとは予想されないからである。
＜実施例２１＞
粒径の制御
実施例２０に記載のように、方法の一部の実施形態では、ゲル粒子の粒径はゲル粒子の細孔構造に重大な影響は及ぼさない。本発明のこれらの実施形態は、他の公知の方法に優る利点を提供する。なぜなら、ゲルの粒径が操作されて最適な処理属性（例えば、濾過、下流の熱分解および賦活化、最終的な炭素粒径など）を得ながらも、所望の細孔構造はなお維持し得るからである。したがって、「製造プロセスが最適化され得るためにはゲル粒径をどのように制御するか」を理解するための種々の実験が設計された。下記の実験のそれぞれはレゾルシノール／ホルムアルデヒドポリマを用いて実施された。ただし、他のポリマ、例えばフェノール／ホルムアルデヒドおよびメラミン／ホルムアルデヒドポリマなども用いられ得る。
Ａ．重合の程度
実施例１（および他の実施例）で記載されたように、ポリマ前駆体および任意選択の酸、溶媒、並びに／または触媒が先ず混合されて、プレポリマ組成物を調製する。本発明の裏付けとして実施された実験は、連続層に添加される前にプレポリマ組成物が長く反応させられるほど、所産のポリマゲル粒子が大きくなることを示した。図２９はゲル粒子を示しており、これは連続相への添加に先立ってプレポリマ組成物を反応させることによって形成された。図２９において見られるように、より大きい粒子が、硬化に先立つより長い反応時間からもたらされる。
Ｂ．温度の影響
実験の別の一式では、次の組成を有するプレポリマ組成物が調製された。４０％固形分、１０％酢酸、１０のＲ／Ｃ比、および２のホルムアルデヒド：レゾルシノール比。各プレポリマ組成物試料は６５℃または８０℃で保温され、次にフリント・ヒルズ社１００−ＨＣの連続相（３０：１００の樹脂／連続相比）に添加され、同じ条件下において撹拌された。図３０において見られるように、より高い予備保温温度はより小さいゲル粒子をもたらし、より低い予備保温温度はより大きいゲル粒子をもたらす（図３０。左：８０℃保温温度、右：６５℃保温温度）。この手法は、大きい生産規模でビーズ粒径を制御するための単純で実施可能な方法を提供する。
Ｃ．連続相の影響
実験の次の一式においては、全ての処理パラメータは連続相を除いて同一に保たれた。プレポリマの１つのバッチが、Ｂの部に記載のように調製された。連続相は、同じ油群、すなわち種々の鎖長のフリント・ヒルズ社の飽和炭化水素から選択された。７０−ＨＣ、１００−ＨＣ、２３０−ＨＣ、および６００−ＨＣの連続相の鎖長が試験された。図３１（６００ＨＣ）、３２（２３０ＨＣ）、および３３（７０Ｈｃ）に示されているように、増大して行く連続相の炭化水素鎖長によってゲル粒径は減少する。この発見は、単純に連続相を変えることによる容易なビーズ径の維持可能性を証明している。用途および／または処理の制約条件に応じて、種々の大きさを有するポリマビーズが連続相の炭化水素鎖長を調整することによって直ちに達成され得る。
Ｄ．ポリマ組成の影響
プレポリマ組成がゲル粒径に影響を及ぼすことも確認された。実験のこのセットでは、全ての実験条件はプレポリマ組成を除いて同一に保たれた。連続相はＢＤＨホワイトパラフィンオイルであり、ビーズ形成温度（すなわち予備反応温度）は８０℃であった。図３４は、３０％固形分、５％酢酸、５０のレゾルシノール：酢酸アンモニウム比、および２のホルムアルデヒド：レゾルシノール比を含んでなるプレポリマ組成物を用いて形成されたゲル粒子を示す。
図３４〜３６に示されているように、ゲル粒径はプレポリマ組成を変えることによって変えられ得る。図３４は、３０％固形分、５％酢酸、５０のレゾルシノール：酢酸アンモニウム比、および２のホルムアルデヒド：レゾルシノールを含んでなるプレポリマ組成物（３０／５／５０／２）から形成されたゲル粒子を示す。図３５は、４０％固形分、１５％酢酸、２５のレゾルシノール：酢酸アンモニウム比、および２のホルムアルデヒド：レゾルシノールを含んでなるプレポリマ組成物（４０／１５／２５／２）から形成されたゲル粒子を示す。図３６は、４０％固形分、２５％酢酸、５のレゾルシノール：酢酸アンモニウム比、および２のホルムアルデヒド：レゾルシノールを含んでなるプレポリマ組成物（４０／２５／５／２）から形成されたゲル粒子を示す。
本開示の実施形態は、さらに以下の段落の任意の１つ以上に関する。
１．エマルションまたは懸濁液プロセスによって縮合ポリマゲルを調製するための方法であって、方法は、ａ）連続相およびポリマ相を含んでなる混合物を調製する工程であって、ポリマ相は１つ以上のポリマ前駆体および任意選択の溶媒を含んでなる工程と、ｂ）１つ以上のポリマ前駆体が互いに反応して縮合重合ポリマゲルを形成するのに十分な温度および時間で混合物をエージングする工程と、を含む。
２．乾燥された縮合ポリマゲルを調製するための方法であって、方法は、縮合ポリマゲルを乾燥する工程を含む。縮合ポリマゲルは、ａ）連続相およびポリマ相を含んでなる混合物を調製する工程であって、ポリマ相は１つ以上のポリマ前駆体および任意選択の溶媒を含んでなる工程と、ｂ）１つ以上のポリマ前駆体が互いに反応して縮合ポリマゲルを形成するのに十分な温度および時間で混合物をエージングする工程と、を含むエマルションまたは懸濁液プロセスによって調製されている。
３．炭素材料を調製するための方法であって、方法は、縮合ポリマゲル粒子を加熱して炭素材料を得る工程を含む。縮合ポリマゲル粒子は、ａ）連続相およびポリマ相を含んでなる混合物を調製する工程であって、ポリマ相は１つ以上のポリマ前駆体および任意選択の溶媒を含んでなる工程と、ｂ）１つ以上のポリマ前駆体が互いに反応して縮合ポリマゲルを形成するのに十分な温度および時間で混合物をエージングする工程と、を含むプロセスによって調製されている。
４．先行する段落のいずれか１つに記載の方法であって、縮合重合ポリマゲルが凍結乾燥またはキルン乾燥によって乾燥される方法。
５．先行する段落のいずれか１つに記載の方法であって、縮合ポリマゲルがミクロ細孔性である方法。
６．先行する段落のいずれか１つに記載の方法であって、縮合ポリマゲルがメソ細孔性である方法。
７．先行する段落のいずれか１つに記載の方法であって、縮合ポリマゲルが、ミクロ細孔性、メソ細孔性、および／またはマクロ細孔性の細孔の混合物を有する細孔構造を含んでなる方法。
８．段落３に記載の方法であって、炭素材料がミクロ細孔性である方法。
９．段落３に記載の方法であって、炭素材料がメソ細孔性である方法。
１０．段落３に記載の方法であって、炭素材料が、ミクロ細孔性、メソ細孔性、および／またはマクロ細孔性の細孔の混合物を有する細孔構造を含んでなる方法。
１１．先行する段落のいずれか１つに記載の方法であって、連続相およびポリマ相が互いに混和性ではなく、混合物はエマルションまたは懸濁液である方法。
１２．段落１１に記載の方法であって、ポリマ相は予備反応されず、方法は連続式である方法。
１３．先行する段落のいずれか１つに記載の方法であって、連続相およびポリマ相が混和性である方法。
１４．段落１３に記載の方法であって、混合物がエージングによってエマルションまたは懸濁液になる方法。
１５．先行する段落のいずれか１つに記載の方法であって、ポリマ相が混合物の調製に先立ってエージングされ、混合物が連続相およびポリマ相の組み合わせによって懸濁液になる方法。
１６．先行する段落のいずれか１つに記載の方法であって、ポリマ相が２つ以上の異なるポリマ前駆体を含んでなる方法。
１７．先行する段落のいずれか１つに記載の方法であって、ポリマ前駆体が、アミン含有化合物、アルコール含有化合物、およびカルボニル含有化合物から選択される方法。
１８．先行する段落のいずれか１つに記載の方法であって、ポリマ前駆体が、アルコール、フェノール、ポリアルコール、糖、アルキルアミン、芳香族アミン、アルデヒド、ケトン、カルボン酸、エステル、尿素、酸ハロゲン化物、およびイソシアネートから選択される方法。
１９．先行する段落のいずれか１つに記載の方法であって、ポリマ前駆体がアルデヒドおよびフェノールを含んでなる方法。
２０．先行する段落のいずれか１つに記載の方法であって、ポリマ前駆体がホルムアルデヒドおよびレゾルシノールを含んでなる方法。
２１．先行する段落のいずれか１つに記載の方法であって、ポリマ前駆体がホルムアルデヒドおよびフェノールを含んでなる方法。
２２．先行する段落のいずれか１つに記載の方法であって、ポリマ前駆体がホルムアルデヒドおよび尿素を含んでなる方法。
２３．先行する段落のいずれか１つに記載の方法であって、任意選択の溶媒が存在する方法。
２４．段落２３に記載の方法であって、任意選択の溶媒が水を含んでなる方法。
２５．先行する段落のいずれか１つに記載の方法であって、連続相が有機溶媒を含んでなる方法。
２６．先行する段落のいずれか１つに記載の方法であって、連続相が炭化水素溶媒を含んでなる方法。
２７．先行する段落のいずれか１つに記載の方法であって、連続相が、シクロヘキサン、パラフィンオイル、キシレン、イソパラフィンオイル、またはそれらの組み合わせを含んでなる方法。
２８．段落２７に記載の方法であって、連続相が、大規模生産に適用可能なように選択される方法。
２９．段落２８に記載の方法であって、連続相がパラフィンオイルを含んでなる方法。
３０．先行する段落のいずれか１つに記載の方法であって、連続相が９９．９％超の純度を有する方法。
３１．先行する段落のいずれか１つに記載の方法であって、さらに、電気化学的調節剤を混合物、ポリマ相、または連続相と混合する工程を含む方法。
３２．段落３１に記載の方法であって、電気化学的調節剤が窒素またはケイ素を含んでなる方法。
３３．先行する段落のいずれか１つに記載の方法であって、ポリマ相は、１つ以上のポリマ前駆体と任意選択の溶媒とを混合することによって調製される方法。
３４．先行する段落のいずれか１つに記載の方法であって、混合物が、連続相およびポリマ相を混合することによって調製される方法。
３５．段落３に記載の方法であって、縮合ポリマゲル粒子を加熱する工程が、縮合ポリマゲル粒子を熱分解する工程を含む方法。これは、縮合ポリマゲル粒子を不活性雰囲気中において５００℃〜２，４００℃の範囲の温度で加熱して、熱分解された縮合ポリマゲル粒子を得る工程を含む方法によってなされる。
３６．段落３５に記載の方法であって、温度が約５５０℃〜約９００℃の範囲である方法。
３７．段落３５に記載の方法であって、さらに、熱分解された縮合ポリマゲル粒子を賦活化する工程を含む方法。これは、熱分解された縮合ポリマゲル粒子と二酸化炭素、一酸化炭素、水蒸気、酸素、またはそれらの組み合わせを含んでなる雰囲気とを、８００℃〜１，３００℃の範囲の温度で接触させる工程を含む方法によってなされる。
３８．段落３７に記載の方法であって、温度が約８５０℃〜約９５０℃の範囲である方法。
３９．段落３７に記載の方法であって、熱分解された縮合ポリマゲル粒子が賦活化されて、１，５００〜２，１００ｍ２／ｇの範囲の比表面積を有する炭素材料を得る方法。
４０．先行する段落のいずれか１つに記載の方法であって、界面活性剤を混合物、ポリマ相、または連続相と混合する工程をさらに含む方法。
４１．段落４０に記載の方法であって、界面活性剤がソルビタン界面活性剤である方法。
４２．段落４０に記載の方法であって、界面活性剤が、ＳＰＡＮ（商標）８０、ＳＰＡＮ（商標）８５、ＳＰＡＮ（商標）６５、ＳＰＡＮ（商標）６０、ＳＰＡＮ（商標）４０、ＳＰＡＮ（商標）２０、ＴＷＥＥＮ（登録商標）８０、ＴＷＥＥＮ（登録商標）４０、ＴＷＥＥＮ（登録商標）２０、ＴＷＥＥＮ（登録商標）２１、ＴＷＥＥＮ（登録商標）６０、Ｔｒｉｔｏｎ−Ｘ（登録商標）１００、またはそれらの組み合わせを含んでなる方法。
４３．段落４２に記載の方法であって、界面活性剤がＳＰＡＮ（商標）８０である方法。
４４．段落４２に記載の方法であって、界面活性剤がＳＰＡＮ（商標）２０である方法。
４５．先行する段落のいずれか１つに記載の方法であって、さらに、ポリマゲルの形成の速度を増大させる触媒の使用を含む方法。
４６．段落４５に記載の方法であって、触媒が、塩基性の揮発性触媒もしくは有機触媒または重合速度を増大させ得る任意の他の触媒を含んでなる方法。
４７．段落４５に記載の方法であって、触媒が、炭酸アンモニウム、炭酸水素アンモニウム、酢酸アンモニウム、水酸化アンモニウム、またはそれらの組み合わせを含んでなる方法。
４８．段落４５に記載の方法であって、触媒対ポリマ前駆体の１つの比が２：１〜２，０００：１の範囲である方法。
４９．段落４５に記載の方法であって、触媒対ポリマ前駆体の１つの比が約４００：１である方法。
５０．段落４５に記載の方法であって、触媒対ポリマ前駆体の１つの比が約１００：１である方法。
５１．段落４５に記載の方法であって、触媒対ポリマ前駆体の１つの比が約５０：１である方法。
５２．段落４５に記載の方法であって、触媒対ポリマ前駆体の１つの比が約１０：１である方法。
５３．段落４８〜５２のいずれか１つに記載の方法であって、ポリマ前駆体がフェノール系化合物である方法。
５４．段落５３に記載の方法であって、フェノール系化合物がレゾルシノールである方法。
５５．段落５３に記載の方法であって、フェノール系化合物がフェノールである方法。
５６．段落４８〜５２のいずれか１つに記載の方法であって、ポリマ前駆体がアミン含有化合物である方法。
５７．段落４８〜５２のいずれか１つに記載の方法であって、ポリマ前駆体が尿素である方法。
５８．段落４８〜５２のいずれか１つに記載の方法であって、ポリマ前駆体がメラミンである方法。
５９．先行する段落のいずれか１つに記載の方法であって、酸を、混合物、ポリマ相、または連続相と混合する工程をさらに含む方法。
６０．段落５９に記載の方法であって、酸が酢酸である方法。
６１．段落５９に記載の方法であって、酸がシュウ酸である方法。
６２．段落５９に記載の方法であって、混合物が溶媒の質量パーセント基準で５％〜３５％の酸を含むような量で、酸が添加される方法。
６３．段落５９に記載の方法であって、重量基準で混合物が酸の約１０％を含む方法。
６４．段落５９に記載の方法であって、重量基準で混合物が酸の約２０％を含む方法。
６５．先行する段落のいずれか１つに記載の方法であって、混合物が界面活性剤を含み、界面活性剤が、重量基準で０．０１％〜２０％の範囲の量で混合物中に存在する方法。
６６．先行する段落のいずれか１つに記載の方法であって、混合物が界面活性剤を含み、界面活性剤が、重量基準で０．０１％〜１．０％の範囲の量で混合物中に存在する方法。
６７．先行する段落のいずれか１つに記載の方法であって、混合物が界面活性剤を含み、界面活性剤が、重量基準で９．０％〜１１．０％の範囲の量で混合物中に存在する方法。
６８．先行する段落のいずれか１つに記載の方法であって、混合物が界面活性剤を含み、界面活性剤が、重量基準で０．０５％〜１．１％の範囲の量で混合物中に存在する方法。
６９．先行する段落のいずれか１つに記載の方法であって、混合物をエージングする工程が混合物を撹拌する工程を含む方法。
７０．先行する段落のいずれか１つに記載の方法であって、混合物が２０℃〜９０℃の範囲の温度でエージングされる方法。
７１．先行する段落のいずれか１つに記載の方法であって、混合物が０．５〜４８時間の範囲の時間でエージングされる方法。
７２．先行する段落のいずれか１つに記載の方法であって、ポリマゲル粒子を単離する工程をさらに含む方法。
７３．段落７２に記載の方法であって、単離する工程が、溶媒もしくは連続相を濾過する工程、傾瀉する工程、またはそれらの組み合わせを含む方法。
７４．段落７２に記載の方法であって、さらに、単離されたポリマゲル粒子を乾燥して揮発性内容物を除去する工程を含む方法。
７５．段落７４に記載の方法であって、乾燥する工程が凍結乾燥を含む方法。
７６．先行する段落のいずれか１つに記載の方法であって、連続相をポリマ相と混合するのに先立って、ポリマ前駆体を部分的に反応させる方法。
７７．先行する段落のいずれか１つに記載の方法であって、混合物が界面活性剤を含み、界面活性剤を混合物と混合するのに先立ってポリマ前駆体が部分的に反応させる方法。
７８．段落１〜７７のいずれか１つに記載の方法に従って調製される炭素材料またはポリマゲル。
７９．炭素材料またはポリマゲルであって、（Ｄｖ，９０−Ｄｖ，１０）／Ｄｖ，５０が３未満となるような粒径分布を有し、Ｄｖ，１０、Ｄｖ，５０、およびＤｖ，９０は、体積による粒径分布のそれぞれ１０％、５０％、および９０％における粒径である炭素材料またはポリマゲル。
８０．段落７９に記載の炭素材料またはポリマゲルであって、（Ｄｖ，９０−Ｄｖ，１０）／Ｄｖ，５０が２未満である炭素材料またはポリマゲル。
８１．段落７９に記載の炭素材料またはポリマゲルであって、（Ｄｖ，９０−Ｄｖ，１０）／Ｄｖ，５０が１未満である炭素材料またはポリマゲル。
８２．段落７９に記載の炭素材料であって、炭素材料が、炭素材料の粒径を減らすための工程にかけられていない炭素材料。
８３．段落７９に記載の炭素材料またはポリマゲルであって、炭素材料またはポリマゲルが、段落１〜７７のいずれか１つに記載の方法に従って調製される炭素材料またはポリマゲル。
８４．段落７８または７９に記載の炭素材料であって、複数の炭素粒子を含んでなる炭素材料。複数の炭素粒子は、粒径分布の修正されたアンドリアゼンの方程式に対して、累積アンダーサイズ分布対粒径のプロットの方程式が０．９６以上の相関係数を含むような粒径分布をなす。修正されたアンドリアゼンの方程式は０．３のｑ値を含む。
８５．段落７８に記載の炭素材料またはポリマゲルであって、約１μｍ〜約１０ｍｍの範囲の平均粒径を有する複数の炭素またはポリマゲル粒子を含んでなる炭素材料またはポリマゲル。
８６．段落７８に記載の炭素材料またはポリマゲルであって、約０．９ｍｍの平均粒径を有する複数の炭素またはポリマゲル粒子を含んでなる炭素材料またはポリマゲル。
８７．段落７８に記載の炭素材料またはポリマゲルであって、約０．８ｍｍの平均粒径を有する複数の炭素またはポリマゲル粒子を含んでなる炭素材料またはポリマゲル。
８８．段落７８に記載の炭素材料またはポリマゲルであって、約０．５ｍｍの平均粒径を有する複数の炭素またはポリマゲル粒子を含んでなる炭素材料またはポリマゲル。
８９．段落７８に記載の炭素材料またはポリマゲルであって、約１００μｍ〜約１０μｍの範囲の平均粒径を有する複数の炭素またはポリマゲル粒子を含んでなる炭素材料またはポリマゲル。
９０．段落７８に記載の炭素材料またはポリマゲルであって、約１００μｍの平均粒径を有する複数の炭素またはポリマゲル粒子を含んでなる炭素材料またはポリマゲル。
９１．段落７８に記載の炭素材料またはポリマゲルであって、約５０μｍの平均粒径を有する複数の炭素またはポリマゲル粒子を含んでなる炭素材料またはポリマゲル。
９２．段落７８に記載の炭素材料またはポリマゲルであって、約１０μｍの平均粒径を有する複数の炭素またはポリマゲル粒子を含んでなる炭素材料またはポリマゲル。
９３．炭素材料であって、複数の炭素粒子を含んでなり、光学顕微鏡法および画像解析によって測定された場合に、炭素粒子の９０％超が球状の形状を有する炭素材料。
９４．段落９３に記載の炭素材料であって、炭素粒子の９５％超が球状の形状を有する炭素材料。
９５．段落９３に記載の炭素材料であって、段落１〜７７のいずれか１つに記載の方法を含む方法によって調製されている炭素材料。
９６．段落７８〜９５のいずれか１つに記載の炭素材料を含んでなる電極。
９７．段落７８〜９５のいずれか１つに記載の炭素材料を含んでなる電気エネルギー蓄蔵デバイス。
９８．段落９７に記載の電気エネルギー蓄蔵デバイスであって、電気二重層キャパシタである電気エネルギー蓄蔵デバイス。
９９．段落９７に記載の電気エネルギー蓄蔵デバイスであって、電池である電気エネルギー蓄蔵デバイス。
１００．段落９７に記載の電気エネルギー蓄蔵デバイスであって、リチウム／炭素電池、亜鉛／炭素電池、リチウム・空気電池、または鉛酸電池である電気エネルギー蓄蔵デバイス。
１０１．縮合ポリマを調製するための方法であって、ａ）界面活性剤、１つ以上のポリマ前駆体、並びに第１および第２の溶媒を混合することによって、エマルション、懸濁液、またはそれらの組み合わせを調製する工程と（第１および第２の溶媒は互いに混和性ではない）、ｂ）１つ以上のポリマ前駆体が互いに反応して縮合ポリマを形成するのに十分な温度および時間で、エマルションをエージングする工程と、を含む方法。
１０２．段落１０１に記載の方法であって、ポリマ前駆体が、アルコール、フェノール、ポリアルコール、糖、アルキルアミン、芳香族アミン、アルデヒド、ケトン、カルボン酸、エステル、尿素、酸ハロゲン化物、およびイソシアネートから選択される方法。
１０３．段落１０１に記載の方法であって、少なくとも１つのポリマ前駆体がフェノール系化合物である方法。
１０４．段落１０１に記載の方法であって、少なくとも１つのポリマ前駆体がレゾルシノールである方法。
１０５．段落１０１に記載の方法であって、少なくとも１つのポリマ前駆体がフェノールである方法。
１０６．段落１０１に記載の方法であって、少なくとも１つのポリマ前駆体がアルデヒド化合物である方法。
１０７．段落１０１に記載の方法であって、少なくとも１つのポリマ前駆体がホルムアルデヒドである方法。
１０８．段落１０１に記載の方法であって、少なくとも１つのポリマ前駆体がホルムアルデヒドであり、少なくとも１つのポリマ前駆体がレゾルシノールであり、縮合ポリマがレゾルシノール−ホルムアルデヒドポリマである方法。
１０９．段落１０１に記載の方法であって、少なくとも１つのポリマ前駆体が尿素である方法。
１１０．段落１０１に記載の方法であって、少なくとも１つのポリマ前駆体がメラミンである方法。
１１１．段落１０１に記載の方法であって、電気化学的調節剤をエマルション中に含ませる工程をさらに含む方法。
１１２．段落１１１に記載の方法であって、電気化学的調節剤がケイ素または窒素を含んでなる方法。
１１３．（Ｄｖ，９０−Ｄｖ，１０）／Ｄｖ，５０が３未満となり、Ｄｖ，１０、Ｄｖ，５０、およびＤｖ，９０が体積による粒径分布のそれぞれ１０％、５０％、および９０％における粒径であるような粒径分布を有する縮合ポリマ樹脂。
１１４．段落１１３に記載のポリマ樹脂であって、（Ｄｖ，９０−Ｄｖ，１０）／Ｄｖ，５０が２未満であるポリマ樹脂。
１１５．段落１１３に記載のポリマ樹脂であって、（Ｄｖ，９０−Ｄｖ，１０）／Ｄｖ，５０が１未満であるポリマ樹脂。
１１６．段落１１３に記載の炭化ポリマ樹脂であって、（Ｄｖ，９０−Ｄｖ，１０）／Ｄｖ，５０が２未満である炭化ポリマ樹脂。
１１７．段落１１３に記載の炭化ポリマ樹脂であって、（Ｄｖ，９０−Ｄｖ，１０）／Ｄｖ，５０が１未満である炭化ポリマ樹脂。
１１８．段落１１３に記載のポリマ樹脂であって、段落１０１〜１１２のいずれか１つに記載の方法によって調製されているポリマ樹脂。
１１９．炭素材料を作るための方法であって、１つ以上のポリマ前駆体を１つ以上の液体と組み合わせて混合物を作る工程であって、混合物がエマルション、分散液、または懸濁液であり、液体がヘキサン、ペンタン、シクロペンタン、ベンゼン、トルエン、ｏ−キシレン、ｍ−キシレン、ｐ−キシレン、ジエチルエーテル、エチルメチルケトン、ジクロロメタン、テトラヒドロフラン、鉱物油、パラフィンオイル、植物系の油、またはそれらの任意の混合物を含んでなる工程と、ポリマ前駆体が反応して１ｍｍ以上の体積平均粒径（Ｄｖ，５０）を有するポリマゲル粒子を形成するのに十分な温度および時間で、混合物をエージングする工程と、ポリマゲル粒子を加熱して炭素材料を作る工程とを含む方法。
１２０．段落１１９に記載の方法であって、ポリマゲル粒子を加熱する工程が、縮合ポリマゲル粒子を不活性雰囲気中において約５００℃〜約２，４００℃の温度で熱分解し、炭素材料を作る工程を含む方法。
１２１．段落１１９または１２０に記載の方法であって、液体が連続相を形成し、ポリマ前駆体が不連続相を形成する方法。
１２２．段落１２１に記載の方法であって、連続相および不連続相が互いに混和性ではない方法。
１２３．段落１１９または１２０に記載の方法であって、液体およびポリマ前駆体が互いに混和性であり、エージングによって液体およびポリマ前駆体が互いに混和性ではなくなり、その結果として混合物がエマルションまたは懸濁液となる方法。
１２４．段落１１９〜１２３のいずれか１つに記載の方法であって、炭素材料が約１ｃｍ３／ｇ〜約７ｃｍ３／ｇの総細孔容積を有する方法。
１２５．段落１２４に記載の方法であって、総細孔容積の少なくとも５０％が、約５０Å〜約５，０００Åの直径を有する細孔にある方法。
１２６．段落１１９〜１２５のいずれか１つに記載の方法であって、炭素材料が約１μｍ〜約４ｍｍの平均粒径を有する方法。
１２７．段落１１９〜１２６のいずれか１つに記載の方法であって、炭素材料が約１００ｍ２／ｇ〜約３，０００ｍ２／ｇの比表面積を有する方法。
１２８．段落１１９〜１２７のいずれか１つに記載の方法であって、炭素材料が（Ｄｖ，９０−Ｄｖ，１０）／Ｄｖ，５０が３未満となるような粒径分布を有し、Ｄｖ，１０、Ｄｖ，５０、およびＤｖ，９０はそれぞれ、体積による粒径分布の１０％、５０％、および９０％における粒径である方法。
１２９．段落１１９〜１２８のいずれか１つに記載の方法であって、炭素材料が、約２０％〜約８０％のミクロ細孔および約２０％〜約８０％のメソ細孔を含む細孔構造を有する方法。
１３０．段落１１９〜１２８のいずれか１つに記載の方法であって、炭素材料の細孔構造が約２０％〜約９０％のミクロ細孔を含む方法。
１３１．段落１１９〜１２８のいずれか１つに記載の方法であって、炭素材料の細孔構造が約２０％〜約８０％のメソ細孔を含む方法。
１３２．段落１１９〜１２８のいずれか１つに記載の方法であって、炭素材料が、ミクロ細孔性構造、メソ細孔性構造、マクロ細孔性構造、またはそれらの任意の組み合わせを有する方法。
１３３．段落１１９〜１３２のいずれか１つに記載の方法であって、さらに、電気化学的調節剤を混合物、ポリマ相、または液体と混合する工程を含む方法。
１３４．段落１３３に記載の方法であって、電気化学的調節剤が窒素またはケイ素を含んでなる方法。
１３５．段落１１９〜１３２のいずれか１つに記載の方法であって、プロトン励起Ｘ線放出法によって測定された場合に、炭素材料が、１１〜９２の原子番号を有する元素の全てを５００ｐｐｍ未満で含む方法。
１３６．炭素材料を作るための方法であって、縮合重合ポリマゲル粒子を加熱して炭素材料を作る工程を含む方法。縮合重合ポリマゲル粒子は、連続相およびポリマ相を含んでなる混合物を調製する工程と（ポリマ相は１つ以上のポリマ前駆体を含んでなり、連続相はヘキサン、ペンタン、シクロペンタン、ベンゼン、トルエン、ｏ−キシレン、ｍ−キシレン、ｐ−キシレン、ジエチルエーテル、エチルメチルケトン、ジクロロメタン、テトラヒドロフラン、鉱物油、パラフィンオイル、植物系の油、またはそれらの任意の混合物を含んでなる）、ポリマ前駆体が反応して縮合重合ポリマゲル粒子を形成するのに十分な温度および時間で混合物をエージングする工程と、を含むプロセスによって調製される。縮合重合ポリマゲル粒子は１ｍｍ以上の体積平均粒径（Ｄｖ，５０）を有する。
１３７．段落１３６に記載の方法であって、縮合重合ポリマゲル粒子が、ミクロ細孔性構造、メソ細孔性構造、マクロ細孔性構造、またはそれらの任意の組み合わせを有する方法。
１３８．段落１３６または１３７に記載の方法であって、炭素材料が、ミクロ細孔性構造、メソ細孔性構造、マクロ細孔性構造、またはそれらの任意の組み合わせを有する方法。
１３９．段落１３６〜１３８のいずれか１つに記載の方法であって、連続相およびポリマ相が互いに混和性ではなく、混合物がエマルションまたは懸濁液である方法。
１４０．段落１３６〜１３８のいずれか１つに記載の方法であって、連続相およびポリマ相が互いに混和性であり、エージングによって混合物がエマルションまたは懸濁液になる方法。
１４１．段落１３６〜１４０のいずれか１つに記載の方法であって、縮合重合ポリマゲル粒子が、加熱に先立って凍結乾燥またはキルン乾燥によって乾燥される方法。
１４２．段落１３６〜１４１のいずれか１つに記載の方法であって、ポリマ前駆体が、アルデヒドと、アミン含有化合物、アルコール含有化合物、およびカルボニル含有化合物からなる群から選択される少なくとも１つの化合物とを含んでなる方法。
１４３．段落１３６〜１４１のいずれか１つに記載の方法であって、ポリマ前駆体が、ホルムアルデヒドと、フェノール、レゾルシノール、および尿素からなる群から選択される少なくとも１つの化合物とを含んでなる方法。
１４４．段落１３６〜１４１のいずれか１つに記載の方法であって、ポリマ前駆体が、アミン含有化合物、アルコール含有化合物、カルボニル含有化合物、またはそれらの任意の混合物を含んでなる方法。
１４５．段落１３６〜１４１のいずれか１つに記載の方法であって、ポリマ前駆体が、アルコール、フェノール、ポリオール、糖、アルキルアミン、芳香族アミン、アルデヒド、ケトン、カルボン酸、エステル、尿素、酸ハロゲン化物、イソシアネート、またはそれらの任意の混合物を含んでなる方法。
１４６．段落１３６〜１４５のいずれか１つに記載の方法であって、連続相が９９．９％超の純度を有する方法。
１４７．段落１３６〜１４６のいずれか１つに記載の方法であって、さらに、電気化学的調節剤を混合物、ポリマ相、または連続相と混合する工程を含む方法。
１４８．段落１４７に記載の方法であって、電気化学的調節剤が窒素またはケイ素を含んでなる方法。
１４９．炭素材料を調製するための方法であって、界面活性剤、１つ以上のポリマ前駆体、水、および有機溶媒を混合してエマルションまたは懸濁液を作る工程と（界面活性剤および有機溶媒の総重量は５０ｗｔ％未満のシクロヘキサンを有する）、１つ以上のポリマ前駆体が反応して１ｍｍ以上の体積平均粒径（Ｄｖ，５０）を有する縮合ポリマゲル粒子を形成するのに十分な温度および時間で、エマルションまたは懸濁液をエージングする工程と、縮合ポリマゲル粒子を加熱して炭素材料を作る工程と、を含む方法。
１５０．段落１４９に記載の方法であって、ポリマ前駆体が、ホルムアルデヒド、フェノール、レゾルシノール、尿素、またはそれらの任意の混合物を含んでなる方法。
１５１．段落１４９または１５０に記載の方法であって、さらに、１つ以上の酸を界面活性剤、ポリマ前駆体、水、および有機溶媒と混合してエマルションまたは懸濁液を作る工程を含む方法。
１５２．段落１５１に記載の方法であって、酸が、酢酸、シュウ酸、またはそれらの混合物を含んでなる方法。
１５３．段落１４９または１５０に記載の方法であって、さらに、１つ以上の塩基性触媒を界面活性剤、ポリマ前駆体、水、および有機溶媒と混合してエマルションまたは懸濁液を作る工程を含む方法。
１５４．段落１５３に記載の方法であって、塩基性触媒が、炭酸アンモニウム、炭酸水素アンモニウム、酢酸アンモニウム、水酸化アンモニウム、またはそれらの任意の混合物を含んでなる方法。
１５５．段落１４９〜１５４のいずれか１つに記載の方法であって、炭素材料が、約１ｃｍ３／ｇ〜約７ｃｍ３／ｇの総細孔容積、約１μｍ〜約４ｍｍの平均粒径、約１００ｍ２／ｇ〜約３，０００ｍ２／ｇの比表面積、（Ｄｖ，９０−Ｄｖ，１０）／Ｄｖ，５０が３未満となるような粒径分布（Ｄｖ，１０、Ｄｖ，５０、およびＤｖ，９０はそれぞれ、体積による粒径分布の１０％、５０％、および９０％における粒径である）、約２０％〜約９０％のミクロ細孔を含む細孔構造、および約２０％〜約８０％のメソ細孔を含む細孔構造、からなる群から選択される少なくとも１つの特性を炭素材料が有する方法。
１５６．段落１１９〜１５５のいずれか１つに従って作られる炭素材料であって、複数の炭素粒子を含んでなり、光学顕微鏡法および画像解析によって測定される場合に炭素粒子の９０％超が球状の形状を有する方法。
１５７．段落１５６に記載の炭素材料であって、炭素粒子の９５％超が球状の形状を有する方法。
１５８．段落１５６または１５７に記載の炭素材料であって、（Ｄｖ，９０−Ｄｖ，１０）／Ｄｖ，５０が３未満となるような粒径分布を炭素材料が有し、Ｄｖ，１０、Ｄｖ，５０、およびＤｖ，９０はそれぞれ、体積による粒径分布の１０％、５０％、および９０％における粒径である方法。
１５９．段落１５８に記載の炭素材料であって、（Ｄｖ，９０−Ｄｖ，１０）／Ｄｖ，５０が２未満である方法。
１６０．段落１５８に記載の炭素材料であって、（Ｄｖ，９０−Ｄｖ，１０）／Ｄｖ，５０が１未満である方法。
１６１．段落１５６〜１６０のいずれか１つに記載の炭素材料であって、炭素粒子が約１μｍ〜約４ｍｍの平均粒径を有する方法。
１６２．段落１５６〜１６１のいずれか１つに記載の炭素材料であって、炭素材料が、炭素材料の粒径を減らすための工程にかけられていない方法。
いくつかの実施形態および特徴は、数値の上限の一式および数値の下限の一式を用いて説明された。当然のことながら、別段の記載がない限り、任意の２つの値の組み合わせを含む範囲、例えば、任意のより低い値と任意のより高い値との組み合わせ、任意の２つのより低い値の組み合わせ、および／または任意の２つのより高い値の組み合わせが考えられる。特定の下限、上限、および範囲が次の１つ以上の請求項に存在する。全ての数値は「約（about）」または「約（approximately）」で示された値であり、当業者によって予想される実験の誤差およびばらつきを考慮に入れる。
種々の用語が上で定義された。請求項において用いられる用語が上で定義されていない場合には、当業者がその用語に与えて来た、少なくとも１つの印刷公刊物または発行済み特許に示されている最も広い定義を与えるものとする。さらに、本願において引用される全ての特許、試験方法、および他の文書は、かかる開示が本願と矛盾しない限り、かかる援用が許される全ての法域において、参照によって援用される。
以上は本発明のいくつかの実施形態に関するものであるが、本発明の他のさらなる実施形態がその基本的な範囲から逸脱することなく考案され得、その範囲は次の特許請求の範囲によって定められる。
上記の種々の実施形態が組み合わされて、さらなる実施形態を提供し得る。本明細書において参照および／または出願データシートにおいて列挙された米国特許、米国特許出願公報、米国特許出願、外国特許、外国特許出願、および非特許公刊物の全ては、その全体が参照によって本明細書に援用される。実施形態の種々の側面が必要に応じて改変されて、種々の特許、特許出願、および公刊物の構想を利用して、さらなる実施形態を提供し得る。それらおよび他の変更は、上記の詳細な説明に照らしてそれらの実施形態に加えられ得る。通常は、次の特許請求の範囲で用いられる用語は、明細書および特許請求の範囲において開示される特定の実施形態に特許請求の範囲を限定すると理解されるべきものではなく、全ての可能な実施形態とかかる特許請求の範囲が権利を有する均等物の最大の範囲とを包含すると理解されるべきものである。したがって、特許請求の範囲は上記の開示によって限定されない。

Claims (44)

  1. 炭素材料を作るための方法であって、
    １つ以上のポリマ前駆体を１つ以上の液体と組み合わせて混合物を作る工程であって、前記混合物が、エマルション、分散液、または懸濁液であり、前記液体が、ヘキサン、ペンタン、シクロペンタン、ベンゼン、トルエン、ｏ−キシレン、ｍ−キシレン、ｐ−キシレン、ジエチルエーテル、エチルメチルケトン、ジクロロメタン、テトラヒドロフラン、鉱物油、パラフィンオイル、植物系の油、またはそれらの任意の混合物を含んでなる工程と；
    前記ポリマ前駆体が反応して１ｍｍ以上の体積平均粒径（Ｄｖ，５０）を有するポリマゲル粒子を形成するのに十分な温度および時間で、前記混合物をエージングする工程と；
    前記ポリマゲル粒子を加熱して炭素材料を作る工程と、を含む方法。
  2. 請求項１に記載の方法であって、前記ポリマゲル粒子を加熱する工程が、前記縮合ポリマゲル粒子を不活性雰囲気中において約５００℃〜約２，４００℃の温度で熱分解して、前記炭素材料を作る工程を含む方法。
  3. 請求項１または２に記載の方法であって、前記液体が連続相を形成し、前記ポリマ前駆体が不連続相を形成する方法。
  4. 請求項３に記載の方法であって、前記連続相および前記不連続相が互いに混和性ではない方法。
  5. 請求項１または２に記載の方法であって、前記液体および前記ポリマ前駆体が互いに混和性であり、エージングによって、前記液体および前記ポリマ前駆体が互いに混和性ではなくなり、その結果として前記混合物がエマルションまたは懸濁液になる方法。
  6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法であって、前記炭素材料が約１ｃｍ３／ｇ〜約７ｃｍ３／ｇの総細孔容積を有する方法。
  7. 請求項６に記載の方法であって、前記総細孔容積の少なくとも５０％が、約５０Å〜約５，０００Åの直径を有する細孔にある方法。
  8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法であって、炭素材料が約１μｍ〜約４ｍｍの平均粒径を有する方法。
  9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法であって、前記炭素材料が、約１００ｍ２／ｇ〜約３，０００ｍ２／ｇの比表面積を有する方法。
  10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法であって、前記炭素材料が、（Ｄｖ，９０−Ｄｖ，１０）／Ｄｖ，５０が３未満となるような粒径分布を有し、前記Ｄｖ，１０、Ｄｖ，５０、およびＤｖ，９０は、体積による前記粒径分布のそれぞれ１０％、５０％、および９０％における粒径である方法。
  11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法であって、前記炭素材料が、約２０％〜約８０％のミクロ細孔および約２０％〜約８０％のメソ細孔を含む細孔構造を有する方法。
  12. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法であって、前記炭素材料の細孔構造が約２０％〜約９０％のミクロ細孔を含む方法。
  13. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法であって、前記炭素材料の細孔構造が約２０％〜約８０％のメソ細孔を含む方法。
  14. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法であって、前記炭素材料が、ミクロ細孔性構造、メソ細孔性構造、マクロ細孔性構造、またはそれらの任意の組み合わせを有する方法。
  15. 請求項１〜１４のいずれか１項に記載の方法であって、さらに、電気化学的調節剤を前記混合物、前記ポリマ相、または前記液体と混合する工程を含む方法。
  16. 請求項１５に記載の方法であって、前記電気化学的調節剤が窒素またはケイ素を含んでなる方法。
  17. 請求項１〜１４のいずれか１項に記載の方法であって、前記炭素材料が、プロトン励起Ｘ線放出法によって測定される場合に、１１〜９２の範囲の原子番号を有する元素の全てを５００ｐｐｍ未満で含む方法。
  18. 炭素材料を作るための方法であって、
    縮合重合ポリマゲル粒子を加熱して炭素材料を作る工程を含み、
    前記縮合重合ポリマゲル粒子が、
    連続相およびポリマ相を含んでなる混合物を調製する工程であって、前記ポリマ相が１つ以上のポリマ前駆体を含んでなり、前記連続相がヘキサン、ペンタン、シクロペンタン、ベンゼン、トルエン、ｏ−キシレン、ｍ−キシレン、ｐ−キシレン、ジエチルエーテル、エチルメチルケトン、ジクロロメタン、テトラヒドロフラン、鉱物油、パラフィンオイル、植物系の油、またはそれらの任意の混合物を含んでなる工程と；
    前記ポリマ前駆体が反応して前記縮合重合ポリマゲル粒子を形成するのに十分な温度および時間で前記混合物をエージングする工程であって、前記縮合重合ポリマゲル粒子が１ｍｍ以上の体積平均粒径（Ｄｖ，５０）を有する工程と、
    を含むプロセスによって調製される、方法。
  19. 請求項１８に記載の方法であって、前記縮合重合ポリマゲル粒子が、ミクロ細孔性構造、メソ細孔性構造、マクロ細孔性構造、またはそれらの任意の組み合わせを有する方法。
  20. 請求項１８または１９に記載の方法であって、前記炭素材料が、ミクロ細孔性構造、メソ細孔性構造、マクロ細孔性構造、またはそれらの任意の組み合わせを有する方法。
  21. 請求項１８〜２０のいずれか１項に記載の方法であって、前記連続相およびポリマ相が互いに混和性ではなく、前記混合物がエマルションまたは懸濁液である方法。
  22. 請求項１８〜２０のいずれか１項に記載の方法であって、前記連続相および前記ポリマ相が互いに混和性であり、前記混合物がエージングによってエマルションまたは懸濁液になる方法。
  23. 請求項１８〜２２のいずれか１項に記載の方法であって、前記縮合重合ポリマゲル粒子が、加熱に先立って凍結乾燥またはキルン乾燥によって乾燥される方法。
  24. 請求項１８〜２３のいずれか１項に記載の方法であって、前記ポリマ前駆体が、アルデヒドと、アミン含有化合物、アルコール含有化合物、およびカルボニル含有化合物からなる群から選択される少なくとも１つの化合物とを含んでなる方法。
  25. 請求項１８〜２３のいずれか１項に記載の方法であって、前記ポリマ前駆体が、ホルムアルデヒドと、フェノール、レゾルシノール、および尿素からなる群から選択される少なくとも１つの化合物とを含んでなる方法。
  26. 請求項１８〜２３のいずれか１項に記載の方法であって、前記ポリマ前駆体が、アミン含有化合物、アルコール含有化合物、カルボニル含有化合物、またはそれらの任意の混合物を含んでなる方法。
  27. 請求項１８〜２３のいずれか１項に記載の方法であって、前記ポリマ前駆体が、アルコール、フェノール、ポリオール、糖、アルキルアミン、芳香族アミン、アルデヒド、ケトン、カルボン酸、エステル、尿素、酸ハロゲン化物、イソシアネート、またはそれらの任意の混合物を含んでなる方法。
  28. 請求項１８〜２７のいずれか１項に記載の方法であって、前記連続相が９９．９％超の純度を有する方法。
  29. 請求項１８〜２８のいずれか１項に記載の方法であって、さらに、電気化学的調節剤を前記混合物、前記ポリマ相、または前記連続相と混合する工程を含む方法。
  30. 請求項２９に記載の方法であって、前記電気化学的調節剤が窒素またはケイ素を含んでなる方法。
  31. 炭素材料を調製するための方法であって、
    界面活性剤、１つ以上のポリマ前駆体、水、および有機溶媒を混合してエマルションまたは懸濁液を作る工程であって、前記界面活性剤および有機溶媒の総重量が５０ｗｔ％未満のシクロヘキサンを有する工程と；
    前記１つ以上のポリマ前駆体が反応して１ｍｍ以上の体積平均粒径（Ｄｖ，５０）を有する縮合ポリマゲル粒子を形成するのに十分な温度および時間で、前記エマルションまたは懸濁液をエージングする工程と；
    前記縮合ポリマゲル粒子を加熱して炭素材料を作る工程と、を含む方法。
  32. 請求項３１に記載の方法であって、前記ポリマ前駆体が、ホルムアルデヒド、フェノール、レゾルシノール、尿素、またはそれらの任意の混合物を含んでなる方法。
  33. 請求項３１または３２に記載の方法であって、さらに、１つ以上の酸を前記界面活性剤、前記ポリマ前駆体、水、および前記有機溶媒と混合して、前記エマルションまたは懸濁液を作る工程を含む方法。
  34. 請求項３３に記載の方法であって、前記酸が、酢酸、シュウ酸、またはそれらの混合物を含んでなる方法。
  35. 請求項３１または３２に記載の方法であって、さらに、１つ以上の塩基性触媒を前記界面活性剤、前記ポリマ前駆体、水、および前記有機溶媒と混合して、前記エマルションまたは懸濁液を作る工程を含む方法。
  36. 請求項３５に記載の方法であって、前記塩基性触媒が、炭酸アンモニウム、炭酸水素アンモニウム、酢酸アンモニウム、水酸化アンモニウム、またはそれらの任意の混合物を含んでなる方法。
  37. 請求項３１〜３６のいずれか１項に記載の方法であって、前記炭素材料が、
    約１ｃｍ３／ｇ〜約７ｃｍ３／ｇの総細孔容積；
    約１μｍ〜約４ｍｍの平均粒径；
    約１００ｍ２／ｇ〜約３，０００ｍ２／ｇの比表面積；
    （Ｄｖ，９０−Ｄｖ，１０）／Ｄｖ，５０が３未満になるような粒径分布（Ｄｖ，１０、Ｄｖ，５０、およびＤｖ，９０はそれぞれ、体積による粒径分布の１０％、５０％、および９０％における粒径である）；
    約２０％〜約９０％のミクロ細孔を含む細孔構造；並びに
    約２０％〜約８０％のメソ細孔を含む細孔構造；
    からなる群から選択される少なくとも１つの特性を有する方法。
  38. 請求項１〜３７のいずれか１項に従って作られる炭素材料であって、複数の炭素粒子を含んでなり、光学顕微鏡法および画像解析によって測定される場合に、前記炭素粒子の９０％超が球状の形状を有する炭素材料。
  39. 請求項３８に記載の炭素材料であって、前記炭素粒子の９５％超が球状の形状を有する炭素材料。
  40. 請求項３８または３９に記載の炭素材料であって、前記炭素材料が（Ｄｖ，９０−Ｄｖ，１０）／Ｄｖ，５０が３未満になるような粒径分布を有し、Ｄｖ，１０、Ｄｖ，５０、およびＤｖ，９０はそれぞれ、体積による粒径分布の１０％、５０％、および９０％における粒径である、炭素材料。
  41. 請求項４０に記載の炭素材料であって、（Ｄｖ，９０−Ｄｖ，１０）／Ｄｖ，５０が２未満である炭素材料。
  42. 請求項４０に記載の炭素材料であって、（Ｄｖ，９０−Ｄｖ，１０）／Ｄｖ，５０が１未満である炭素材料。
  43. 請求項３８〜４２のいずれか１項に記載の炭素材料であって、前記炭素粒子が約１μｍ〜約４ｍｍの平均粒径を有する炭素材料。
  44. 請求項３８〜４３のいずれか１項に記載の炭素材料であって、前記炭素材料が、前記炭素材料の粒径を減らすための工程にかけられていない炭素材料。
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