包含增强的电化学特性的碳材料制造技术

本申请涉及包含增强的电化学特性的碳材料。本申请是针对包含一种优化的孔隙结构的碳材料。这些碳材料包含增强的电化学特性并且在许多电学装置中有效用，例如作为超级电容器中的电极材料。还披露用于制备所披露的碳材料的方法。

Carbon materials containing enhanced electrochemical properties

The application relates to carbon materials containing enhanced electrochemical characteristics. This application is for carbon materials containing an optimized pore structure. These carbon materials contain enhanced electrochemical properties and are useful in many electrical devices, for example as electrode materials in supercapacitors. A method for preparing disclosed carbon materials is also disclosed.

【技术实现步骤摘要】
包含增强的电化学特性的碳材料本申请是申请日为2011年12月23日，申请号为201180067755.8，专利技术名称为“包含增强的电化学特性的碳材料”的申请的分案申请。相关申请的交叉引用本申请根据35U.S.C.§119(e)要求了2010年12月28日提交的美国临时专利申请号61/427,649的权益，该申请通过引用以其全文结合于此。背景
本专利技术总体上涉及包含一种优化的孔隙结构的碳材料、用于制备这些碳材料的方法以及包含这些碳材料的装置。相关技术说明活性碳通常用于电存储和分配装置中。活性碳的高表面积、导电性以及孔隙率允许设计与使用其他材料的装置相比具有更高能量密度的电学装置。双电层电容器(EDLC或“超级电容器”)是这类装置的一个实例。EDLC经常具有由一种活性碳材料制成的多个电极以及一种适合的电解质，并且与更常用的电容器相比具有极高能量密度。EDLC的典型用途包括在需要电力短时间爆发供数据传输用或峰值电力功能的装置(如无线调制解调器、移动电话、数字照相机以及其他手持式电子装置)中进行能量存储和分配。EDLC还通常用于电动车辆中，如电动汽车、火车、公共汽车等。电池是另一种常用能量存储和分配装置，该装置经常包含一种活性碳材料(例如作为阳极材料、集电器或导电性增强剂)。举例来说，具有一个夹杂有锂的含碳阳极的锂/碳电池代表一种有前景的能量存储装置。其他类型的含碳电池包括使用多孔碳作为空气电极的集电器的锂空气电池以及经常在阳极或阴极中包含碳添加剂的铅酸电池。电池被用于许多需要低电流密度电源(如与EDLC的高电流密度相比)的电子装置中。EDLC和基于碳的电池的一个已知的局限性是在高温、高压操作、重复充电/放电循环下和/或在老化之后性能降低。这种降低的性能已至少部分被归因于电解质杂质或碳电极本身中的杂质，这些杂质引起电解质/电极界面处电极的损坏。因此，已提出包括由更高纯度碳材料制成的电极的EDLC和/或电池与现有装置相比可以在更高电压下操作并且在更高温度下持续更长时间。除纯度以外，含碳电学装置的另一个已知的局限性是活性碳本身的孔隙结构。虽然活性碳材料典型地包含高孔隙率，但孔径分布对于用于电能存储和分配装置来说并非优化的。这种优化包括微孔和中孔的理想化掺混。一种理想化孔径分布预期使由优化的碳材料制成的电极的离子迁移率最大化(即电阻更低)、使功率密度增加并且改善体积电容。尽管已公认需要包含针对高脉冲功率电化学应用优化的一种孔隙结构的被改善的高纯度碳材料，但这类碳材料不是可商购的并且没有报道能够产生这类碳材料的制备方法。产生高表面积活性碳材料的一种常用方法是使一种现有含碳材料(例如椰子纤维或轮胎橡胶)热解。这产生一种具有相对低的表面积的炭，该炭可以随后被过度活化以产生一种具有为所希望的应用所必需的表面积和孔隙率的材料。这种方法固有地受前体材料的现有结构限制，并且典型地产生具有一种未优化的孔隙结构以及1％或更高的灰分含量(例如金属杂质)的一种碳材料。也可以通过化学活化来制备活性碳材料。举例来说，用一种酸、碱或盐(例如磷酸、氢氧化钾、氢氧化钠、氯化锌等)处理一种含碳材料，随后加热，产生一种活性碳材料。然而，这种化学活化也产生一种不适合用于高性能电学装置中的活性碳材料。用于产生高表面积活性碳材料的另一种方法是由含碳有机结构单元(例如一种聚合物凝胶)制备一种合成聚合物。正如现有有机材料的情况，以合成方式制备的聚合物被热解并活化以产生一种活性碳材料。与上文所描述的传统方法相比，以合成方式制备的聚合物的固有孔隙率使得工艺产率更高，因为在活化步骤期间损失更少材料。然而，用于由合成聚合物制备碳材料的已知方法产生具有未优化的孔隙结构和不适合含量水平的杂质的碳材料。因此，由这些材料制成的电极展现不适合的电化学特性。虽然在本领域中已取得显著进展，但在本领域中对用于电能存储装置的包含一种优化的孔隙结构的被改善的高纯度碳材料以及制备这些碳材料的方法和包含这些碳材料的装置的需要持续存在。本专利技术实现这些需要并且另外提供相关优点。简单概述总体而言，本专利技术是针对包含一种优化的孔隙结构的新颖碳材料。优化的孔隙结构包含一种微孔与中孔的比率，该比率使功率密度增加并且在由所披露的碳材料制成的电极中提供高离子迁移率。另外，由所披露的碳材料制成的电极包含低离子电阻和高频率响应。因此，这些电极与由其他碳材料制成的电极相比包含更高的功率密度和增加的体积电容。碳材料的高纯度也有助于改善许多电学存储和/或分布装置的操作、寿命以及性能因此，这些新颖的碳材料在许多电能存储装置中有效用，例如正如超级电容器中的电极材料那样。包含所披露的碳材料的这类装置适用于许多应用，包括需要高脉冲功率的应用。因为所披露的碳材料的独特特性，这些装置也预期与其他已知含碳电化学装置相比具有更高耐久性并且因此具有增加的寿命。因此，本披露的一个实施例是针对包含一种孔隙结构的一种碳材料，该孔隙结构包含微孔、中孔以及总孔容，其中从40％到90％的总孔容存在于微孔中，从10％到60％的总孔容存在于中孔中，并且小于10％的总孔容存在于大于20nm的孔隙中。在其他实施例中，从40％到50％的总孔容存在于微孔中，并且从50％到60％的总孔容存在于中孔中。举例来说，在一些实施例中，从43％到47％的总孔容存在于微孔中，并且从53％到57％的总孔容存在于中孔中。举例来说，在一个具体实施例中，约45％的总孔容存在于微孔中并且约55％的总孔容存在于中孔中。在另一个实施例中，小于5％的总孔容存在于大于20nm的孔隙中。在再其他实施例中，碳材料中从40％到85％的总孔容存在于微孔中，并且从15％到40％的总孔容存在于中孔中。举例来说，在一些实施例中，从75％到85％的总孔容存在于微孔中，并且从15％到25％的总孔容存在于中孔中。在其他实施例中，从65％到75％的总孔容存在于微孔中，并且从20％到30％的总孔容存在于中孔中。在一些具体实施例中，约80％的总孔容存在于微孔中，并且约20％的总孔容存在于中孔中。在其他具体实施例中，约70％的总孔容存在于微孔中，并且约30％的总孔容存在于中孔中。在其他实施例中，本披露提供包含一种孔隙结构的一种碳材料，该孔隙结构包含微孔、中孔以及总孔容，其中从20％到50％的总孔容存在于微孔中，从50％到80％的总孔容存在于中孔中，并且小于10％的总孔容存在于大于20nm的孔隙中。在一些实施例中，从20％到40％的总孔容存在于微孔中，并且从60％到80％的总孔容存在于中孔中。在其他实施例中，从25％到35％的总孔容存在于微孔中，并且从65％到75％的总孔容存在于中孔中。举例来说，在一些实施例中，约30％的总孔容存在于微孔中，并且约70％的总孔容存在于中孔中。在前述碳材料的再其他实施例中，从30％到50％的总孔容存在于微孔中，并且从50％到70％的总孔容存在于中孔中。在其他实施例中，从35％到45％的总孔容存在于微孔中，并且从55％到65％的总孔容存在于中孔中。举例来说，在一些实施例中，约40％的总孔容存在于微孔中，并且约60％的总孔容存在于中孔中。在任何以上实施例的某些变化形式中，小于5％的总孔容存在于大于20nm的孔隙中。在其他变化形式中，碳材料所包含的总杂质含量为如通过质子诱导x射本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种包含孔隙结构的碳材料，该孔隙结构包含微孔、中孔以及总孔容，其中从40％到90％的该总孔容存在于微孔中，从10％到60％的该总孔容存在于中孔中并且小于10％的该总孔容存在于大于20nm的孔隙中。

【技术特征摘要】
2010.12.28 US 61/427,6491.一种包含孔隙结构的碳材料，该孔隙结构包含微孔、中孔以及总孔容，其中从40％到90％的该总孔容存在于微孔中，从10％到60％的该总孔容存在于中孔中并且小于10％的该总孔容存在于大于20nm的孔隙中。2.如权利要求1所述的碳材料，其中从40％到50％的该总孔容存在于微孔中，并且从50％到60％的该总孔容存在于中孔中。3.如权利要求1所述的碳材料，其中从43％到47％的该总孔容存在于微孔中，并且从53％到57％的该总孔容存在于中孔中。4.如权利要求1所述的碳材料，其中约45％的该总孔容存在于微孔中并且约55％的该总孔容存在于中孔中。5.如权利要求1所述的碳...

【专利技术属性】
技术研发人员：艾伦·T·张，亨利·R·克斯坦蒂诺，亚伦·M·费沃尔，阿玛莉亚·L·欧佩，潘杨杨，利亚姆·克维尔，威廉斯·D·斯科特，
申请(专利权)人：巴斯福股份公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE