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CN104254560B - 制备聚合物树脂的方法和碳材料 - Google Patents

制备聚合物树脂的方法和碳材料 Download PDF

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Abstract

本申请涉及凝胶形式的聚合物颗粒的制备方法和由其制造的碳材料。该碳材料可具有提高的电化学性能且在许多电学装置的任何一种中具有效用，例如在超级电容器或电池中用作电极材料。

Description

制备聚合物树脂的方法和碳材料
技术领域
本发明一般地涉及制备聚合物树脂材料的新方法和由该聚合物树脂材料制备碳材料的方法。
背景技术
活性炭通常应用在电存储和分配装置中。活性炭的表面积、导电率和孔隙率允许设计具有所需的电化学性能的电学装置。双电层电容器(EDLC或“超级电容器”)为这类装置的实例。EDLC通常具有由活性炭材料和合适的电解质制成的电极，并且与更多常用的电容器相比具有极高的能量密度。EDLC的典型用途包括在需要用于数据传输或峰值功率运行的功率短脉冲的装置(例如无线调制解调器、移动电话、数码相机和其它手提电子装置)中的能量存储和分配。EDLC还通常在诸如电动汽车、火车、公共汽车等的电动交通工具中使用。
电池是另一种常用的能量存储和分配装置，该装置经常包含活性炭材料(例如作为阳极材料、集电器或导电性增强剂)。例如，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。电池被用于需要低电流密度电源(如与EDLC的高电流密度相比)的任何数量的电子装置中。
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、反复充电/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并且在更高温度下操作更长时间。
除纯度以外，含碳的电学装置的另一个已知的局限性是活性炭本身的孔结构。虽然活性炭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。这种优化可包括微孔和中孔二者的共混物。另外，在一些应用中，可能期望高表面积的碳，而在其他应用中，优选低表面积的材料。理想化的孔径分布可最大化由优化的碳材料制备的装置的性能特性，其中包括，但不限于，增加的离子迁移率(即，较低的电阻)，增加的功率密度，改进的体积电容，增加的循环寿命效率。
生产碳材料的一种常见方法是热解已有的含碳材料(例如，椰子纤维或轮胎橡胶)。这导致具有相对低表面积的焦炭，所述焦炭随后可被过度活化，生产具有针对所需应用需要的表面积和孔隙率的材料。这一方法固有地受到前体材料已有的结构限制，且典型地导致具有未优化的孔结构和大于或等于1％的灰分含量(例如，金属杂质)的碳材料。
也可通过化学活化而制备活性炭材料。例如，使用酸、碱或盐(例如，磷酸、氢氧化钾、氢氧化钠、氯化锌等)处理含碳材料，接着加热导致活性炭材料。然而，这类化学活化导致具有相对高水平的非所需的非-碳元素(甚至在洗涤工序之后)，这反过来会损害电学装置的碳性能。
用于产生高表面积活性炭材料的另一种方法是由含碳有机构造嵌段(例如，聚合物凝胶)制备合成聚合物。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活性炭材料。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，在实验室规模上，用于由合成聚合物生产活性炭的方法，例如生产碳的气凝胶，干凝胶，和冻凝胶是本领域已知的。
尽管这类方法可在实验室或小规模装置中采用，但在大的规模上，借助合成聚合物制备大量的碳材料可能受到限制。聚合物凝胶的块体性质使得生产并转化成成品，即气凝胶，干凝胶或冻凝胶困难且昂贵。由于块体的大尺寸和低导热率导致要求显著大量的能量，时间和专门的设备，以便聚合单体组分，所述单体组分将构成块体结构。另外，由于块体聚合物凝胶的加热不均匀，因为热量从外部转移到其内部，因此，在块体聚合物内形成不均匀的物理差别，这可负面影响由其生产的碳材料的性能。这种不均匀的加热结合聚合的放热性质导致难以控制聚合程度，其结果是精细微调凝胶孔结构(和由其生产的碳材料的预结构)的能力下降。此外，大的块体聚合物凝胶难以操作(例如，从一个容器转移到另一个容器)，和为了有助于加工成碳，要求聚合后的粒度降低(例如，粉碎，研磨等)，这会导致增加的劳力，资金和生产成本以及处理步骤和时间。
因此，需要制造凝胶形式的聚合物颗粒的改进方法，以便进一步有助于制备高纯纯度和高性能碳材料的成本有效且可微调的方法以供在电能储存装置中使用。本发明满足了这些需求并提供进一步的相关的优点，其中包括在双层超级电容器体系中实现空前地高水平的电容。
发明内容
提供借助乳液和/或悬浮法制备凝胶形式的聚合物颗粒的方法。在至少一个具体的实施方案中，借助乳液或悬浮法制备凝胶形式的聚合物颗粒的方法可包括制备反应物混合物，所述反应混合物包括含一种或更多种酚类化合物，和任选地一种或更多种交联化合物的单体组分，和载体流体。该载体流体可含有小于50wt％环己烷，基于载体流体的总重量。该单体组分可以聚合，形成凝胶形式的聚合物颗粒。凝胶形式的聚合物颗粒的体均粒度(Dv,50)可以大于或等于1mm。
在至少一个具体的实施方案中，借助乳液或悬浮法制备凝胶形式的聚合物颗粒的方法可包括制备反应物混合物，所述反应物混合物包括含一种或更多种酚类化合物，和任选地一种或更多种交联化合物的单体组分，和载体流体。该单体组分可以聚合，形成凝胶形式的聚合物颗粒。该载体流体可以不含表面活性剂或者含有浓度小于临界胶束浓度的表面活性剂。凝胶形式的聚合物颗粒的体均粒度(Dv,50)可以大于或等于1mm。
在至少一个具体的实施方案中，借助乳液或悬浮法制备凝胶形式的聚合物颗粒的方法可包括制备反应物混合物，所述反应物混合物包括含一种或更多种酚类化合物，和任选地一种或更多种交联化合物的单体组分，和载体流体。该单体组分可以聚合，形成凝胶形式的聚合物颗粒。该载体流体可含有小于50wt％环己烷，基于载体流体的总重量。该载体流体可以不含表面活性剂或者含有浓度小于临界胶束浓度的表面活性剂。该聚合物颗粒的体均粒度(Dv,50)可以小于或等于1mm。
在至少一个具体的实施方案中，聚合物凝胶的粒度分布可为使得体均粒度(Dv，50)大于约1mm和(体均粒度(Dv,90)–体均粒度(Dv,10))/(体均粒度(Dv,50))小于3，其中体均粒度(Dv,10)，体均粒度(Dv,50)，和体均粒度(Dv,90)是以体积计，分别在10％，50％和90％的粒度分布处的粒度。
在至少一个具体的实施方案中，碳材料的最大理论电容可以大于26F/cm3，这在0.5Amp/g的电流密度下，使用含四乙基铵-四氟硼酸盐在乙腈内的电解质来测量。该碳材料可具有小于200ppm分子量为11至92的所有原子，这通过质子诱导的x-射线发射来测量。
在一个或更多个实施方案中，该方法通常包括制备单体组分或聚合物前体的混合物(即，聚合物相)和连续相，并允许单体组分或聚合物前体(例如，间苯二酚和甲醛)聚合。该混合物可以是乳液和/或悬浮液。所得聚合物然后可通过许多加工后工序的任何一种，其中包括热解和/或活化，任选地转化成碳材料。有利地，发明人已发现，目前公开的方法便于在商业相关的规模上制备聚合物凝胶(例如，缩聚物凝胶)和碳材料，并可借助工艺参数(例如，连续相的选择等)来控制凝胶和碳材料的物理性能，例如孔结构和粒度。
因此，在一个实施方案中，本发明的公开内容提供借助乳液或悬浮法，制备缩聚物凝胶的方法，该方法包括：
a)制备含连续相和聚合物相的混合物，其中聚合物相包括一种或更多种聚合物前体和任选的溶剂和任选的催化剂；和
b)在足以使一种或更多种聚合物前体彼此反应并形成缩聚物凝胶的温度和时间下老化该混合物。
在另一实施方案中，本发明的公开内容涉及制备干燥缩聚物凝胶的方法，该方法包括干燥缩聚物凝胶，其中通过乳液或悬浮法，制备缩聚物凝胶，该方法包括：
a)制备含连续相和聚合物相的混合物，其中聚合物相包括一种或更多种聚合物前体和任选的溶剂；和
b)在足以使一种或更多种聚合物前体彼此反应并形成缩聚物凝胶的温度和时间下老化该混合物。
在又一其他实施方案中，本发明的公开内容提供制备热解碳材料的方法，该方法包括：热解缩聚物凝胶颗粒，获得热解的碳材料，其中通过包括下述步骤的方法制备缩聚物凝胶颗粒：
a)制备含连续相和聚合物相的混合物，其中聚合物相包括一种或更多种聚合物前体和任选的溶剂；和
b)在足以使一种或更多种聚合物前体彼此反应并形成缩聚物凝胶的温度和时间下老化该混合物。
在又一其他实施方案中，本发明的公开内容提供制备热解碳材料的方法，该方法包括热解干燥的缩聚物凝胶颗粒，获得热解的碳材料，其中通过包括下述步骤的方法制备缩聚物凝胶颗粒：
a)制备含连续相和聚合物相的混合物，其中聚合物相包括一种或更多种聚合物前体和任选的溶剂；和
b)在足以使一种或更多种聚合物前体彼此反应并形成缩聚物凝胶的温度和时间下老化该混合物。
在又一其他实施方案中，本发明的公开内容提供制备活性炭材料的方法，该方法包括活化由干燥或非-干燥的聚合物凝胶颗粒制备的热解碳，获得活性炭材料，其中通过包括下述步骤的方法制备缩聚物凝胶颗粒：
a)制备含连续相和聚合物相的混合物，其中聚合物相包括一种或更多种聚合物前体和任选的溶剂；和
b)在足以使一种或更多种聚合物前体彼此反应并形成缩聚物凝胶的温度和时间下老化该混合物。
还描述了具有窄粒度分布的凝胶颗粒的物质组合物。控制粒度分布可控制聚合物凝胶的性能和/或由其生产的碳材料的性能。跨度(span)(用((Dv,90)-(Dv,10))/(Dv,50)表达)可以小于或等于3和平均粒度可以大于或等于1mm。
本文中还描述了具有空前地高水平的最大理论电容的活性炭的物质组合物，这在双电层超级电容器中，使用含四乙基铵四氟硼烷在乙腈内的电解质测量。
此外，本文中描述了诸如电极，超级电容器，电池和其他能量储存装置之类的装置，它们包括根据本发明的方法生产的碳材料和/或显示出本文中描述的新性能。
参考下述详细说明，本发明的这些和其他方面将变得显而易见。为此，本文列出了各种参考文献，这些参考文献更加详细地描述了一些背景信息，工序，化合物和/或组合物，且每一篇在此通过参考全文引入。
附图说明
在图中，相同的序号确定相似的元件。在图中元件的尺寸和相对位置不必按比例绘制，并且这些元件中的一些被任意放大并放置以改善图的可读性。此外，绘制的元件的特定形状并非旨在表达任何与特定元件真实形状有关的信息，并且仅仅被选择以易于在图中识别。
图1示出了冷冻干燥凝胶的N2吸附等温线。
图2列出了活性炭样品的N2吸附等温线。
图3是显示冷冻干燥凝胶的N2吸附等温线图。
图4示出了干燥凝胶的孔度分布。
图5是显示活化时重量损失的柱状图。
图6示出了活性炭样品的N2吸附等温线。
图7阐明了活性炭的孔度分布DFT。
图8是冷冻干燥凝胶的孔体积分布图。
图9列出了活性炭样品的N2吸附等温线。
图10示出了活性炭的孔度分布。
图11列出了冷冻干燥凝胶的孔体积分布。
图12是活性炭孔度分布图。
图13示出了活性炭样品的氮气吸附等温线。
图14是活性炭样品的孔度数据。
图15列出了活性炭样品的氮气吸附等温线。
图16是冷冻干燥凝胶的孔度分布图。
图17示出了活性炭样品的氮气吸附等温线。
图18列出了活性炭的孔度分布。
图19阐明了脲-甲醛乳液的TGA数据。
图20示出了脲-甲醛基碳材料的电化学性能。
图21描绘了硅-碳复合材料的电化学性能。
图22示出了凝胶和碳材料的粒度分布。
图23A和23B分别是显示球形凝胶颗粒和球形碳材料颗粒的照片。
图24示出了通过连续相粘度控制粒度。
图25描述了干燥凝胶的孔度分布。
图26描绘了活性炭的孔度分布。
图27A和B分别是有和无表面活性剂制造的颗粒的照片。
图28描述了活性炭的孔度分布。
图29是根据所述的一个或更多个实施方案制造的凝胶形式的聚合物颗粒的照片。
图30是根据所述的一个或更多个实施方案制造的凝胶形式的聚合物颗粒的照片。
图31是根据所述的一个或更多个实施方案制造的凝胶形式的聚合物颗粒的照片。
图32是根据所述的一个或更多个实施方案制造的凝胶形式的聚合物颗粒的照片。
图33是根据所述的一个或更多个实施方案制造的凝胶形式的聚合物颗粒的照片。
图34是根据所述的一个或更多个实施方案制造的凝胶形式的聚合物颗粒的照片。
图35是根据所述的一个或更多个实施方案制造的凝胶形式的聚合物颗粒的照片。
图36是根据所述的一个或更多个实施方案制造的凝胶形式的聚合物颗粒的照片。
图37示出了一个活性炭的孔度分布范围。
图38是根据所述的一个或更多个实施方案制造的凝胶形式的聚合物颗粒的照片。
图39是根据所述的一个或更多个实施方案制造的凝胶形式的聚合物颗粒的另一照片。
图40是根据所述的一个或更多个实施方案制造的凝胶形式的聚合物颗粒的另一照片。
图41是根据所述的一个或更多个实施方案制造的凝胶形式的聚合物颗粒的又一照片。
图42是根据所述的一个或更多个实施方案制造的凝胶形式的聚合物颗粒的再一照片。
具体实施方式
在下述描述中，列出了某些具体细节以提供多种实施方案的深入理解。然而，本领域技术人员应理解本发明可以在没有这些细节的情况下实施。在其它实例中，未将公知结构示出或详细描述以避免不必要地使实施方案描述变得模糊。除非上下文另有需要，整个说明书和权利要求书遵循下述要求，措辞“包含”及其变体，例如“包含(comprises)”和“包含(comprising)”应被解释为开放式、包含的含义，即，解释为“包括，但不限于”。此外，本文提供的标题仅为了便利，并不说明所要求保护的发明的范围或内涵。
在整个说明书中，提到“一个实施方案”或“实施方案”是指与该实施方案结合描述的特定特征、结构或特性包括在至少一个实施方案中。因此，在整个说明书的多处中均出现的措辞“在一个实施方案中”或“在实施方案中”不必全部是指相同的实施方案。此外，在一个或更多个实施方案中，特定特征、结构或特性可以以任何合适的方式组合。如在本说明书和所附的权利要求书中所使用的，单数形式“一个(a)”、“一个(an)”和“该(the)”也包括复数个指示物，除非该内容明显另有所指。还应注意，术语“或”通常在包含“和/或”的含义的意义上而使用，除非内容明显另有所指。
定义
如本文所用，并且除非上下文另有所指，以下术语具有下述所指的含义。
“碳材料”是指基本上(例如，大于90％，大于95％，大于99％或大于99.9％碳，以重量为基础)由碳组成的材料或物质。碳材料包括超纯以及无定形碳材料和结晶碳材料。一些碳材料可包括电化学改性剂(例如，Si或N)，以改性(例如，提高)以下更加详细地描述的装置性能。碳材料的实例可包括，但不限于，活性炭、热解的干燥聚合物凝胶、热解的聚合物冻凝胶、热解的聚合物干凝胶、热解的聚合物气凝胶、活化的干燥聚合物凝胶、活化的聚合物冻凝胶、活化的聚合物干凝胶、活化的聚合物气凝胶等。
"电化学改性剂"是指改性(例如，提高或降低)碳材料的电化学性能的任何化学元素，含化学元素的化合物或者不同化学元素和化合物的任何组合。电化学改性剂可改变(增加或降低)碳材料的电阻，电容，功率性能，稳定性和其他性能。电化学改性剂通常赋予所需的电化学效果。相反，碳材料中的杂质通常是非所需的且倾向于劣化，而不是提高碳材料的电化学性能。在本发明公开内容的上下文中电化学改性剂的实例可包括，但不限于，元素周期表中第12-15族的元素和含该元素的化合物或氧化物，其他元素，例如硫，钨和银及其组合或混合物。例如，电化学改性剂可包括，但不限于，铅，锡，锑，铋，砷，钨，银，锌，镉，铟，硅，及其组合或其混合物，以及它们的氧化物和包含它们的化合物。
“第12族”元素包括锌(Zn)、镉(Cd)、汞(Hg)和(Cn)。
“第13族”元素包括硼(B)、铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)和铊(Tl)。
“第14族”元素包括碳(C)、硅(Si)、锗(Ge)、锡(Sn)和铅(Pb)。
“第15族”元素包括氮(N)、磷(P)、砷(As)、锑(Sb)和铋(Bi)。
“无定形”是指诸如无定形碳材料之类的材料，其组成原子、分子或离子无规排列，且没有规则的重复型式。无定形材料可具有一些局部结晶性(即，规则性)，但缺少长程有序的原子位置。热解和/或活化的碳材料通常为无定形的。
“结晶”是指材料的组成原子、分子或离子以有序重复型式排列。结晶碳材料的实例包括但不限于金刚石和石墨烯。
“合成”是指通过化学方法而非从天然来源制备的物质。例如，合成的碳材料为从前体材料合成而不从天然来源分离的碳材料。
“杂质”或“杂质元素”是指在基材内的外来物质(即，化学元素)，其不同于基材的化学组成，其中没有故意添加外来物质。例如，碳材料中的杂质是指碳材料中存在的除碳之外的任何元素或元素的组合。杂质水平通常以每百万份中的份数(ppm)的形式表达。
“PIXE杂质”或“PIXE元素”是碳原子数范围为11至92的任何杂质元素(即从钠到铀)。措词“总PIXE杂质含量”和“总PIXE杂质水平”二者是指在样品，例如聚合物凝胶或碳材料中存在的所有PIXE杂质的总和。PIXE杂质浓度和同一性可由质子诱导的X射线发射(PIXE)而测定。
“超纯”是指总PIXE杂质含量小于0.050％的物质。例如，“超纯碳材料”为总PIXE杂质含量小于0.050％(即，500ppm)的碳材料。
“灰分含量”是指在物质经过分解温度之后残留的非挥发性无机物。对此，从通过质子诱导的X射线发射测量的总PIXE杂质含量计算碳材料的灰分含量，假设通过PIXE检测的任何元素完全转化为期望的燃烧产物(即，氧化物)。
“聚合物”是指由一种或更多种结构重复单元组成的大分子。
“合成聚合物前体材料”或“聚合物前体”是指在制备合成聚合物中使用的化合物。聚合物前体通常是可与其他化合物组合(即，反应)，形成聚合物，例如缩聚物的化合物。聚合物前体包括单体，以及部分聚合的单体(即，二聚体，低聚物等)。一般地，聚合物前体选自芳族或脂族醇类或胺类和含羰基的化合物(例如，羧酸，酮类，醛类，异氰酸酯类，脲类，酰胺类，酰卤类，酯类，活化的含羰基的化合物和类似物)。能在本文公开的某些制备实施方案中使用的聚合物前体的实例可包括，但不限于醛类(即，HC(＝O)R，其中R为有机基团)，例如甲醛(methanal)(甲醛(formaldehyde))、乙醛(ethanal)(乙醛(acetaldehyde))、丙醛(propanal)(丙醛(propionaldehyde))、丁醛(butanal)(丁醛(butyraldehyde))、糠醛(furfural)(糠醛(furfuraldehyde))、葡萄糖、苯甲醛和肉桂醛。其它示例性的聚合物前体包括，但不限于酚类化合物，例如苯酚，和诸如二羟基苯或三羟基苯的多羟基苯，例如间苯二酚(即，1,3-二羟基苯)、儿茶酚、氢醌和间苯三酚。也可使用胺类，例如三聚氰胺，和/或脲。两种或多种多羟基苯的混合物也包含在聚合物前体的含义内。
"缩聚物"是由一种或更多种聚合物前体反应并消除小分子(例如水)得到的聚合物。例举的缩聚物包括，但不限于，由醇或胺与含羰基的化合物反应形成的聚合物。
“块体(Monolithic)”是指本质上不呈颗粒状的一种固体、三维结构。
“溶胶”是指前体颗粒(如，聚合物前体)的胶状悬浮液，并且术语“凝胶”是指由前体颗粒的缩合或反应获得的湿润的三维多孔网。
“聚合物凝胶”是指其中网络组分为聚合物的凝胶，通常，聚合物凝胶为由从合成前体或聚合物前体形成的聚合物组成的湿润(水性或非水性基)三维结构。
“溶胶凝胶”是指聚合物凝胶的子类，其中该聚合物为通过聚合物前体反应获得的形成湿润三维多孔网的胶状悬浮液。
“聚合物水凝胶”或“水凝胶”是指聚合物凝胶或凝胶的子类，其中用于合成前体或单体的溶剂为水或水和一种或多种与水混溶的溶剂的混合物。
“RF聚合物水凝胶”是指聚合物凝胶的子类，其中在水或水和一种或多种与水混溶的溶剂的混合物中，由间苯二酚和甲醛的催化反应形成所述聚合物。
"连续相"是指其中聚合组分(即，聚合物前体，催化剂，酸等)在其内溶解，悬浮和/或乳化的液相。连续相可以是或者亲水或者疏水的且具有变化的粘度。还包括两种或更多种不同连续相的混合物。正如本文中更加详细地描述的，可在本发明的上下文中使用许多不同液体(例如，溶剂)中的任何一种。
“酸”是指能够降低溶液pH的任何物质。酸包括阿伦尼乌斯酸、布朗斯泰德酸和路易斯酸。“固体酸”是指当溶解于溶剂中时能产生酸性溶液的干燥或粒状化合物。术语“酸性”表示具有酸的性质。
“碱”是指能够升高溶液pH的任何物质。碱包括阿伦尼乌斯碱、布朗斯泰德碱和路易斯碱。“固体碱”是指当溶解于溶剂中时能产生碱性溶液的干燥或粒状化合物。术语“碱性”表示具有碱的性质。
“混合的溶剂体系”是指由两种或更多种溶剂、例如两种或更多种可溶混溶剂组成的溶剂体系。二元溶剂体系(即，包含两种溶剂的混合溶剂)的实例包括，但不限于水和乙酸；水和甲酸；水和丙酸；水和丁酸等。三元溶剂体系(即，包含三种溶剂)的实例包括，但不限于：水、乙酸和乙醇；水、乙酸和丙酮；水、乙酸和甲酸；水、乙酸和丙酸；等。本发明包含所有包含两种或更多种溶剂的混合溶剂体系。
“可溶混的”是指混合物的性质，其中所述混合物在某些温度、压力和组分范围内形成单相。
“催化剂”是改变化学反应速率的物质。催化剂以使得催化剂循环再生的循环方式参与反应。本发明的公开内容包含不含钠的催化剂。在本文所述制备聚合物凝胶(例如，超纯聚合物凝胶)中使用的催化剂可以是促进聚合物前体聚合以形成超纯聚合物凝胶的任何化合物。“挥发性催化剂”为在大气压下或低于大气压下具有蒸发趋势的催化剂。示例性的挥发性催化剂包括，但不限于铵盐，例如碳酸氢铵、碳酸铵、氢氧化铵及其组合。
“溶剂”是指溶解或悬浮反应物(例如，超纯聚合物前体)并提供在其中可发生反应的介质的物质。本文所公开的制备凝胶、超纯聚合物凝胶、超纯合成碳材料和超纯合成无定形碳材料中可用的溶剂的实例包括，但不限于水、醇及其混合物。示例性的醇包括乙醇、叔丁醇、甲醇及其混合物。这类溶剂可用于溶解合成超纯聚合物前体材料，例如溶解酚或醛化合物。此外，在一些方法中，采用这类溶剂以供在聚合物水凝胶中进行溶剂交换(在冷冻和干燥之前)，其中将来自诸如间苯二酚和甲醛的前体的聚合的溶剂交换为纯的醇。在本申请的一个实施方案中，通过不包括溶剂交换的方法制备冻凝胶。"固体％"是指加入到该体系中的聚合物形成试剂(例如，间苯二酚，苯酚，甲醛，脲，等)的总量除以单体形成试剂和液体(例如，水，醋酸，等)的总量。该计算不包括任何催化剂或者别的。
"添加的水"是指独立地加入到该体系中的水(或者以预混物或者作为主要溶液的一部分)且不包括对形成给定单体来说关键的任何水。
“干燥凝胶”或“干燥聚合物凝胶”分别是指其中例如通过本领域已知的方法，例如冷冻干燥，喷雾干燥，真空干燥，溶剂萃取等，将溶剂，通常水，或水与一种或多种水可溶混的溶剂的混合物已实质上从其中去除的凝胶或聚合物凝胶。
“热解的干燥聚合物凝胶”是指已热解但尚未活化的干燥聚合物凝胶，而“活化的干燥聚合物凝胶”是指已经活化的干燥聚合物凝胶。
“冻凝胶”是指已经通过冷冻干燥而干燥的干燥凝胶。
“RF冻凝胶”是指已通过冷冻干燥而干燥的干燥凝胶，其中所述凝胶由间苯二酚和甲醛的催化反应而形成。
“热解的冻凝胶”为已热解但尚未活化的冻凝胶。
“活化的冻凝胶”是为了获得活性炭材料而被活化的冻凝胶。
“干凝胶”是指例如在大气压下或低于大气压下，已通过空气干燥而干燥的干燥凝胶。
“热解的干凝胶”为已热解但尚未活化的干凝胶。
“活化的干凝胶”是为了获得活性炭材料而被活化的干凝胶。
“气凝胶”是指例如使用超临界二氧化碳，已通过超临界干燥而干燥的干燥凝胶。
“热解的气凝胶”为已热解但未活化的气凝胶。
“活化的气凝胶”是为了获得活性炭材料而被活化的气凝胶。
“有机萃取溶剂”是指在聚合物前体聚合开始之后，通常在聚合物水凝胶聚合完成之后，向聚合物水凝胶添加的有机溶剂。
“快速多向冷冻”是指通过从块体聚合物凝胶生成聚合物凝胶颗粒并使所述聚合物凝胶颗粒经过合适的冷介质而冷冻聚合物凝胶的方法。冷介质可以是，例如，液氮、氮气或固体二氧化碳。在快速多向冷冻期间，冰的成核作用在冰晶体生长中占优。合适的冷介质可以是，例如，具有低于约-10℃的气体、液体或固体。或者，合适的冷介质可以是具有低于约-20℃的气体、液体或固体。或者，合适的冷介质可以是具有低于约-30℃的气体、液体或固体。
“活化(Activate)”和“活化(activation)”各自是指在一种活化停留温度(activation dwell temperature)下在暴露于氧化气氛(例如二氧化碳、氧气、蒸汽或其组合)期间加热一种原料或碳化/热解物质以产生一种“活化”物质(例如活化冻凝胶或活性炭材料)的工艺。活化工艺通常使得颗粒的表面被剥掉，从而产生增加的表面积。或者，可以通过化学手段实现活化，例如通过将含碳前体材料用如酸(如磷酸)或碱(如氢氧化钾、氢氧化钠)或盐(如氯化锌)之类的化学品浸渍，随后碳化。“活化的”是指已经历活化工艺的一种材料或物质(例如一种碳材料)。
“将……碳化”、“将……热解”、“碳化”以及“热解”各自是指在一种热解停留温度下在一种惰性气氛(例如氩气、氮气或其组合)中或在真空中加热一种含碳物质以使得在工艺结束时所收集的目标材料主要是碳的工艺。“热解的”是指已经历热解工艺的一种材料或物质(例如一种碳材料)。
“停留温度”是指在一个工艺的一部分期间被保留以便维持相对恒定的温度(即，使温度既不增加也不降低)的炉温。例如，热解停留温度是指在热解期间相对恒定的炉温，而活化停留温度是指在活化期间相对恒定的炉温。
“孔”是指表面的开口或凹陷或诸如以下碳材料中的通道：例如活性炭、热解干燥聚合物凝胶、热解聚合物冻凝胶、热解聚合物干凝胶、热解聚合物气凝胶、活化的干燥聚合物凝胶、活化的聚合物冻凝胶、活化的聚合物干凝胶、和活化的聚合物气凝胶等。一个孔可以是单一通道或在整个结构中与一个连续网络中的其他通道连接。
“孔结构”是指在碳材料(如活性炭材料)内的内部孔隙表面的布局。孔结构的组成部分包括孔径、孔容、表面积、密度、孔径分布以及孔长度。活性炭材料的孔结构一般地包含微孔和中孔。例如，在某些实施方案中，微孔与中孔的比率被优化以便增强电化学性能。
“中孔”通常是指直径在从2纳米到50纳米范围内的孔，而术语“微孔”是指直径小于2纳米的孔。
“表面积”是指通过BET技术可测量的物质的总比表面积。表面积典型地以单位m2/g表示。BET(布鲁诺尔/艾米特/泰勒(Brunauer/Emmett/Teller))技术使用惰性气体(例如氮气)来测量在材料上所吸附气体的量，并且在本领域中常用于测定材料的可接近的表面积。
当在提到中孔和微孔中使用时，“连接”是指这类孔的空间取向。
“有效长度”是指孔的长度的部分，该部分具有足够的直径以使得它可供用来接受来自电解质的盐离子。
“电极”是指电经其进入或离开物体、物质或区域的导体。
“粘合剂”是指能够将独立的颗粒物质(例如，碳材料)保持在一起以使得在将一种粘合剂和颗粒混合在一起之后，所得混合物可以形成为薄片、粒料、圆盘或其他形状的一种材料。在某些实施方案中，电极可包括所公开的碳材料和粘合剂。粘合剂的非排他性实例包括氟聚合物，例如像PTFE(聚四氟乙烯，特氟隆(特氟龙))、PFA(全氟烷氧基聚合物树脂，又称为特氟隆)、FEP(氟化乙烯丙烯，又称为特氟隆)、ETFE(聚乙烯四氟乙烯，以Tefzel和Fluon形式销售)、PVF(聚氟乙烯，以Tedlar形式销售)、ECTFE(聚乙烯三氟氯乙烯，以Halar形式销售)、PVDF(聚偏二氟乙烯，以Kynar形式销售)、PCTFE(聚三氟氯乙烯，以Kel-F和CTFE形式销售)、三氟乙醇及其结合物与混合物。
“惰性的”是指材料在电能存储装置的电解质中不是活性的，即，它不吸收大量离子或发生化学变化，例如，降解。
“导电的”是指材料通过传输松散保持的价电子来传导电子的能力。
“集电器”是指电能存储和/或分布装置中提供电连接以促进电流入或流出该装置的部件。集电器经常包含金属和/或其他导电材料，并且可以用作电极的衬底以促进电流到电极中并且从电极流出。
“电解质”是指包含自由离子的物质以使得该物质导电。电解质常用于电能存储装置中。电解质的实例包括，但不限于：如碳酸丙二酯、碳酸乙二酯、碳酸丁二酯、碳酸二甲酯、碳酸甲基乙酯、碳酸二乙酯、环丁砜、甲基环丁砜、乙腈或其混合物的溶剂与如四烷基铵盐(如TEA TFB(四氟硼酸四乙基铵)、MTEATFB(四氟硼酸甲基三乙基铵)、EMITFB(四氟硼酸1-乙基-3-甲基咪唑鎓))、基于四乙基铵、三乙基铵的盐或其混合物等的溶质组合。在一些实施例中，电解质可以是基于水的酸或基于水的碱电解质，如温和的硫酸水溶液或氢氧化钾水溶液。
"胺"是含氮原子，例如–NH2的化合物。
"醇"是含–OH部分的化合物。
"羰基"是含与氧双键合的碳(C＝O)的化合物。
"苯酚"是指一个或更多个醇部分连接到其上的芳环(例如，苯)。苯酚和间苯二酚均是“酚类(phenols)”。
"多元醇"是指具有大于一个醇部分的任何化合物。
"糖"是诸如葡萄糖，果糖，乳糖和类似物之类的多元醇。
"烷基胺"是指含胺部分的烷基(即，饱和或不饱和的任选取代的烃化合物)(例如，甲胺和类似物)。
"芳胺"是指含胺基的芳族基团(即，具有共轭Π(pi)键的环状阵列(array)的环状不饱和烃，例如苯)(例如，甲苯胺和类似物)。
"醛"是含–C(＝O)H部分的化合物。
"酮"是含–C(＝O)-部分的化合物。
"羧酸"是含–C(＝O)OH部分的化合物。
"酯"是含–C(＝O)O-部分的化合物。
"酰卤"是含–C(＝O)X部分的任何化合物，其中X是氟，氯，溴，碘或砹。
"异氰酸酯"是指含有–N＝C＝O部分的化合物。
"载体流体"可以是指悬浮液流体，溶剂，稀释剂，分散流体，乳液流体，和/或悬浮液和/或乳液的连续相。在一个或更多个实施方案中，术语"连续相"具有与本文中定义的"载体流体"相同的定义。在一个或更多个实施方案中，术语载体流体具有与本文中定义的"连续相"相同的定义。在一个或更多个实施方案中，术语"载体流体"具有与本文中定义的“溶剂”相同的定义。在一个或更多个实施方案中，术语“溶剂”具有与本文中定义的"载体流体"相同的定义。
"悬浮法"，"悬浮聚合法"，"分散法"和"分散聚合法"可互换使用，且是指在载体或"连续相"流体，例如烃和/或水中混合反应混合物的非均相聚合法，其中该反应混合物相和载体或连续相流体不可混溶。在一些实施方案中，反应物混合物可作为液滴悬浮或分散在载体流体或连续相中，其中单体组分经历聚合，形成聚合物的颗粒，和/或固化，形成聚合物的固化颗粒。在一些实施方案中，可搅拌反应混合物。在一些实施方案中，没有搅拌反应混合物。
"乳液法"和"乳液聚合法"二者均是指“正常”的乳液和“反相”乳液。乳液在一个或更多个方面不同于悬浮液。一个区别是乳液通常包括使用产生或形成乳液(非常小尺寸的液滴)的表面活性剂。当载体或连续相流体是亲水流体，例如水和反应混合物相是疏水化合物时，形成正常的乳液(例如，水包油)形式，其中单体液滴在载体或连续相流体内在表面活性剂的辅助下乳化。单体在这些小尺寸的液滴内反应。这些液滴典型地尺寸小，因为该颗粒防止彼此凝结，因为每一颗粒被表面活性剂包围，且表面活性剂上的电荷静电排斥其他颗粒。然而，与采用乳液聚合制造的那些相比，悬浮聚合通常生成大得多的颗粒。当载体或连续相流体是疏水流体，例如油和反应物混合物相是亲水化合物时，形成反相乳液(例如，油包水)。
本文中所使用的术语"悬浮和/或乳液法"和"悬浮和/或乳液聚合"不限于或必然是指常规的聚合。相反，术语"悬浮和/或乳液法"和"悬浮和/或乳液聚合"可以，但不必然是指固化工艺或常规的聚合与固化工艺的组合。正如本文中讨论并描述的，在一个或更多个实施方案中，单体组分可以是或者包括预聚物和/或聚合物，除了或替代单独的单体混合物以外。固化工艺是指与单体混合物的聚合相比，进一步交联或硬化聚合物。正因为如此，若存在预聚物，则除了或替代聚合以外，悬浮/乳液工艺还可包括固化工艺。本文中所使用的术语"固化"是指借助聚合物链的交联程度的增加，增韧或硬化聚合物。交联是指在预聚物和/或聚合物内发生的结构和/或形貌变化，例如通过共价化学反应，离子相互作用或簇聚(clustering)，相转移或反转和/或氢键键合。
本文中所使用的术语"凝胶形式的聚合物的颗粒"和"凝胶形式的聚合物颗粒"可互换使用，且是指在其内具有一个或更多个孔或孔隙的聚合物链的网络，和液体至少部分占据或填充一个或更多个孔或孔隙。本文中所使用的术语"干燥的聚合物粒状物"和"干燥的聚合物颗粒"可互换使用，且是指在其内具有一个或更多个孔或孔隙的聚合物链的网络，和气体至少部分占据或填充一个或更多个孔或孔隙。若至少部分占据或填充孔隙的液体是水，则该聚合物颗粒可被称为"水凝胶聚合物颗粒"。
"单体组分"可包括，但不限于一种或更多种酚类化合物和/或一种或更多种交联化合物；和/或预聚物。若酚类化合物可聚合并与自身交联，则交联化合物的使用可以是任选的。在另一实例中，酚类化合物和所有或一部分的交联化合物可彼此聚合，形成凝胶形式的聚合物颗粒。在另一实例中，酚类化合物和交联化合物可彼此反应或交联，生产凝胶形式的聚合物颗粒。在另一实例中，酚类化合物和交联化合物可彼此聚合和/或彼此交联，生产凝胶形式的聚合物颗粒。
在一个或更多个实施方案中，术语"聚合物相"是指与本文中定义的术语"单体组分"相同的含义。在一个或更多个实施方案中，术语"聚合物前体"是指与本文中定义的术语"单体组分"相同的含义。
本文中所使用的术语"预聚物"是指一种或更多种酚类化合物和一种或更多种交联化合物的已反应的单体化合物；和/或通过聚合一种或更多种酚类化合物和/或一种或更多种交联化合物形成的聚合物，只要该聚合物保持液体形式即可。
"反应物混合物"包括根据本文中描述的方法实现聚合的组分。反应物混合物中的组分，例如单体组分，催化剂和载体流体可彼此以任何顺序或次序结合。例如，可将单体组分加入到载体流体中，可将载体流体加入到单体组分中，或者可同时彼此结合单体组分和载体流体。然后可将催化剂加入到单体组分和载体流体的混合物中。
本文中所使用的"粒度"是指通过视觉计算和测量单独的颗粒或者通过激光散射悬浮流体内的颗粒测量的体均粒度(Dv,50)。对于直径高于0.1mm的颗粒来说，使用数码照相机和ImageJ免费软件，通过图像捕获测定体均粒度。通过激光散射，使用Malvern通过在水中稀释的分散液测定低于0.1mm的粒度。将低于0.1mm的样品加入到Malvern分析仪中，直到获得推荐的朦胧(obscuration)水平。
本文中所使用的"跨度"定义为((Dv,90)-(Dv,10))/(Dv,50)，其中Dv,10和Dv,50和Dv,90分别是在10％，50％和90％的粒度分布处测量的体均粒度，其中通过或者视觉计算和测量单独的颗粒或者通过激光散射在悬浮流体内的颗粒，测量粒度分布。
本文中所使用的"归一化的F/cc"或"最大理论F/cc"定义为每外壳体积(envelopevolume)的碳颗粒(碳骨架的体积和碳孔容之和)表达的容量；注意这一外壳体积不包括任何颗粒间的体积。
本文中所使用的"CMC"是临界胶束浓度且定义为超过表面活性剂形成胶束时的浓度，且加入到体系中的所有额外的表面活性剂进入胶束中。
本文中所使用的"半金属离子"定义为由在导带底部和价带顶部之间具有非常小的重叠的元素组成的任何离子。示意性的半金属离子包括，但不限于砷，锑，铋，钼和铀。
本文中所使用的术语"gerameter"或"GM"是碳样品中的相对微孔-、中孔-和大孔-孔隙率的量度。根据下述方程式：GM＝[BET比表面积(m2/g)]/[100*孔容(cc/g)]计算gerameter或GM，其中PV是在P/Po＝0.96处，直径小于的孔的单点解吸总孔容，BET如上所定义，P是压力，和Po是饱和压力。一般地，没有报道GM的单位。
A.制备聚合物凝胶和碳材料
常规地通过混合聚合物前体并允许它们聚合成聚合物块体，从而制造碳材料。然后必须分离该块体并粉碎或研磨成小颗粒，之后可热解和/或活化成碳材料。这一工序具有许多缺点。例如，在大规模中，在先描述的块体的制备具有显著的材料处理问题和非均相聚合和/或不受控的放热反应的可能性。此外，其他考虑因素，例如典型的生产设备(例如，烘箱等)与已知的块体工序不兼容，使得按比例放大这些工序存在挑战且经济上困难。
本发明的方法克服了这些局限性且提出了许多其他的改进。例如，所述的聚合提供通过过滤或者通过滗析掉过量溶剂来分离凝胶产品的可能性，从而使得对于大规模生产来说，该方法可修正。此外，与块体工序相比，在本发明的方法中，传热更加有效，从而预期该产品更加均匀且不受控的放热的可能显著减少。此外，通过改变凝胶配方和/或处理参数，在没有额外的处理步骤(例如，研磨等)的情况下，可获得具有某些所需特征的碳材料(例如，微孔率，中孔率，高密度，低密度，特定粒度，近单分散粒度分布，等)。在下述部分中更加详细地描述了所公开的方法的一些方面。
在下述部分中描述了和在共同待审的美国申请Nos.12/748,219；12/897,969；12/829,282；13/046,572；12/965,709；13/336,975；和61/585,611中公开了碳材料和聚合物凝胶的各种物理和化学性能，其中为了所有目的，每一篇在此通过参考全文引入。
1.制备聚合物凝胶
如上所述，本发明的公开内容的一个实施方案提供制备聚合物凝胶和碳材料的方法。例如,在一个实施方案中，本申请提供借助乳液或悬浮法，制备缩聚物凝胶的方法，该方法包括：
a)制备含连续相和聚合物相的混合物，其中聚合物相包括一种或更多种聚合物前体和任选的溶剂；和
b)在足以使一种或更多种聚合物前体彼此反应并形成缩聚物凝胶的温度和时间下老化该混合物。
在另一实施方案中，所公开的方法包括制备干燥缩聚物凝胶，该方法包括干燥缩聚物凝胶，其中通过包括下述步骤的乳液或悬浮法制备缩聚物凝胶：
a)制备含连续相和聚合物相的混合物，其中聚合物相包括一种或更多种聚合物前体和任选的溶剂；和
b)在足以使一种或更多种聚合物前体彼此反应并形成缩聚物凝胶的温度和时间下老化该混合物。
在又一其他实施方案中，本发明提供制备热解的碳材料的方法，该方法包括热解缩聚物凝胶颗粒，获得热解的碳材料，其中通过包括下述步骤的方法制备缩聚物凝胶颗粒：
a)制备含连续相和聚合物相的混合物，其中聚合物相包括一种或更多种聚合物前体和任选的溶剂；和
b)在足以使一种或更多种聚合物前体彼此反应并形成缩聚物凝胶的温度和时间下老化该混合物。
在又一其他实施方案中，本发明提供制备活性炭材料的方法，该方法包括活化由缩聚物凝胶颗粒衍生的热解碳，其中通过包括下述步骤的方法制备缩聚物凝胶颗粒：
a)制备含连续相和聚合物相的混合物，其中聚合物相包括一种或更多种聚合物前体和任选的溶剂；和
b)在足以使一种或更多种聚合物前体彼此反应并形成缩聚物凝胶的温度和时间下老化该混合物。
可在没有干燥的情况下使用缩聚物凝胶，或者该方法可进一步包括干燥缩聚物凝胶。在前述方法的某些实施方案中，通过冷冻干燥，干燥聚合物凝胶，生成冻凝胶。
本文中公开的方法可用于制备具有许多各种孔结构中任何一种的缩聚物凝胶和/或碳材料。关于这一点，本申请人已发现，可通过许多工艺参数中的任何一种的变化，例如连续相的类型，搅拌速度，温度，老化时间等来控制孔结构。在一些实施方案中，缩聚物凝胶可以是微孔的，在其他实施方案中，缩聚物凝胶可以是中孔的。在一些其他实施方案中，缩聚物凝胶包括具有微孔和中孔孔隙的混合物的孔结构。
在相关的实施方案中，碳材料可以是微孔的或者碳材料可以是中孔的。在其他实施方案中，碳材料包括具有微孔(例如，直径小于约2nm的孔隙)和中孔孔隙(例如，直径为约2nm至50nm的孔隙)的混合物的孔结构。
在又一实施方案中，碳材料可以是大孔的。在其他实施方案中，碳材料包括具有微孔(例如，直径小于约2nm的孔)和大孔孔隙(例如，直径大于约50nm的孔)的混合物的孔结构。在其他实施方案中，碳材料包括具有中孔(例如，直径约2nm至50nm的孔)和大孔孔隙(例如，直径大于约50nm的孔)的混合物的孔结构。在其他实施方案中，碳材料包括具有微孔(例如，直径小于约2nm的孔)和中孔(例如，直径约2nm至50nm的孔)和大孔孔隙(例如，直径大于约50nm的孔)的混合物的孔结构。
微孔碳的gerameter或GM可以大于21。在某些实施方案中，微孔碳的GM可以是大于22，大于23，或大于24。在至少一个实施方案中，微孔碳的GM可以是大于21，大于22，大于23，或大于24到约27，约29，约30，或约35。具有微孔和中孔孔结构二者的碳的gerameter或GM可以是9-21。例如，具有微孔和中孔孔结构二者的碳的GM可以是从低至约9，约10，约11，约12，约13，或约14到高至约15，约16，约17，约18，约19，约20，或约21。在某些实施方案中，具有微孔和中孔孔结构二者的碳的GM可以是9-13，9-15，9-17，12-15，11-15，12-17，或10-16。具有微孔-，中孔-，和大孔结构的碳的gerameter或GM可为5-9。例如，具有微孔-，中孔-，和大孔结构的碳的GM可以是从低至约5，约6，或约7到高至约8，或约9。在某些实施方案中，具有微孔-，中孔-，和大孔结构的碳的gerameter或GM可以是7-9或5-7或6-8。
可通过混合一种或更多种聚合物前体和任选的溶剂，制备聚合物相，和在一些实例中，可通过混合连续相和聚合物相，制备反应物混合物。该方法可包括其中混合物是乳液的实施方案，而在其他实施方案中，该混合物是悬浮液。
例如，在一些实施方案中，连续相和聚合物相彼此不可混溶，和该混合物是乳液。而在其他例举的方法中，连续相和聚合物相彼此不可溶，和该混合物是悬浮液。在其他实例中，在制备该混合物之前，老化聚合物相，和当组合连续相与聚合物相时，该混合物是乳液和/或悬浮液。
在其他不同的方面中，连续相和聚合物相二者彼此可溶(即，可混溶)。在这一实施方案的一些变体中，连续相和聚合物相最初可混溶，但老化聚合物相，使得它与连续相不可混溶，和该混合物在老化时变为悬浮液。
可通过混合一种或更多种聚合物前体和任选的溶剂和/或任选的催化剂，制备聚合物相，形成预聚物组合物。在一些实施方案中，在与连续相混合之前，使聚合物相“预反应”，使得聚合物前体至少部分聚合。在其他实施方案中，聚合物前体没有预反应。在一些其他实施方案中，该方法是连续法。例如，可连续混合聚合物前体与连续相，和将最终的缩聚物凝胶从该混合物中连续地分离。
在一些实施方案中，使聚合物相在其下预反应的条件可有助于最终凝胶和/或碳材料的性能。例如，可通过改变一些预反应条件来改变所得凝胶和/或碳材料的粒度。例如，预反应温度，预反应时间和/或预聚物组合物的组成。预料不到的是，在某些实施方案中，粒度的改变没有导致凝胶和/或碳材料孔结构的同时变化。因此，这些参数的变化提供实现最佳处理条件的灵活性，同时维持最终产品(例如，凝胶和/或碳材料)所需的孔结构。
可按照任何顺序或次序，彼此结合反应物混合物中的各组分，例如，单体组分，催化剂，和载体流体。例如，可将单体组分加入到载体流体中，可将载体流体加入到单体组分中，或者可同时彼此结合单体组分和载体流体。然后可将催化剂加入到单体组分和载体流体的混合物中。在另一实例中，可将催化剂加入到单体组分中，或者相反，形成单体组分和催化剂的混合物，可结合单体组分和催化剂的混合物与载体流体，例如将其加入到载体流体中。在另一实例中，可将催化剂加入到载体流体中，或者相反，形成载体流体和催化剂的混合物，和可结合载体流体和催化剂的混合物与单体组分，例如将其加入到单体组分中。
反应物混合物中的单独组分，例如，酚类化合物，交联化合物和催化剂可按照任何顺序或次序各自独立地与载体流体混合，共混，接触，定位，放置，导引(direct)，添加，布置或在其他情况下结合，产生悬浮液和/或乳液。换句话说，构成单体组分的一种或小于全部的组分可与载体流体结合，形成或产生中间体悬浮液和/或乳液。例如，可结合酚类化合物和催化剂与载体流体，形成或产生中间体悬浮液和/或乳液，且交联化合物可与该中间体悬浮液和/或乳液结合，形成或产生反应物混合物和载体流体的悬浮液和/或乳液。在另一实例中，可结合载体流体与单体组分中的一种或更多种组分，例如酚类化合物，以生产中间体悬浮液和/或乳液，和可将一种或更多种其他组分，例如交联化合物加入到该中间体悬浮液和/或乳液中，产生第二中间体悬浮液和/或乳液。可向第二中间体悬浮液和/或乳液中添加催化剂，产生最终的悬浮液和/或乳液。换句话说，可按照任何顺序或次序彼此结合酚类化合物，交联化合物，催化剂，和/或载体流体，和/或可同时彼此结合任何两种或更多种组分，产生悬浮液和/或乳液。
该悬浮液和/或乳液中单体组分的浓度范围可以是从低至约1wt％到约90wt％，基于单体组分和载体流体的组合重量。例如，该悬浮液和/或乳液中单体组分的浓度范围可以是从低至约1wt％，约3wt％，约5wt％，约10wt％，约15wt％，约20wt％，或约25wt％到高至约40wt％，约45wt％，约50wt％，约55wt％，约60wt％，约65wt％，约70wt％，约75wt％，约80wt％，或约85wt％，基于单体组分和载体流体的组合重量。在另一实例中，在该悬浮液和/或乳液中的单体组分范围可以是约25wt％-约35wt％，约20wt％-约45wt％，约30wt％-约50wt％，约10wt％-约25wt％，或约15wt％-约50wt％，基于单体组分和载体流体的组合重量。
聚合物相的pH可以变化。例如，聚合物相的pH可以是酸性。例如显示出pH低于7，低于6，低于5，低于4，低于4，低于3，或低于2。在某些实施方案中，聚合物相的pH可以是pH 2至pH6，例如pH 3至pH 5，例如，pH 3至pH 4。在其他实施方案中，聚合物相的pH可以是碱性，例如显示出pH高于7，例如高于8,高于9,高于10。在某些实施方案中，聚合物相的pH可以是pH7至pH10，例如pH 8至pH 10，pH 8至pH 9。在一个或更多个实施方案中，聚合物相的pH可以是从低至约2.5，约3.5，约4.5，约5.5，或约6.5到高至约7.5，约8.5，约9.5，约10.5，或约11.5。
预聚物的pH可以变化。例如，预聚物的pH可以是酸性。例如显示出pH低于7，低于6，低于5，低于4，低于3，或低于2。在某些实施方案中，预聚物的pH可以是pH 2至pH 6，例如pH3至pH 5，例如，pH 3至pH 4。在其他实施方案中，预聚物的pH可以是碱性，例如显示出pH高于7，例如高于8,高于9,高于10。在某些实施方案中，预聚物的pH可以是pH 7至pH 10，例如pH 8至pH10，pH 8至pH 9。在一个或更多个实施方案中，预聚物的pH可以是从低至约2.5，约3.5，约4.5，约5.5，或约6.5到高至约7.5，约8.5，约9.5，约10.5，或约11.5。
在某些实施方案中，预聚物和聚合物相的pH可以不同。在某些实施方案中，预聚物的pH可以是碱性(高于pH 7)，和聚合物相的pH可以是酸性(低于pH 7)。在一些其他实施方案中，预聚物的pH可以低于7，和聚合物相的pH可以高于7。在某些实施方案中，预聚物的pH和聚合物相的pH范围可以不同且通过前面两个段落中说明的约束条件描述。
单体组分的pH可以变化。例如，单体组分的pH可以是酸性。例如显示出pH低于7，低于6，低于5，低于4，低于4，低于3，或低于2。在某些实施方案中，单体组分的pH可以是pH 2至pH6，例如pH 3至pH 5，例如，pH 3至pH 4。在其他实施方案中，单体组分的pH可以是碱性，例如显示出pH高于7，例如高于8,高于9,高于10。在某些实施方案中，单体组分的pH可以是pH7至pH10，例如pH 8至pH 10，pH 8至pH 9。在一个或更多个实施方案中，单体组分的pH可以是从低至约2.5，约3.5，约4.5，约5.5，或约6.5到高至约7.5，约8.5，约9.5，约10.5，或约11.5。
可在宽的pH值范围内进行悬浮/乳液工艺。例如，可在范围为从低至约1，约2，或约3到高至约7，约8，约9，约10，约11，或约12的pH下，进行悬浮/乳液工艺。在一个或更多个实施方案中，可在酸性条件下进行悬浮/乳液工艺。例如反应物混合物或至少单体组分的pH可以是小于7，小于6.5，小于6，小于5.5，小于5，小于4.5，或小于4。在另一实例中，反应物混合物或至少单体组分的pH范围可以是约1-约6.5，约1.5-约5.5，约2-约5，约1.5-约4.5，约1-约4，约2-约4，约1-约3.5，或约2-约4.5。
可以改变预聚物可在其下老化时的温度，且仍然保留在本发明方法的范围内。该方法的一些特定的实施方案提供预聚物组合物的制备，并允许该预聚物组合物在从低至约20℃，约25℃，约30℃，约35℃，约40℃，约50℃，或约60℃到高至约100℃，约110℃，约125℃，约135℃，约150℃，约175℃，约200℃，约225℃，或约250℃的温度下反应。在至少一个具体的实施方案中，在将预聚物组合物结合到连续相中之前，预聚物组合物可在从低至约20℃，约25℃，约30℃，约35℃，约40℃，约50℃，或约60℃到比该预聚物组合物的沸点低的温度和/或比预聚物组合物中的最低沸点组分的沸点低的温度之间的温度下反应。可或者使用较高沸点的化学品或者在升高的压力下制备预聚物，来实现较高的反应温度。更具体的实施方案包括在与连续相结合之前，在范围为约50℃-约90℃，或约60℃-约85℃，或约65℃或约80℃的温度下，老化该预聚物组合物。在另一实施方案中，可在至少20℃，至少25℃，至少30℃，至少35℃，至少40℃，至少45℃，至少60℃，至少65℃，至少70℃，至少75℃，至少80℃，或至少85℃的温度下老化该预聚物组合物。在一些情况下，可增加容器的压力和/或可使用较高沸点的溶剂，使得能在较高温度下反应且在反应物内没有诱导相变。在其他情况下，可使用外部冷凝器，使得能在较高温度下反应。
在与连续相混合之前，允许预聚物相反应的时间也在该方法的不同实施方案中发生变化，和不同的温度可导致所得凝胶和/或碳材料不同的粒度。关于这一点，例举的反应时间包括从低至约5分钟，约30分钟，约1小时，约2小时，约4小时，约8小时，约16小时，约24小时，或约30小时到高至约40小时，约44小时，约48小时，约56小时，约60小时，约66小时，或约72小时的时间段。
若形成预聚物，则可基于液体预聚物的折射指数，进行预聚物的聚合直到终点。例如，可聚合预聚物，直到预聚物的折射指数范围为从低至约1.1000，约1.2000，约1.3000，或约1.3200到高至约1.4500，约1.4800，约1.5000，约1.5500，约1.6000，约1.6500，约1.7000，约1.7500，或约1.8000。在另一实例中，可进行单体混合物的聚合，生产预聚物到折射指数为约1.3500-约1.4500，约1.3800-约1.4400，约1.3900-约1.4350，约1.3900-约1.45000，约1.1000-约1.7000，约1.3000-约1.6000，约1.4200-约1.5500，约1.4800-约1.6400，或约1.3700-约1.4300。
可老化该悬浮液和/或乳液，改进和/或维持在载体流体(悬浮液和反相乳液)内部或其内反应混合物的均匀或基本上均匀分布或者在反应物混合物(悬浮液和正常乳液)内部或其内载体流体的均匀或基本上均匀分布。可在一个或更多个混合器内，结合悬浮液和/或乳液中的组分。该混合器可以是或者包括能分批，间歇，和/或连续混合，共混，接触或在其他情况下结合两种或更多种组分，例如，酚类化合物和交联化合物，或者包含单体组分和载体流体的悬浮液和/或乳液的任何装置，系统或装置和/或系统的组合。示意性的混合器可包括，但不限于，机械混合器搅拌，喷射器，静态混合器，机械/电力混合器，剪切混合器，超声混合器，振动混合，例如混合器本身的移动，或其任何组合。混合器可包括一个或更多个加热夹套，加热线圈，内部加热元件，冷却夹套，冷却线圈，内部冷却元件或类似物，以调节在其内的温度。该混合器可以是敞开的容器或者密闭的容器。可以在混合器内，在真空下，在大气压下，或大于大气压的压力下，结合悬浮液和/或乳液中的组分。在一个或更多个实施方案中，可在混合器内，在从低至约0℃，约10℃，约20℃，约30℃，约40℃，约50℃，约60℃，或约70℃到高至约90℃，约100℃，约110℃，约130℃，约150℃，约175℃，约200℃，约225℃，或约250℃的温度下，结合悬浮液和/或乳液中的组分。该混合器可以能产生均匀的悬浮液和/或乳液。换句话说，该混合器可产生其中单体组分的分布在载体流体当中基本上相同的悬浮液和/或乳液。应当注意，乳液不必然要求任何搅拌，以便形成和/或维持该乳液，但可使用这种搅拌，以加速和/或改进在乳液内部各组分的均匀分布。正因为如此，若单独形成乳液，则该乳液不必然要求外部能量，例如机械和/或超声能量，以便形成和/或维持乳液。
搅拌悬浮液和/或乳液所使用的特定方法或者方法的组合可至少部分用作可控制或调节影响凝胶形式的聚合物颗粒的尺寸和/或形貌的一个变量。例如，若搅拌浆或叶片通过在该悬浮液和/或乳液内部旋转而搅拌该悬浮液和/或乳液，则搅拌浆或叶片旋转时的速度可影响凝胶形式的聚合物颗粒的尺寸。搅拌浆或叶片的特定形状或构造也可影响凝胶形式的聚合物颗粒的尺寸。
一旦形成悬浮液和/或乳液，则可聚合单体组分，生产凝胶形式的聚合物颗粒。如上讨论并描述的，悬浮和/或乳液法除了或替代常规聚合以外，也可包括固化。单体组分可在悬浮液和/或乳液中形成小的液滴或胶束。在液滴或胶束内包含的单体组分，例如，酚类化合物，交联化合物，预聚物，和/或聚合物可经历聚合和/或固化，产生凝胶形式的聚合物颗粒。可以至少部分填充聚合物凝胶颗粒内的任何孔或孔隙的液体可存在于反应混合物中和/或在单体组分的聚合过程中形成。
单体组分可在混合器内经历悬浮和/或乳液聚合。单体组分可从混合器中移除并引入到悬浮液和/或乳液可在其内经历悬浮和/或乳液聚合的另一器皿或容器“反应器”内。示意性的混合器/反应器可包括分批，间歇和/或连续类型的混合器或反应器。连续混合器或反应器，例如可以是“环管”反应器。除了以上讨论并描述的一个或更多个混合器以外，还可在其他体系，装置和/或其组合内形成悬浮液和/或乳液。例如，也可在气相条件下进行合适的悬浮和/或乳液聚合法。例如，单体组分，载体流体，和/或任选的催化剂可以在气相内。在另一实例中，单体组分和载体流体可以在气相内，和催化剂可以在固相和/或液相内。因此，在一个或更多个实施方案中，反应物混合物或反应物混合物中的至少一种或更多种组分可在气相下引入到反应器内。在一个或更多个实施方案中，反应物混合物或其中的至少一种或更多种组分可以在液相内。在一个或更多个实施方案中，反应物混合物或其中的至少一种或更多种组分可以在固相内。
也可在连续的工艺和/或分批的工艺中进行其他合适的悬浮和/或乳液法。示意性的方法可包括，但不限于，连续搅拌釜反应器(CSTR)，环管反应器和/或活塞流反应器。可在一个反应器或者多于一个反应器中进行悬浮和/或乳液法。当使用两个或更多个反应器时，两个或更多个反应器可以相同或不同。当使用两个或更多个反应器时，两个或更多个反应器可以串联和/或平行地操作。这些反应器可以具有或者可以不具有内部冷却或加热。
更详细地提到环管反应器，环管反应器可包括在载体流体内生长的聚合物颗粒的循环浆液或混合物。该环管反应器可以维持在从低至约50kPa，约101kPa，约120kPa，约200kPa，约400kPa，约800kPa，约1,200kPa，约1,700kPa，或约2,100kPa到高至约3,200kPa，约3,600kPa，约4,100kPa，约4,700kPa，约5,100kPa，或约5,500kPa的压力下。在载体流体内生长的聚合物颗粒的循环浆液或混合物可以在从低至约30℃，约45℃，约60℃，约70℃，约80℃，或约90℃到高至约95℃，约99℃，约110℃，约120℃，约130℃，约140℃，约150℃，约175℃，约200℃，约225℃，或约250℃的温度下。可以通过环管壁移除和/或输入反应热。该环管壁可以为双夹套管道形式。可允许该浆液或混合物在规则的时间间隔下或者连续地离开反应器到达一个或更多个能将聚合物颗粒与载体流体分离的系统，装置和/或系统和/或装置的组合中。至少一部分载体流体可被循环回到环管反应器中。另外，任何未聚合的单体组分可循环回到环管反应器中。可使用该环管反应器作为单一的环管反应器，或者平行和/或串联构造的两个或更多个环管反应器，进行悬浮和/或乳液工艺。例如，该环管反应器可包括串联和/或平行地操作的1，2，3，4，5，10，20或更多的环管。可将反应物混合物引入到任何给定环管反应器的一个或更多个位置处。可相对于彼此，在相同位置或不同位置处，将单体组分或者单体组分中的独立的化合物引入到任何给定的环管反应器中。例如，可在第一位置处，将酚类化合物和催化剂引入到给定的环管反应器中，和在第二位置处，可将交联化合物引入到该环管反应器中，其中第一和第二位置是在反应器上的相同位置，或者其中第一和第二位置是在反应器上的不同位置处。
在一个或更多个实施方案中，若在环管反应器(或任何其他反应器)内部生产凝胶形式的聚合物颗粒，则可在生产期间，当生产时，和/或在生产之后，但在其完全固化之前的相对短的时间段内移除聚合物颗粒。例如，可在数分钟内和/或数分钟或者甚至数小时之后形成聚合物颗粒，其中该聚合物颗粒具有充足的完整度，使得它们没有或基本上没有彼此“粘着”或“胶合”在一起，但没有充分固化。可将独立的聚合物颗粒引入到第二器皿，容器或其他系统，装置和/或其组合中，在此聚合物颗粒可以进一步固化。可在第一载体流体中进行在环管反应器内部形成聚合物颗粒，和当从环管反应器中移除聚合物颗粒时，它们可保持在第一载体流体内和/或与第一载体流体相分离并与第二载体流体结合。例如，环管反应器内的载体流体(第一载体流体)可以是或者包括一种或更多种烃，和在第二容器内的载体流体(第二载体流体)可以是水。分离的第一载体流体和/或至少一部分任何未聚合的单体可被循环回到反应器中。因此，可在单一的器皿或反应器或者多个反应器或器皿内进行凝胶形式的聚合物颗粒的形成。另外，形成凝胶形式的聚合物颗粒可包括使用或组合不同的工艺条件，例如温度和/或压力，和载体流体(与第二器皿相比，环管反应器)内的聚合物颗粒浓度等。
当使用液体组分时，通常在从低至约50kPa，约101kPa，约120kPa，约200kPa，约400kPa，约800kPa，约1,200kPa，约1,700kPa，或约2,100kPa到高至约3,200kPa，约3,600kPa，约4,100kPa，约4,700kPa，约5,100kPa，或约5,500kPa或甚至更大的压力下进行悬浮/乳液工艺。也可在范围为从低至约0℃，约20℃，约40℃，或约50℃到高至约70℃，约80℃，约90℃，约100℃，约120℃，约150℃，约175℃，约200℃，约225℃，或约250℃的温度下进行悬浮/乳液工艺。例如，悬浮液和/或乳液的温度可维持在例如约80℃-约99℃处，直到该悬浮液和/或乳液聚合，即酚类化合物和交联化合物之间的聚合到达所需的聚合程度或水平。在另一实例中，悬浮液和/或乳液的温度可维持在大于或等于约80℃，大于或等于约83℃，大于或等于约85℃，大于或等于约87℃，大于或等于约90℃，大于或等于约93℃，大于或等于约95℃，大于或等于约97℃，大于或等于约98℃，大于或等于约99℃，大于或等于约100℃，大于或等于约103℃，大于或等于约105℃，大于或等于约107℃，大于或等于约110℃或大于或等于约112℃，或大于或等于约115℃的温度下，直到悬浮和/或乳液聚合到达所需的聚合和/或固化程度或水平。如上所述，可在酸性和/或碱性条件下进行悬浮和/或乳液工艺。可进行悬浮和/或乳液聚合，直到聚合物颗粒维持它们的完整度，使得它们没有或基本上没有彼此“粘着”或“胶合”在一起。可通过降低悬浮液和/或乳液和/或凝胶形式的聚合物颗粒的温度来减少或终止聚合。可储存冷却的悬浮液和/或乳液和/或凝胶形式的聚合物颗粒以供进一步处理。
以下更加详细地描述了可用于控制凝胶和/或碳材料的孔结构(例如，中孔率，微孔率等)和/或粒度的组合物。关于粒度，发明人已发现，较高的固体含量可有助于或者连续或者分散相的较大的凝胶粒度以及较高的粘度。以下更加详细地描述了预聚物组合物的各种实施方案。
可使用单一的聚合物前体或者该方法可包括使用两种或更多种不同的聚合物前体。没有特别限制聚合物前体的结构，条件是该聚合物前体能与另一聚合物前体或者与第二聚合物前体反应，形成聚合物。聚合物前体包括含胺的化合物，含醇的化合物和含羰基的化合物，例如，在一些实施方案中，聚合物前体选自醇，酚类，多元醇，糖，烷基胺，芳胺，醛，酮，羧酸，酯，脲，酰卤和异氰酸酯。使用间苯二酚和甲醛作为聚合物前体的一些实施方案可具有范围从1到2.5的各种甲醛与间苯二酚摩尔比。甲醛与间苯二酚的摩尔比的更具体的实施方案为2。在另一具体的实施方案中，甲醛与间苯二酚的摩尔比可以是1.5。
在一个实施方案中，该方法包括使用第一和第二聚合物前体，和在一些实施方案中，第一或第二聚合物前体可以是含羰基的化合物，和第一或第二聚合物前体中的另一种可以是含醇的化合物。在一些实施方案中，第一聚合物前体可以是酚类化合物，和第二聚合物前体可以是醛化合物(例如，甲醛)。在该方法的一个实施方案中，酚类化合物可以是苯酚，间苯二酚，儿茶酚，氢醌，间苯三酚或其组合；和醛化合物可以是甲醛，乙醛，丙醛，丁醛，苯甲醛，肉桂醛或其组合。在进一步的实施方案中，酚类化合物可以是间苯二酚，苯酚或其组合，和醛化合物可以是甲醛。在再进一步的实施方案中，酚类化合物可以是间苯二酚和醛化合物可以是甲醛。在再进一步的实施方案中，酚类化合物可以是苯酚和醛可以是甲醛。在一些实施方案中，聚合物前体是醇和羰基化合物(例如，间苯二酚和醛)。在一个或更多个实施方案中，在含醇和羰基化合物的聚合物前体中，醇与羰基化合物的摩尔比可以是约0.2:1-约1:1，约0.3:1-约0.8:1，约0.4:1-约0.6:1，约0.5:1.0-约0.7:1，约0.4:1-约0.5:1，或约0.3:1-约0.7:1。
在一个或更多个实施方案中，合适的酚类化合物可用式I表示：
其中R1和R2独立地选自氢(H)，羟基，C1-5烷基，或OR3，其中R3是C1-5烷基或C1-5芳基，和其中R1和R2中的至少一个是羟基。其他合适的酚类化合物可用式II表示：
其中Ra，Rb，Rc，和Rd各自独立地为氢(H)；羟基；卤化物，例如，氟化物，氯化物，溴化物或碘化物；硝基；苄基；羧基；酰基，例如甲酰基，烷基羰基，例如乙酰基，和芳基羰基，例如苯甲酰基；烷基，例如甲基，乙基，丙基，丁基，戊基，己基，庚基，辛基，壬基，癸基和类似基团；链烯基，例如未取代或取代的乙烯基和烯丙基；未取代或取代的甲基丙烯酸酯，未取代或取代的丙烯酸酯；甲硅烷基醚；硅氧烷基；芳基，例如苯基和萘基；芳烷基，例如苄基；或烷芳基，例如烷基苯基，和其中Ra，Rc，和Rd中的至少两个是氢。
其他合适的酚类化合物可以是或者包括苯酚本身(即，单羟基苯)。取代酚类的其他合适的实例可包括，但不限于，烷基取代的酚类，例如甲酚类和二甲苯酚类；环烷基取代的酚类，例如环己基苯酚；链烯基取代的酚类；芳基取代的酚类，例如对苯基苯酚；烷氧基取代的酚类，例如3,5-二甲氧基苯酚；芳氧基酚类，例如对苯氧基苯酚；和卤素取代的酚类，例如对氯苯酚。也可使用二元酚，例如儿茶酚，间苯二酚，氢醌，双酚A和双酚F。特别地，酚类组分可选自苯酚；烷基取代的酚类，例如甲酚类和二甲苯酚类；环烷基取代的酚类，例如环己基苯酚；链烯基取代的酚类；芳基取代的酚类，例如对苯基苯酚；烷氧基取代的酚类，例如3,5-二甲氧基苯酚；芳氧基酚类，例如对苯氧基苯酚；和卤素取代的酚类，例如对氯苯酚；儿茶酚，氢醌，双酚A和双酚F。仍然其他合适的酚类化合物可以是或者包括间苯二酚，苯酚，儿茶酚，氢醌，邻苯三酚，5-甲基间苯二酚，5-乙基间苯二酚，5-丙基间苯二酚，4-甲基间苯二酚，4-乙基间苯二酚，4-丙基间苯二酚，间苯二酚单苯甲酸酯，间苯二酚单次胂酸酯(monosinate)，间苯二酚二苯醚，间苯二酚单甲醚，间苯二酚单乙酸酯，间苯二酚二甲醚，间苯三酚，苯甲酰基间苯二酚，间苯二酚松香酸酯，烷基取代的间苯二酚，芳烷基取代的间苯二酚，2-甲基间苯二酚，间苯三酚，1,2,4-苯三醇，3,5-二羟基苯甲醛，2,4-二羟基苯甲醛，4-乙基间苯二酚，2,5-二甲基间苯二酚，5-甲基苯-1,2,3-三醇，3,5-二羟基苄醇，2,4,6-三羟基甲苯，4-氯间苯二酚，2',6'-二羟基苯乙酮，2',4'-二羟基苯乙酮，3',5'-二羟基苯乙酮，2,4,5-三羟基苯甲醛，2,3,4-三羟基苯甲醛，2,4,6-三羟基苯甲醛，3,5-二羟基苯甲酸，2,4-二羟基苯甲酸，2,6-二羟基苯甲酸，1,3-二羟基萘，2',4'-二羟基苯丙酮，2',4'-二羟基-6'-甲基苯乙酮，1-(2,6-二羟基-3-甲基苯基)乙酮，3-甲基3,5-二羟基苯甲酸酯，2,4-二羟基苯甲酸甲酯，没食子苯乙酮，2,4-二羟基-3-甲基苯甲酸，2,6-二羟基-4-甲基苯甲酸，2,6-二羟基苯甲酸甲酯，2-甲基-4-硝基间苯二酚，2,4,5-三羟基苯甲酸，3,4,5-三羟基苯甲酸，2,3,4-三羟基苯甲酸，2,4,6-三羟基苯甲酸，2-硝基间苯三酚或其组合。另一合适的酚类化合物可以是或者包括间苯三酚。
在至少一个实例中，酚类化合物可以是或者包括，但不限于，苯酚，间苯二酚，即，1,3-二羟基苯或其组合。在另一实例中，酚类化合物可以是或者包括，但不限于，间苯二酚或任何间苯二酚衍生物可由其衍生的任何化合物或化合物的组合。在另一实例中，酚类化合物可以是多羟基苯，二羟基苯，三羟基苯，或其任何组合。酚类化合物可包括彼此结合和/或彼此无关地添加到反应物混合物中的两种或更多种酚类化合物的任何组合。
间苯二酚可以以白色/米色固体或薄片形式提供，和/或可加热间苯二酚并以液体形式提供。液体单体组分中的固体组分，例如间苯二酚-甲醛共聚物，苯酚-甲醛共聚物，和/或苯酚-间苯二酚-甲醛共聚物，可以是约5wt％-约95wt％。例如，液体单体组分中的固体组分可以是从低至约5wt％，约10wt％，约15wt％，约20wt％，约25wt％，或约20wt％到高至约50wt％，约55wt％，约60wt％，约65wt％，约70wt％，或约75wt％。在另一实例中，液体单体组分中的固体组分可以是约10wt％-约75wt％，约10wt％-约40wt％，约30wt％-约80wt％，约45wt％-约75wt％，或约15wt％-约70wt％。液体单体组分可具有在25℃下宽泛地变化的Brookfield粘度。例如，液体单体组分在25℃下的Brookfield粘度可以是从低至约5cP，约50cP，约100cP，约200cP，约400cP，或约600cP到高至约1,000cP，约2,500cP，约5,000cP，约10,000cP，约15,000cP，或约20,000cP。液体间苯二酚共聚物典型地具有暗琥珀色。
在一个或更多个实施方案中，酚类化合物也可以是或者包括一种或更多种单宁。本文中所使用的术语"单宁"是指水解的单宁和缩合的单宁二者。正因为如此，酚类化合物可以是或者包括可水解的单宁，缩合的单宁或者可水解的单宁和缩合的单宁的组合。合适的单宁可由其衍生的灌木和/或树木的示意性种属可包括，但不限于，Acacia，Castanea，Vachellia，Senegalia，Terminalia，Phyllanthus，Caesalpinia，Quercus，Schinopsis，Tsuga，Rhus，Juglans，Carya，和Pinus，或其组合。在另一实例中，合适的单宁可由其衍生的种属可包括，但不限于，Schinopsis，Acacia或其组合。在另一实例中，合适的单宁可由其衍生的种属可包括，但不限于，Pinus，Carya或其组合。
可水解的单宁是简单的酚类，例如邻苯三酚和鞣花酸和糖，例如葡萄糖与没食子酸和二没食子酸的酯的混合物。示意性的可水解的单宁可包括，但不限于，从Castaneasativa，(例如，栗子)，Terminalia和Phyllanthus(例如，余甘子树种)，Caesalpiniacoriaria(例如，鞣料芸实荚)，Caesalpinia spinosa，(例如，秘鲁树荚)，角豆树，橡碗，和Quercus(例如，橡树)中回收的提取物。缩合的单宁是通过缩合黄烷类形成的聚合物。缩合的单宁可以是直链或支链的分子。示意性的缩合的单宁可包括，但不限于，Acaciamearnsii(例如，金合欢树或荆树的树皮提取物)，Schinopsis(例如，白雀树木提取物)，Tsuga(例如，铁杉树皮提取物)，Rhus(例如，漆树提取物)，Juglans(例如，胡桃木)，Caryaillinoinensis(例如，美洲山核桃)，和Pinus(例如，Radiata松树，Maritime松树，树皮提取物种)。
缩合的单宁包括约70wt％-约80wt％的活性酚类成分("单宁部分")，和其余成分("非单宁部分")可包括，但不限于，碳水化合物，水解胶体胶料(hydrocolloid gum)，和氨基和/或亚氨基酸馏分。缩合的单宁可以按照回收时的状态使用或者从有机物中提取或者可纯化缩合的单宁到例如大于或等于约95wt％的活性酚类成分。可使用非常明确的工艺，由起始材料，例如树和/或灌木提取可水解的单宁和缩合的单宁。在Handbook of Adhesive Technology，第2版，CRC Press，2003，第27章，"Natural Phenolic Adhesives I:Tannin"中和在Monomers，Polymers and Composites from Renewable Resources，Elsevier，2008，第8章，"Tannins:Major Sources，Properties and Applications"中讨论并描述了单宁的更详细的讨论。
缩合的单宁可分类或分组成两种主要的类别之一，亦即，含有间苯二酚单元的那些，和含有间苯三酚单元的那些。示意性的含间苯二酚单元的单宁包括，但不限于，黑荆树单宁和白雀树单宁。示意性的含间苯三酚单元的单宁包括，但不限于，美洲山核桃单宁和松树单宁。
本文中公开的聚合物前体材料包括(a)醇类，酚类化合物，和其他单-或多羟基化合物和(b)醛类，酮类及其组合。在本文中代表性醇类包括直链和支链，饱和和不饱和醇。合适的酚类化合物包括多羟基苯，例如二羟基或三羟基苯。代表性多羟基苯包括间苯二酚(即，1,3-二羟基苯)，儿茶酚，氢醌和间苯三酚。也可使用两种或更多种多羟基苯的混合物。也可使用苯酚(单羟基苯)。代表性多羟基化合物包括糖类，例如葡萄糖，蔗糖，甲壳素和其他多元醇，例如甘露醇。在本上下文中醛类包括直链饱和醛，例如甲醛(methanal)(甲醛(formaldehyde))，乙醛(ethanal)(乙醛(acetaldehyde))、丙醛(propanal)(丙醛(propionaldehyde))、丁醛(butanal)(丁醛(butyraldehyde))和类似物；直链不饱和醛，例如ethenone和其他烯酮类，2-丙烯醛(2-propenal)(丙烯醛(acrylaldehyde))，2-丁烯醛(巴豆醛)，3-丁烯醛，和类似物；支链饱和和不饱和醛类；和芳族类型的醛类，例如苯甲醛，水杨醛，氢化肉桂醛，和类似物。合适的酮类包括直链饱和酮类，例如丙酮和2-丁酮，和类似物；直链不饱和酮类，例如丙烯酮，2-丁烯酮和3-丁烯酮(甲基乙烯基酮)和类似物；支链饱和和不饱和酮类；和芳族类型的酮类，例如甲基苄基酮(苯基乙酮)，乙基苄基酮和类似物。聚合物前体材料也可以是以上所述的前体的组合。
在一些实施方案中，一种聚合物前体是含醇的物种和另一种聚合物前体是含羰基的物种，例如醛和苯酚。与含羰基的物种(例如，醛类，酮类或其组合)反应的含醇物种的相对量(例如，醇类，酚类化合物和单-或多-羟基化合物或其组合)可以显著地变化。在一些实施方案中，选择含醇的物种与醛物种之比，使得在含醇物种内的反应性醇基的总摩尔数与醛物种内的反应性羰基的总摩尔数大致相同。类似地，可选择含醇物种与酮物种之比，使得含醇物种内的反应性醇基的总摩尔数与酮物种内的反应性羰基的总摩尔数大致相同。当含羰基的物种包括醛物种和酮物种的组合时，相同的总的1:1的摩尔比适用。
交联化合物可以是或者包括，但不限于，未取代的醛化合物，和/或取代的醛化合物。适合于用作交联化合物的醛化合物可用化学式RCHO表示，其中R是氢或烃基。示意性烃基可包括1-约8个碳原子。在另一实例中，合适的醛化合物也可包括所谓的掩蔽醛或醛的等价物，例如乙缩醛或半缩醛。示意性的醛化合物可包括，但不限于，甲醛，多聚甲醛，乙醛，丙醛，丁醛，糠醛，苯甲醛，戊二醛或其任何组合。一种或更多种其他的醛，例如乙二醛可替代甲醛和/或其他醛使用或者与之组合使用。在至少一个实例中，醛化合物可包括甲醛，UFC或其组合。
醛化合物可作为固体，液体，和/或气体使用。尤其考虑甲醛，甲醛可以是或者包括三聚甲醛(固体，聚合的甲醛)，替代或者除了甲醛的其他形式，也可使用福尔马林溶液(甲醛的水溶液，有时具有甲醇，其中甲醛浓度为37％，44％，或50％)，脲-甲醛浓缩物("UFC")，和/或甲醛气。在另一实例中，醛可以是或者包括脲与甲醛的重量比为约1:2-约1:3的预反应的脲-甲醛混合物。
交联化合物可以是或者包括，但不限于，一种或更多种多官能醛化合物。本文中所使用的术语"多官能醛化合物"和"多官能醛"可互换使用且是指具有至少两个官能团的化合物，其中至少一个官能团是醛基。例如，多官能醛可包括两个或更多个醛官能团。在另一实例中，多官能醛可包括至少一个醛官能团和除了醛官能团以外的至少一个官能团。本文中所使用的术语"官能团"是指在多官能醛化合物内的反应性基团，且可包括，但不限于，醛基，羧酸基，酯基，酰胺基，亚胺基，环氧基，吖啶基，吖丁啶鎓基(azetidinium)和羟基。
多官能醛化合物可包括两个或更多个碳原子且具有两个或更多个醛官能团。例如，多官能醛化合物可包括2，3，4，5，6或更多个碳原子，且具有两个或更多个醛官能团。多官能醛化合物可包括两个或更多个碳原子且具有至少一个醛官能团和除了醛官能团以外的至少一个官能团，例如羧酸基，酯基，酰胺基，亚胺基，环氧基，吖啶基，吖丁啶鎓基和/或羟基。例如，多官能醛化合物可包括2，3，4，5，6或更多个碳原子，且具有至少一个醛官能团和除了醛官能团以外的至少一个官能团，例如羧酸基，酯基，酰胺基，亚胺基，环氧基，吖啶基，吖丁啶鎓基和/或羟基。
包括三个(3)或更多个碳原子且具有两个醛官能团(–CHO)的合适的双官能或二官能醛可用下式表示：
其中R是具有1-12个碳原子的二价脂族，脂环族，芳族或杂环基。示意性的多官能醛可包括，但不限于，丙二醛，丁二醛，戊二醛，2-羟基戊二醛，β-甲基戊二醛，己二醛，多聚乙醛，辛二醛，马来醛，富马醛，癸二醛，邻苯二甲醛，间苯二甲醛，对苯二甲醛，环取代的芳醛，或其任何组合。合适的含两个碳原子并具有两个醛官能团的双官能或二官能醛是乙二醛。
示意性的含醛基和除了醛基以外的官能团的多官能醛化合物可包括，但不限于，乙醛酸，乙醛酸酯，乙醛酸酰胺，5-(羟甲基)糠醛或其任何组合。在多官能醛化合物内的醛基可以以其他形式，例如水合物形式存在。正因为如此，可使用特定的多官能醛化合物的任何形式或衍生物，制备本文中讨论并描述的粘合剂组合物。例如，在乙醛酸的情形下，可结合乙醛酸，一水合乙醛酸，和/或乙醛酸酯与单宁和路易斯酸，生产粘合剂组合物。交联化合物可包括彼此组合和/或彼此无关地添加到反应物混合物中的两种或更多种交联化合物的任何组合。
在一个或更多个实施方案中，酚类化合物和交联化合物中的单体组分可部分或完全被梅拉德(Maillard)反应物的混合物替代。类似地，预聚物可以是或者包括梅拉德反应物的部分或预反应的混合物。换句话说，反应物混合物中的所有或一部分单体组分可以是梅拉德反应物的混合物，梅拉德反应物的预反应的混合物，或其组合。梅拉德反应物的混合物可包括，但不限于，碳水化合物源(碳水化合物反应物)和胺反应物，所述胺反应物能参与与碳水化合物反应物的梅拉德反应。
碳水化合物源可包括具有一种或更多种还原糖类的一种或更多种反应物，在热固化条件下得到一种或更多种还原糖类的一种或更多种反应物，或其组合。还原糖可以是含有醛基，或者可异构化，即互变异构化，以含有醛基的糖。这种醛基在梅拉德反应条件下对氨基(胺反应物)具有反应性。通常这种醛基也可用例如Cu+2氧化，得到羧酸。碳水化合物反应物可任选地被其他官能团，例如羟基，卤素，烷基，烷氧基和类似基团取代。碳水化合物源也可拥有一个或更多个手性中心。碳水化合物源也可包括在每一手性中心处每一可能的光学异构体。可使用任何这种碳水化合物源的各种光学异构体的各种混合物，其中包括外消旋混合物或其他非对映异构体混合物，以及它们的各种几何异构体。
碳水化合物源可以是非挥发的。非挥发的碳水化合物源可增加或最大化碳水化合物反应物保持在梅拉德反应条件下可获得以供与胺反应物反应的能力。碳水化合物源和胺反应物的混合物预反应可扩大合适的碳水化合物源的列表。碳水化合物源可以是其醛糖或酮糖形式的单糖，其中包括三糖，四糖，五糖，六糖或七糖；或多糖或其任何组合。
若三糖充当碳水化合物源，或者与其他还原糖和/或多糖结合使用，则可分别使用丙醛糖(aldotriose sugar)或酮丙糖(ketotriose sugar)，例如甘油醛和二羟基丙酮。若四糖充当碳水化合物源，或者与其他还原糖和/或多糖结合使用，则可使用丁醛糖，例如赤藓糖和苏阿糖；和酮丁糖，例如赤藓酮糖。若五糖充当碳水化合物源，或者与其他还原糖和/或多糖结合使用，则可使用戊醛糖，例如核糖，阿拉伯糖，木糖和来苏糖；和酮戊糖，例如核酮糖，阿拉伯酮糖，木酮糖和来苏酮糖。若使用六糖充当碳水化合物源，或者与其他还原糖和/或多糖结合使用，则可使用己醛糖，例如葡萄糖(即，右旋糖)，甘露糖，半乳糖，阿洛糖，阿卓糖，塔罗糖，古洛糖和艾杜糖；和酮己糖，例如果糖，阿洛酮糖，山梨糖和塔格糖。若七糖充当碳水化合物源，或者与其他还原糖和/或多糖结合使用，则可使用酮庚糖，例如景天庚酮糖。不是天然存在而已知的这种碳水化合物源的其他立体异构体也考虑可用于制备粘合剂组合物。若多糖充当碳水化合物源，或者与单糖结合使用，则可使用蔗糖，乳糖，麦芽糖，淀粉和纤维素。
碳水化合物反应物也可与非-碳水化合物的多羟基反应物结合使用。非-碳水化合物的多羟基反应物的实例可包括，但不限于，三羟甲基丙烷，甘油，季戊四醇，聚乙烯醇，部分水解的聚乙酸乙烯酯，完全水解的聚乙酸乙烯酯及其混合物。非-碳水化合物的多羟基反应物可以是充分地不挥发的，以最大化在固化过程中其保持可获得以供与其他粘合剂组分反应的能力。碳水化合物源(碳水化合物反应物)和胺反应物的混合物的部分预反应可扩大合适的非-碳水化合物多羟基反应物的列举。非-碳水化合物的多羟基反应物的疏水性可以是确定粘合剂组合物物理性能的一个因素。
能参与与碳水化合物源的梅拉德反应的胺反应物可以是拥有氨基的化合物。该化合物可以以氨基酸形式存在。游离的氨基也可来自于蛋白质，其中游离氨基例如以赖氨酸残基中的ε-氨基和/或端氨基酸中的α-氨基形式获得。也可通过使用多羧酸铵盐反应物，独立地或者就地形成胺反应物。可通过用胺碱中和多羧酸的酸基，生成多羧酸的铵盐，从而产生多羧酸的铵盐基。完全中和，即以当量为基础计算，约100％，可省去对滴定或部分中和多羧酸内酸基的任何需求。然而，预期没有完全中和也会得到满意的梅拉德反应物的混合物。
在某些实施方案中，聚合物前体包括甲醛和间苯二酚或甲醛和苯酚，或甲醛并结合苯酚和间苯二酚的混合物。在其他实施方案中，聚合物前体包括甲醛和脲。
在其他实施方案中，聚合物前体是脲或含胺的化合物。例如，在一些实施方案中，聚合物前体是脲或三聚氰胺。其他实施方案包括选自异氰酸酯或其他活化羰基化合物，例如酰卤和类似物中的聚合物前体。
所公开的方法的一些实施方案包括制备含电化学改性剂的聚合物凝胶(和碳材料)。电化学改性剂包括本领域已知且描述于共同待审查的美国申请No.12/965,709(在先通过参考全文引入)中的那些。这种电化学改性剂通常选自可用于改性所得碳材料或聚合物凝胶的电化学性能的元素，和在一些实施方案中，包括氮或硅。在其他实施方案中，电化学改性剂包括氮，铁，锡，硅，镍，铝或锰。可在制备工序的任何步骤中包括该电化学改性剂。例如在一些实施方案中，可混合电化学改性剂与该混合物，聚合物相或连续相。
在形成聚合物之前(即，单体组分)，在凝胶配方内的总固体含量可以发生变化。这一总固体含量是通常不挥发的组分的重量分数(与挥发性和不挥发组分的总重量相比)。
单体组分与溶剂(例如，水，酸等)的重量比可以是约0.05:3-约0.70:2。或者，单体组分与溶剂的重量比可以是约0.15:1-约0.6:1.5。或者，单体组分与溶剂的重量比可以是约0.15:1-约0.35:1。或者，单体组分与溶剂的重量比可以是约0.25:1-约0.5:1。或者，单体组分与溶剂的重量比可以是约0.3:1-约0.6:1。
在一些实施方案中，单体组分中的含固量可以从低至约10％，约15％，约20％，约25％，约35％，约40％，或约45％变化到高至约55％，约60％，约65％，约70％，约75％，约80％，约85％，或约90％。在其他实施方案中，单体组分中的含固量可以是约35％-约70％，约40％-约60％，或约45％-约55％。在一个或更多个实施方案中，单体组分中的含固量可以是大于20％，大于25％，大于30％，大于35％，大于40％，或大于45％，大于50％，大于55％，大于60％，大于65％，大于70％，大于75％，大于80％，大于85％，或大于90％。在一个或更多个实施方案中，单体组分中的含固量可以是小于90％，小于85％，小于80％，小于75％，小于70％，小于65％，小于60％，小于55％，小于50％，小于45％，小于40％，小于35％，小于30％，小于25％，小于20％，或小于15％。
在一些实施方案中，在催化条件下进行凝胶聚合工艺。因此，在一些实施方案中，该方法包括混合催化剂与该混合物，聚合物相和/或连续相。在一些实施方案中，催化剂包括碱性的挥发性催化剂。例如，在一个实施方案中，碱性的挥发性催化剂包括碳酸铵，碳酸氢铵，醋酸铵，氢氧化铵或其组合。在进一步的实施方案中，碱性的挥发性催化剂可以是碳酸铵。在另一进一步的实施方案中，碱性的挥发性催化剂可以是醋酸铵。
催化剂可以是或者包括一种或更多种酸，一种或更多种碱，或其任何组合。示意性的碱性催化剂可以是或者包括，但不限于，氢氧化钠，碳酸钠，碳酸氢钠，氢氧化钾，碳酸钾，碳酸氢钾，碳酸铵，六亚甲基四胺或其任何组合。示意性的酸性催化剂可包括，但不限于，醋酸，盐酸，硫酸，磷酸，亚磷酸，磺酸(其中包括，但不限于，单磺酸，二磺酸，三磺酸，甲苯磺酸，和烷磺酸)，没食子酸，草酸，苦味酸或其任何组合。
催化剂与聚合物前体的摩尔比可以对聚合物凝胶的最终性能以及碳材料的最终性能具有影响。因此，在一些实施方案中，可使用摩尔比为从低至约1:1，约3:1，约5:1，约7:1，约10:1，约15:1，约20:1，约25:1，约30:1，约40:1，或约50:1到高至约100:1，约150:1，约200:1，约300:1，约400:1，约600:1，约800:1，约1,000:1，约1,200:1，约1,400:1，约1,600:1，约1,800:1，或约2000:1聚合物前体:催化剂的这种催化剂。在一些实施方案中，可使用摩尔比为10:1至400:1聚合物前体:催化剂的这种催化剂。例如，在其他实施方案中，可使用摩尔比为5:1-100:1聚合物前体:催化剂的这种催化剂。例如，在一些实施方案中，聚合物前体与催化剂的摩尔比可以是约400:1。在其他实施方案中，聚合物前体与催化剂的摩尔比可以是约100:1。在其他实施方案中，聚合物前体与催化剂的摩尔比可以是约50:1。在其他实施方案中，聚合物前体与催化剂的摩尔比可以是约25:1。在其他实施方案中，聚合物前体与催化剂的摩尔比可以是约10:1。在一个或更多个实施方案中，聚合物前体与催化剂的摩尔比可以是约5:1-约15:1，约5:1-约25:1，约3:1-约12:1，约7:1-约13:1，约10:1-约20:1，约15:1-约40:1，约20:1-约30:1，约8:1-约12:1，约6:1-约15:1，约18:1-约32:1，约25:1-约50:1，或约7:1-约11:1。在一些前述的实施方案中，聚合物前体包括酚类化合物，例如间苯二酚和/或苯酚。
在其中聚合物前体之一是间苯二酚和另一聚合物前体是甲醛的具体实施方案中，间苯二酚与催化剂之比可以发生变化，以获得所得聚合物凝胶和碳材料的所需性能。在本文描述的方法中的一些实施方案中，间苯二酚与催化剂的摩尔比可以是从低至约1:1，约3:1，约5:1，约7:1，约10:1，约15:1，约20:1，约25:1，约30:1，约40:1，或约50:1到高至约100:1，约150:1，约200:1，约300:1，约400:1，约600:1，约800:1，约1,000:1，约1,200:1，约1,400:1，约1,600:1，约1,800:1，或约2,000:1。在其他实施方案中，间苯二酚与催化剂的摩尔比可以是约5:1-约2,000:1，或间苯二酚与催化剂的摩尔比可以是约10:1-约400:1。在进一步的实施方案中，间苯二酚与催化剂的摩尔比可以是约5:1-约100:1。在进一步的实施方案中，间苯二酚与催化剂的摩尔比可以是约25:1-约50:1。在进一步的实施方案中，间苯二酚与催化剂的摩尔比可以是约15:1-约50:1。在进一步的实施方案中，间苯二酚与催化剂的摩尔比可以是约10:1-约50:1。在前述的一些实施方案中，催化剂可以是醋酸铵。
在其中聚合物前体之一是苯酚和另一聚合物前体是甲醛的具体实施方案中，苯酚与催化剂之比可以发生变化，以获得所得聚合物凝胶和碳材料的所需性能。在本文描述的方法中的一些实施方案中，苯酚与催化剂的摩尔比可以是从低至约1:1，约3:1，约5:1，约7:1，约10:1，约15:1，约20:1，约25:1，约30:1，约40:1，或约50:1到高至约100:1，约150:1，约200:1，约300:1，约400:1，约600:1，约800:1，约1,000:1，约1,200:1，约1,400:1，约1,600:1，约1,800:1，或约2000:1。在其他实施方案中，间苯二酚与催化剂的摩尔比可以是约5:1-约2000:1，或苯酚与催化剂的摩尔比可以是约10:1-约400:1。在进一步的实施方案中，苯酚与催化剂的摩尔比可以是约5:1-约100:1。在进一步的实施方案中，苯酚与催化剂的摩尔比可以是约25:1-约50:1。在进一步的实施方案中，苯酚与催化剂的摩尔比可以是约25:1-约50:1。在进一步的实施方案中，苯酚与催化剂的摩尔比可以是约100:1-约5:1。在前述的一些实施方案中，催化剂可以是醋酸铵。
在其中聚合物前体之一是苯酚间苯二酚和甲醛的混合物的具体实施方案中，苯酚/间苯二酚与催化剂之比可以发生变化，以获得所得聚合物凝胶和碳材料的所需性能。在本文描述的方法中的一些实施方案中，苯酚/间苯二酚与催化剂的摩尔比可以是从低至约1:1，约3:1，约5:1，约7:1，约10:1，约15:1，约20:1，约25:1，约30:1，约40:1，或约50:1到高至约100:1，约150:1，约200:1，约300:1，约400:1，约600:1，约800:1，约1,000:1，约1,200:1，约1,400:1，约1,600:1，约1,800:1，或约2000:1。在其他实施方案中，间苯二酚与催化剂的摩尔比可以是约5:1-约2000:1或者苯酚/间苯二酚与催化剂的摩尔比可以是约10:1-约400:1。在进一步的实施方案中，苯酚/间苯二酚与催化剂的摩尔比可以是约5:1-约100:1。在进一步的实施方案中，苯酚/间苯二酚与催化剂的摩尔比可以是约25:1-约50:1。在进一步的实施方案中，苯酚/间苯二酚与催化剂的摩尔比可以是约25:1-约50:1。在进一步的实施方案中，苯酚/间苯二酚与催化剂的摩尔比可以是约100:1-约5:1。在前述的一些实施方案中，催化剂可以是醋酸铵。
在仍然其他实施方案中，该方法包括混合酸与该混合物，聚合物相和/或连续相。酸可以选自适合于聚合工艺的许多酸中的任何一种。例如，在一些实施方案中，酸可以是或者包括醋酸，在其他实施方案中，酸可以是或者包括草酸，和在其他实施方案中，酸可以是或者包括醋酸和草酸的混合物。在一个或更多个实施方案中，可混合酸与第一或第二溶剂，其中酸与溶剂之比从低至约1:100，约1:90，约1:50，约1:10，约1:5，约1:4，约1:3，或约1:2到高至约2:1，约3:1，约4:1，约5:1，约10:1，约50:1，或约100:1。在进一步的实施方案中，可混合酸与第一或第二溶剂，其中酸与溶剂之比为99:1，90:10，75:25，50:50，25:75，20:80，10:90或1:90。在其他实施方案中，该酸是醋酸，和第一或第二溶剂是水。在其他实施方案中，通过添加固体酸到乳液，悬浮液或凝胶制剂中，提供酸度。
在反应混合物内的酸的总含量可以发生变化，以改变最终产品的性能。在一些实施方案中，酸的存在量可以是从低至约1％，约3％，约5％，约10％，约15％，约20％，约25％，约30％，或约40％到高至约50％，约55％，约60％，约70％，或约75％重量的单体组分。在其他实施方案中，酸的存在量可以是约5％-约50％，约5％-约15％，约10％-约25％，约15％-约35％，约15％-约45％，约25％-约45％，或约30％-约50％重量的单体组分。在其他实施方案中，酸的存在量可以是约5％-约40％，例如约5％，约10％，约15％，约20％，约25％，约30％，约35％，约40％，约45％，或约50％重量的单体组分。
合适的多羧酸可包括二羧酸，三羧酸，四羧酸，五羧酸，和类似物，单体多羧酸，酸酐及其任何组合，以及聚合的多羧酸，酸酐及其任何组合。优选地，多羧酸铵盐反应物是充分地不挥发的，以最大化其保持可获得与梅拉德反应的碳水化合物反应物反应的能力。再者，碳水化合物源和胺反应物的混合物的部分预反应可扩大合适的胺反应物的列表，其中包括多羧酸铵盐反应物。在另一实例中，多羧酸铵盐反应物可以被其他化学官能团取代。
示意性的单体多羧酸可包括，但不限于，不饱和脂族二羧酸，饱和脂族二羧酸，芳族二羧酸，不饱和环状二羧酸，饱和环状二羧酸，其羟基取代的衍生物和类似物。其他合适的多羧酸可包括不饱和脂族三羧酸，饱和脂族三羧酸，例如柠檬酸，芳族三羧酸，不饱和环状三羧酸，饱和环状三羧酸，其羟基取代的衍生物和类似物。要理解，任何这种多羧酸可被任选取代，例如被羟基，卤素，烷基，烷氧基和类似基团取代。其他合适的多羧酸可包括，但不限于，乌头酸，己二酸，壬二酸，丁四羧酸二酐，丁三羧酸，氯菌酸，柠康酸，二环戊二烯-马来酸酐加合物，二亚乙基三胺五乙酸，二戊烯和马来酸的加合物，乙二胺四乙酸(EDTA)，完全马来酸化的松香，马来酸化的妥尔油脂肪酸，富马酸，戊二酸，间苯二甲酸，衣康酸，用过氧化钾氧化成醇然后成羧酸的马来酸化松香，马来酸，苹果酸，中康酸，借助与二氧化碳的KOLBE-Schmidt反应引入3-4个羧基而反应的双酚A或双酚F，草酸，邻苯二甲酸，癸二酸，琥珀酸，酒石酸，对苯二甲酸，四溴邻苯二甲酸，四氯邻苯二甲酸，四氢邻苯二甲酸，偏苯三酸，苯均三酸和类似物，和酸酐，及其任何组合。
合适的聚合多羧酸可包括含有大于一个侧挂羧基的有机聚合物或低聚物。该聚合的多羧酸可以是由不饱和羧酸制备的均聚物或共聚物，所述不饱和羧酸可包括，但不限于，丙烯酸，甲基丙烯酸，巴豆酸，异巴豆酸，马来酸，肉桂酸，2-甲基马来酸，衣康酸，2-甲基衣康酸，α,β-亚甲基戊二酸和类似物。聚合的多羧酸也可由不饱和酸酐制备。不饱和酸酐可包括，但不限于，马来酸酐，衣康酸酐，丙烯酸酐，甲基丙烯酸酐和类似物，及其混合物。
优选的聚合多羧酸可包括聚丙烯酸，聚甲基丙烯酸，聚马来酸，和类似物。可商购的聚丙烯酸的实例包括AQUASET-529(Rohm&Haas，Philadelphia，Pa.，USA)，CRITERION2000(Kemira，Helsinki，芬兰，欧洲)，NF1(H.B.Fuller，St.Paul，Minn.，USA)，和SOKALAN(BASF，Ludwigshafen，德国，欧洲)。关于SOKALAN，认为它是丙烯酸和马来酸的水溶性的聚丙烯酸共聚物，其分子量为约4,000。AQUASET-529被理解为是含用甘油交联的聚丙烯酸的组合物，它还含有次磷酸钠作为催化剂。认为CRITERION 2000是聚丙烯酸的偏盐(partialsalt)的酸性溶液，其分子量为约2,000。认为NF1是含有羧酸官能度和羟基官能度以及不具有任何这两个官能度的单元的共聚物；还认为NF1含有链转移剂，例如次磷酸钠或有机磷酸酯催化剂。
与多羧酸反应的胺反应物可包括，但不限于，氨，伯胺，即，NH2R1，和仲胺，即，NHR1R2，其中R1和R2各自独立地选自烷基，环烷基，链烯基，环烯基，杂环基，芳基和杂芳基。在任何部分预反应期间或者在热固化粘合剂组合物期间，在足以促进梅拉德反应物的混合物反应的条件下，胺碱可以是挥发或基本上不挥发的。合适的胺碱可包括，但不限于，显著挥发的碱，基本上不挥发的碱，或其组合。示意性的显著挥发的碱可包括，但不限于，氨，乙胺，二乙胺，二甲胺，乙基丙基胺或其任何组合。示意性的基本上不挥发的碱可包括，但不限于，苯胺，1-萘基胺，2-萘基胺，对氨基苯酚或其任何组合。
梅拉德反应物的混合物的一个实例包括氨水，柠檬酸和右旋糖(葡萄糖)的混合物。在这一混合物中，在多羧酸，柠檬酸反应物上存在的酸式盐基(当用氨中和柠檬酸的–COOH基时产生)的摩尔当量数与在碳水化合物反应物上存在的羟基的摩尔当量数之比的范围可以是约0.04:1-约0.15:1。因此，在一个实施方案中，在右旋糖碳水化合物反应物上存在的羟基的摩尔当量数可以是比在多羧酸柠檬酸反应物上存在的酸式盐基的摩尔当量数大大约25倍。在另一实施方案中，在右旋糖碳水化合物反应物上存在的羟基的摩尔当量数比在多羧酸柠檬酸反应物上存在的酸式盐基的摩尔当量数大大约10倍。在又一实施方案中，在右旋糖碳水化合物反应物上存在的羟基的摩尔当量数比在多羧酸柠檬酸反应物上存在的酸式盐基的摩尔当量数大大约6倍。
如上所述，梅拉德反应物的混合物可包括碳水化合物源和能参与与之发生梅拉德反应的胺反应物。如上所述，梅拉德反应物的混合物也可包括碳水化合物源和胺反应物的部分反应的混合物。例如，可混合碳水化合物源与胺反应物，所述胺反应物能参与与碳水化合物源的梅拉德反应，和在最终配制粘合剂组合物之前，可经足以引发梅拉德反应，但不允许反应进行完全的时间，加热该混合物到从低至约40℃，约50℃，约60℃，或约70℃到高至约80℃，约90℃，约95℃，约100℃，约110℃，约120℃，约130℃，约140℃，或约150℃的温度。合适的梅拉德反应物和梅拉德反应产物可如美国专利申请公布No.2009/0301972中所讨论并描述的。
在一个或更多个实施方案中，酚类化合物和交联化合物中的单体组分可用一种或更多种烃树脂部分或完全替代。示意性的烃树脂可包括，但不限于，聚乙烯，聚丙烯，乙烯乙酸乙烯酯，乙烯丙烯酸乙酯，聚氨酯，天然聚合物，苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯，苯乙烯-丁二烯-苯乙烯，聚苯乙烯，聚氨酯，丙烯酸类聚合物，聚氯乙烯，氟塑料，松脂(例如，妥尔油松香，木松香，和脂松香)，改性松香(例如，歧化松香，氢化松香，聚合或低聚松香，diels-alder松香加合物)，松香酯(例如，氢化松香酯，聚合松香酯，苯酚-改性的松香酯，二元酸改性的松香酯；松香酯可以衍生于妥尔油松香，木松香和/或脂松香)，聚硫醚，苯乙烯-丙烯腈，尼龙，苯酚-甲醛可溶可熔酚醛树脂，或其任何组合。其他示意性的烃树脂可包括，但不限于，C5烃的低聚物(例如，环戊二烯的低聚物)，C9烃的低聚物(例如，α-甲基苯乙烯和乙烯基甲苯的低聚物，常常称为芳烃增粘剂)，萜烯树脂(例如，萜烯类，例如α-蒎烯，β-蒎烯和柠檬烯的低聚物)，萜烯类和酚类的低聚反应产物，香豆酮-茚树脂，萜烯类和苯乙烯类的低聚反应产物，脂环族树脂(例如，二环戊二烯基树脂)，粗妥尔油，蒸馏的妥尔油，或其任何组合。可在聚合之前，聚合之中和/或完成聚合之后，添加烃树脂(若存在的话)。
在另一实例中，单体组分内的交联化合物可以至少部分被一种或更多种碳水化合物替代。一种或更多种碳水化合物可包括一种或更多种单糖，二糖，低聚糖，多糖或其任何组合。在一个或更多个实施方案中，一种或更多种碳水化合物可包括一种或更多种醛糖。在一个或更多个实施方案中，单糖可以是或者包括D-葡萄糖(一水合右旋糖)，L-葡萄糖或其组合。其他碳水化合物醛糖可包括，但不限于，甘油醛，赤藓糖，苏阿糖，核糖，脱氧核糖，阿拉伯糖，木糖，来苏糖，阿洛糖，阿卓糖，古洛糖，甘露糖，艾杜糖，半乳糖，塔罗糖及其任何组合。碳水化合物也可以是或者包括一种或更多种还原或改性淀粉，例如糊精，麦芽糊精和氧化麦芽糊精。
尽管不要求表面活性剂(和在某些实施方案中，不存在表面活性剂)，但一些实施方案包括使用表面活性剂。可混合表面活性剂与该混合物，聚合物相和/或连续相，或者在该工艺中以任何其他合适的方式包括表面活性剂。在含表面活性剂的一些实施方案中，在与连续相混合之前，使聚合物相预反应，使得聚合物前体至少部分聚合。
表面活性剂可选自可用于乳化两种不可混溶溶液的许多表面活性剂中的任何一种。例如，在一些实施方案中，表面活性剂包括非离子表面活性剂。例如，非离子表面活性剂可以是脱水山梨醇表面活性剂，例如SPANTM80，SPANTM85，SPANTM65，SPANTM60，SPANTM40，SPANTM20， 或其任何混合物。在另一实例中，表面活性剂可以是或者包括分子量为约100道尔顿-约2,000道尔顿的非离子表面活性剂。在一个或更多个实施方案中，合适的非离子表面活性剂的分子量可以从低至约100，约200，约300，约400，约500，约600，约700，约800，或约900到高至约1,100，约1,300，约1,500，约1,700，约1,900，约2,100，约2,300，约2,500，约2,700，约3,000，约3,300，约3,500，约3,700，或约4,000道尔顿。在某些实施方案中，表面活性剂可以是或者包括SPANTM80。在其他实施方案中，表面活性剂可以是或者包括SPANTM20。在其他实施方案中，多官能醇，例如乙基纤维素，二元醇，烷基醚可用作稳定剂和/或表面活性剂。
这种表面活性剂是本领域公知的且由许多来源可商购，其中包括Sigma-Aldrich，St.Louis Mo。尽管不希望束缚于理论，但认为在混合物内存在的表面活性剂用量可以是可被改性以控制所得凝胶和/或碳材料的物理性能的参数。例如，小于或等于约2％的表面活性剂浓度可以与中孔碳有关，而较高的表面活性剂浓度可以与微孔碳有关。然而，高的表面活性剂浓度(例如，大于约30％)看起来似乎不是有效的。尽管在一些实施方案中，可期望表面活性剂，但在所公开的方法的所有实施方案中，不要求表面活性剂。
在当存在表面活性剂时的一些实施方案中，反应混合物可包括从低至约0.01％，约0.05％，约0.1％，约0.5％，约1％，约1.5％，约2％，约3％，或约5％到高至约7％，约10％，约12％，约14％，约16％，约18％，约20％，约22％，约24％，或约26％表面活性剂(w/w)。例如，反应混合物可包括约0.2％-约20％，约0.6％-约15％，约4％-约13％，约7％-约14％，约9％-约11％，或约8％-约14％表面活性剂(w/w)。在其他实施方案中，反应混合物可包括约0.1％-约10％表面活性剂(w/w)，例如约5％表面活性剂(w/w)。在其他实施方案中，反应混合物可包括约0.1％-约2％表面活性剂(w/w)，例如约0.5％或约1％表面活性剂(w/w)。在其他实施方案中，反应混合物可包括约0.01％-约1.0％表面活性剂(w/w)，例如约0.1％-约1.0％表面活性剂(w/w)。在其他实施方案中，反应混合物可包括约1.0％-约2.0％表面活性剂(w/w)。在其他实施方案中，反应混合物可包括约2.0％-约5.0％表面活性剂(w/w)。在其他实施方案中，反应混合物可包括约5.0％-约10％表面活性剂(w/w)。在某些实施方案中，反应混合物可包括约0.1％，约0.2％，约0.3％，约0.4％，约0.5％，约0.6％，约0.7％，约0.8％，约0.9％，约1.0％，约1.1％，约1.2％，约1.3％，约1.4％，约1.5％，约1.6％，约1.7％，约1.8％，约1.9％或约2.0％表面活性剂(w/w)。在其他实施方案中，反应混合物包括约9.0％-约11.0％，约0.05％-约1.1％表面活性剂或约0.9％-约1.1％表面活性剂(w/w)。
在一些实施方案中，表面活性剂的水平可以在高于CMC的浓度下。在其他实施方案中，表面活性剂水平可以在低于CMC浓度下。例如，表面活性剂的水平可以在小于100％，小于95％，小于90％，小于85％，小于80％，小于75％，小于70％，小于65％，小于60％，小于55％，小于50％，小于45％，小于40％，小于35％，小于30％，小于25％，小于20％，小于15％，小于10％，小于5％，小于3％，小于2％，小于1％，小于0.5％，小于0.3％，小于0.1％，小于0.05％，或小于0.01％CMC的浓度下存在。在至少一个具体的实施方案中，乳液，悬浮液或其组合可以不含任何表面活性剂。
连续相是可被改变以获得聚合物凝胶和碳材料的所需性能(例如，表面积，孔隙率，纯度，粒度等)的另一工艺参数。例如，发明人现已令人惊奇地发现，通过仔细地选择连续相，可控制最终聚合物凝胶和碳材料的孔隙率(参见实施例中提供的数据)。因此，本发明的方法提供制备具有任何所需孔隙率的碳材料(和前体凝胶)的能力。仔细地选择连续相的进一步的优点是该工艺可按比例放大。例如，当选择具有低毒性，可燃性等的连续相时，与其他已知的聚合物工艺相比，该工艺更加经得起按比例放大。
本发明方法的某些实施方案的进一步的优点是可选择连续相，获得所得凝胶颗粒的所需粒度。在支持本发明进行的实验中预料不到地揭露了凝胶颗粒的粒度可显著变化，同时孔结构保持基本上相同。因此，该方法允许微调粒度的更大灵活性，以获得最佳的处理性能(例如，过滤，和热解等)，且没有牺牲对最终凝胶或碳产品孔结构的控制。进一步地，在某些实施方案中，可通过选择连续相(或本文中描述的其他工艺参数)，微调最终碳材料的粒度，且不需要研磨或颗粒尺寸调整的其他物理方式。
显示出影响凝胶颗粒粒度的连续相性能包括粘度和分子量(例如，烃链长度)。具有各种粘度的连续相可用于实施该方法，且没有特别限制连续相的粘度。在该方法的某些实施方案中，选择在25℃下粘度从低至约1.0cP，约3cP，约5cP，约7cP，约10cP，约15cP，约25cP，约40cP，或约60cP到高至约100cP，约125cP，约150cP，约175cP，约200cP，约225cP，约250cP，约275cP，约300cP，约400cP，或约500cP的连续相。例如，某些实施方案可使用在25℃下粘度为约2.5cP-约200cP或约5cP-约100cP的连续相。在其他实施方案中，连续相在25℃下粘度可以是约10cP，约20cP，约30cP或约40cP。在各种实施方案中，可在80℃下测定连续相的粘度且可以从低至约<1.0cP到约100cP。例如，某些实施方案使用在80℃下粘度为从低至约1cP，约2.5cP，约5cP，约10cP，约20cP，或约30cP到高至约40cP，约50cP，约60cP，约70cP，约80cP，约90cP，或约100cP的连续相。在另一实施方案中，连续相在80℃下的粘度可以是约1cP-约75cP或约2.5cp-约50cP。在其他实施方案中，在80℃下连续相的粘度可以是约5cP，约10cP，约20cP或约30cP。在其他实施方案中，可期望在该工艺期间或者该工艺当中，连续相粘度变化。例如，在颗粒形成步骤期间，较高的粘度可以是所需的，和在分离步骤期间，较低的粘度可以是有益的。在其他实施方案中，可以颠倒所需的粘度目标。
某些连续相的烃链长度(例如，石蜡油)也可以发生变化，以获得具有所需性能，例如粒度的凝胶和碳材料。连续相或载体流体的烃链长度可以是从低至约10个碳，约15个碳，约20个碳，约25个碳，或约30个碳到高至约50个碳，约60个碳，约70个碳，约80个碳，约90个碳，或约100个碳。例如，连续相或载体流体的烃链长度可以是约15个碳至约40个碳，约10个碳至约20个碳，约10个碳至约35个碳，约15个碳至约50个碳，约20个碳至约40个碳，约20个碳至约60个碳，约25个碳至约35个碳，约25个碳至约40个碳，约25个碳至约45个碳，约30个碳至约40个碳，约30个碳至约45个碳，或约30个碳至约50个碳。在某些实施方案中，烃链长度可以是约20个碳，约25个碳，约30个碳，约35个碳或约40个碳。在一个或更多个实施方案中，大于或等于约50％的连续相或载体流体可具有从低至约10个碳，约15个碳，约20个碳，约25个碳，或约30个碳到高至约50个碳，约60个碳，约70个碳，约80个碳，约90个碳，或约100个碳的烃链长度。在一个或更多个实施方案中，大于或等于约60％的连续相或载体流体可具有从低至约10个碳，约15个碳，约20个碳，约25个碳，或约30个碳到高至约50个碳，约60个碳，约70个碳，约80个碳，约90个碳，或约100个碳的烃链长度。在一个或更多个实施方案中，大于或等于约70％的连续相或载体流体可具有从低至约10个碳，约15个碳，约20个碳，约25个碳，或约30个碳到高至约50个碳，约60个碳，约70个碳，约80个碳，约90个碳，或约100个碳的烃链长度。在一个或更多个实施方案中，大于或等于约80％的连续相或载体流体可具有从低至约10个碳，约15个碳，约20个碳，约25个碳，或约30个碳到高至约50个碳，约60个碳，约70个碳，约80个碳，约90个碳，或约100个碳的烃链长度。在一个或更多个实施方案中，大于或等于约90％的连续相或载体流体可具有从低至约10个碳，约15个碳，约20个碳，约25个碳，或约30个碳到高至约50个碳，约60个碳，约70个碳，约80个碳，约90个碳，或约100个碳的烃链长度。在一个或更多个实施方案中，大于或等于约100％的连续相或载体流体可具有从低至约10个碳，约15个碳，约20个碳，约25个碳，或约30个碳到高至约50个碳，约60个碳，约70个碳，约80个碳，约90个碳，或约100个碳的烃链长度。
连续相不仅影响以上提及的颗粒形成(尺寸)：它还影响结垢。合适的连续相的选择的一些重要的标准是：a)在连续相化学结构内存在的官能团的类型和含量；b)饱和或不饱和的化学结构；c)比重；d)粘度；和e)表面张力。
在一些实施方案中，发现剪切速率影响粒度和结垢。认为低的剪切速率生成较大的颗粒。结合合适的连续相与低剪切速率可提供颗粒形成与结垢减少两者的效益。
已表明颗粒形成温度影响粒度和结垢。在一个实施方案中，较低的颗粒形成(例如，65℃)有助于降低结垢并产生略微较大的颗粒。
在该方法的一些实施方案中，聚合物相和连续相或载体流体彼此不可混溶且形成乳液或悬浮液。在其他实施方案中，聚合物相和连续相或载体流体彼此可混溶或者部分可混溶。在这些情况下，在反应过程中，聚合物相可能变得不那么可与连续相混溶。在这一方面中，某些实施方案涉及其中任选的溶剂是水性和/或极性溶剂和连续相是有机和/或非极性溶剂的方法。合适的水性和/或极性溶剂包括，但不限于，水，水/醋酸，醇(例如，乙醇，甲醇，等)，极性醚(例如，PEG，等)，有机酸(例如，醋酸)及其混合物。示意性醇可包括，但不限于，甲醇，乙醇，丙醇，异丙醇，丁醇和类似物及其混合物。其他合适的液体介质可包括，但不限于，丙酮，四氢呋喃，苯，甲苯，二甲苯，乙苯，枯烯，1,3,5-三甲基苯，或其混合物。在某些实施方案中，存在任选的溶剂。在某些实施方案中，存在任选的溶剂且包括水。例如，在一些实施方案中，聚合物相包括水或醋酸/水混合物。
用作连续相或载体流体的合适的有机和/或非极性溶剂包括烃溶剂，芳族溶剂，油，非极性醚，酮和类似物。例如，合适的有机和/或非极性溶剂包括，但不限于己烷，环己烷，戊烷，环戊烷，苯，甲苯，二甲苯，二乙醚，乙基甲基酮，二氯甲烷，四氢呋喃，矿物油，石蜡油，异烷属烃流体，植物衍生的油，和可根据本领域的那些知识，使用任何和所有水不可溶的流体。在一些实施方案中，连续相是有机溶剂，例如烃溶剂。在更具体的实施方案中，连续相是环己烷，矿物油，石蜡油，二甲苯，异石蜡油或其任何组合。在其他实施方案中，连续相是环己烷，石蜡油，二甲苯，异石蜡油或其组合。在一些具体的实施方案中，连续相包括石蜡油。在其他的具体的实施方案中，存在任选的溶剂且包括水，和连续相包括环己烷，矿物油，二甲苯，水或其组合。在某些实施方案中，选择连续相的粘度，使得控制聚合物凝胶的某些性能(例如，粒度)。
在一个或更多个实施方案中，连续相或载体流体可以是或者包括一种或更多种烃，水或其组合。示意性的载体流体可包括石蜡油，环烷油，芳烃油，或其任何组合，示意性的烷属烃可包括矿物油或其任何组合。合适的矿物油包括具有约15-约40个碳原子的一种或更多种烷烃。示意性的环烷油可以是基于环烷烃的烃。示意性的环烷烃可包括，但不限于，环己烷，环庚烷，环辛烷，环壬烷，环癸烷或其任何组合。另一合适的载体流体可以是或者包括一种或更多种植物基或植物衍生的油。示意性的植物基或植物衍生的油可包括，但不限于，例如亚麻籽(linseed)(亚麻籽(flaxseed))油，蓖麻油，桐油，大豆油，棉籽油，橄榄油，低芥酸菜籽油，玉米油，向日葵种子油，花生油，椰子油，红花油，棕榈油，植物油，或其任何组合。合适的可商购的植物油可包括，但不限于，以商品名销售且由CONAGRA销售的那些，例如植物油，低芥酸菜籽油，玉米油，调和油，和类似物。另一合适的载体流体可以是或者包括一种或更多种氯化烃。示意性的氯化烃可包括，但不限于，四氯化碳，氯仿，二氯甲烷，或其任何组合。可使用任何类型的水作为载体流体或者补充至少一部分载体流体。例如，水可以是蒸馏水，去离子水或其组合。
与使用烃相比，使用含有或者包括水的载体流体可减少与生产凝胶形式的聚合物颗粒有关的成本。与含有一种或更多种烃且不含或基本上不含水，例如小于5wt％水的载体流体相比，使用含有或者包括水的载体流体也可便于相对于载体流体，增加单体组分的浓度。换句话说，与当载体流体是或者包括大多数非水的流体，例如，大于约50wt％烃时相比，是或者包括大多数水，例如大于约50wt％水的载体流体可便于形成更加浓缩的悬浮液和/或乳液。使用是或者包括水的载体流体也可至少部分除去任何残留的由一种或更多种烃组成的载体流体。在一个或更多个实施方案中，形成反应混合物所使用的载体流体可具有从低至约1wt％，约3wt％，约5wt％，约10wt％，约15wt％，约20wt％，约25wt％，约30wt％，约35wt％，或约40wt％到高至约50wt％，约55wt％，约60wt％，约65wt％，约70wt％，约75wt％，约80wt％，约85wt％，约90wt％，约95wt％，或约100wt％的水浓度。在一个或更多个实施方案中，形成反应混合物所使用的载体流体可以不含任何水。
载体流体在大气压下的沸点可以大于或等于约40℃，大于或等于约50℃，大于或等于约60℃，大于或等于约70℃，大于或等于约80℃，大于或等于约90℃，大于或等于约100℃，大于或等于约110℃，大于或等于约120℃，大于或等于约130℃，大于或等于约140℃，大于或等于约150℃，大于或等于约175℃，大于或等于约200℃，大于或等于约225℃，或大于或等于约250℃。在单体组分经历聚合的条件下，载体流体的沸点可以大于或等于约40℃，大于或等于约50℃，大于或等于约60℃，大于或等于约70℃，大于或等于约80℃，大于或等于约90℃，大于或等于约100℃，大于或等于约110℃，大于或等于约120℃，大于或等于约130℃，大于或等于约140℃，大于或等于约150℃，大于或等于约175℃，大于或等于约200℃，大于或等于约225℃，或大于或等于约250℃。载体流体的闪点可以大于约-25℃，大于约-20℃，大于约-10℃，大于约0℃，大于约10℃，大于约20℃，大于约30℃，大于约40℃，大于约50℃，或大于约60℃。
在一个或更多个实施方案中，载体流体可以不含或基本上不含环烷烃，例如，环己烷，环庚烷，环辛烷，和类似物。本文中所使用的术语"基本上不含环烷烃"是指载体流体含有小于3wt％，小于2wt％，小于1wt％，小于0.9wt％，小于0.8wt％，小于0.7wt％，小于0.6wt％，小于0.5wt％，小于0.4wt％，小于0.3wt％，小于0.2wt％，小于0.1wt％，小于0.07wt％，小于0.05wt％，小于0.03wt％，或小于0.01wt％的环烷烃。在一个或更多个实施方案中，载体流体可以不含或基本上不含，例如含有小于1wt％环烷烃，例如，环己烷。正因为如此，还应当注意，生产凝胶形式的聚合物颗粒所使用的悬浮和/或乳液聚合法和常规的反相乳液聚合法之间的一个其他的区别可以是可以避免使用环己烷作为载体流体。类似地，生产凝胶形式的聚合物颗粒所使用的悬浮和/或乳液聚合法和常规的反相乳液聚合法之间的另一区别可以是可以避免使用环烷烃作为载体流体。
在一个或更多个实施方案中，载体流体可以是或者包括一种或更多种环烷烃，例如，环己烷，环庚烷，环辛烷，和类似物。例如，载体流体可包括一种或更多种环烷烃，其用量从低至约0.1wt％，约1wt％，约3wt％，约5wt％，约10wt％，约20wt％，约30wt％，或约40wt％到高至约50wt％，约60wt％，约70wt％，约80wt％，约90wt％，或约100wt％，基于载体流体的总重量。用另一种方式说，在至少一个具体的实施方案中，载体流体可包括任何量的环烷烃或任何量的环烷烃的组合。在至少一个实施方案中，载体流体内的环己烷量范围可以是约1wt％-约20wt％，约10wt％-约30wt％，约20wt％-约40wt％，约30wt％-约50wt％，约40wt％-约60wt％，约50wt％-约70wt％，约60wt％-约80wt％，约70wt％-约90wt％，或约80wt％-约100wt％。在一个或更多个实施方案中，载体流体可以是或者包括用量为100wt％，小于95wt％，小于90wt％，小于85wt％，小于80wt％，小于75wt％，小于70wt％，小于65wt％，小于60wt％，小于55wt％，小于50wt％，小于45wt％，小于40wt％，小于35wt％，小于30wt％，小于25wt％，小于20wt％，小于15wt％，小于10wt％，小于5wt％，小于4wt％，小于3wt％，小于2wt％，或小于1wt％的一种或更多种环烷烃。在一个或更多个实施方案中，载体流体可以是或者包括用量为至少1wt％，至少2wt％，至少3wt％，至少4wt％，至少5wt％，至少10wt％，至少15wt％，至少20wt％，至少25wt％，至少30wt％，至少35wt％，至少40wt％，至少45wt％，至少50wt％，至少55wt％，至少60wt％，至少65wt％，至少70wt％，至少75wt％，至少80wt％，至少85wt％，至少90wt％，至少95wt％，或100wt％的一种或更多种环烷烃。
在一个或更多个实施方案中，载体流体可以是或者包括一种或更多种具有宽范围的碳原子的烃，例如，烷属烃，环烷烃，芳烃，植物基或植物衍生的油，矿物油和/或氯化烃。例如，载体流体可以是或者包括至少6，至少8，至少10，至少12，至少14，至少16，至少18，至少20，至少22，至少24，至少26，至少28，至少30，至少32，至少34，至少36，至少38，至少40，至少42，至少44，至少46，至少48，至少50，至少52，至少54，至少56，至少58，或至少60个碳原子的一种或更多种烃。例如，载体流体可包括具有从低至约6，约8，约10，约12，约14，约16，约18，约20，约22，约24，约26，约28，或约30到高至约32，约34，约36，约38，约40，约42，约44，约46，约58，约50，约60，约70，约80，约90，约100，约110，约120，约130，约140，或约150个碳原子的一种或更多种烃。
在一个或更多个实施方案中，载体流体可以是或者包括用量为至少5wt％，至少10wt％，至少15wt％，至少20wt％，至少25wt％，至少30wt％，至少35wt％，至少40wt％，至少45wt％，至少50wt％，至少55wt％，至少60wt％，至少65wt％，至少70wt％，至少75wt％，至少80wt％，至少85wt％，至少90wt％，至少95wt％，或100wt％的具有至少8个碳原子的烃。在一个或更多个实施方案中，载体流体包括用量为至少5wt％，至少10wt％，至少15wt％，至少20wt％，至少25wt％，至少30wt％，至少35wt％，至少40wt％，至少45wt％，至少50wt％，至少55wt％，至少60wt％，至少65wt％，至少70wt％，至少75wt％，至少80wt％，至少85wt％，至少90wt％，至少95wt％，或100wt％的具有至少10个碳原子的烃。在一个或更多个实施方案中，载体流体包括用量为至少5wt％，至少10wt％，至少15wt％，至少20wt％，至少25wt％，至少30wt％，至少35wt％，至少40wt％，至少45wt％，至少50wt％，至少55wt％，至少60wt％，至少65wt％，至少70wt％，至少75wt％，至少80wt％，至少85wt％，至少90wt％，至少95wt％，或100wt％的具有至少12个碳原子的烃。在一个或更多个实施方案中，载体流体包括用量为至少5wt％，至少10wt％，至少15wt％，至少20wt％，至少25wt％，至少30wt％，至少35wt％，至少40wt％，至少45wt％，至少50wt％，至少55wt％，至少60wt％，至少65wt％，至少70wt％，至少75wt％，至少80wt％，至少85wt％，至少90wt％，至少95wt％，或100wt％的具有至少14个碳原子的烃。在一个或更多个实施方案中，载体流体包括用量为至少5wt％，至少10wt％，至少15wt％，至少20wt％，至少25wt％，至少30wt％，至少35wt％，至少40wt％，至少45wt％，至少50wt％，至少55wt％，至少60wt％，至少65wt％，至少70wt％，至少75wt％，至少80wt％，至少85wt％，至少90wt％，至少95wt％，或100wt％的具有至少16个碳原子的烃。在一个或更多个实施方案中，载体流体包括用量为至少5wt％，至少10wt％，至少15wt％，至少20wt％，至少25wt％，至少30wt％，至少35wt％，至少40wt％，至少45wt％，至少50wt％，至少55wt％，至少60wt％，至少65wt％，至少70wt％，至少75wt％，至少80wt％，至少85wt％，至少90wt％，至少95wt％，或100wt％的具有至少18个碳原子的烃。在一个或更多个实施方案中，载体流体包括用量为至少5wt％，至少10wt％，至少15wt％，至少20wt％，至少25wt％，至少30wt％，至少35wt％，至少40wt％，至少45wt％，至少50wt％，至少55wt％，至少60wt％，至少65wt％，至少70wt％，至少75wt％，至少80wt％，至少85wt％，至少90wt％，至少95wt％，或100wt％的具有至少20个碳原子的烃。在一个或更多个实施方案中，载体流体包括用量为至少5wt％，至少10wt％，至少15wt％，至少20wt％，至少25wt％，至少30wt％，至少35wt％，至少40wt％，至少45wt％，至少50wt％，至少55wt％，至少60wt％，至少65wt％，至少70wt％，至少75wt％，至少80wt％，至少85wt％，至少90wt％，至少95wt％，或100wt％的具有至少22个碳原子的烃。在一个或更多个实施方案中，载体流体包括用量为至少5wt％，至少10wt％，至少15wt％，至少20wt％，至少25wt％，至少30wt％，至少35wt％，至少40wt％，至少45wt％，至少50wt％，至少55wt％，至少60wt％，至少65wt％，至少70wt％，至少75wt％，至少80wt％，至少85wt％，至少90wt％，至少95wt％，或100wt％的具有至少24个碳原子的烃。在一个或更多个实施方案中，载体流体包括用量为至少5wt％，至少10wt％，至少15wt％，至少20wt％，至少25wt％，至少30wt％，至少35wt％，至少40wt％，至少45wt％，至少50wt％，至少55wt％，至少60wt％，至少65wt％，至少70wt％，至少75wt％，至少80wt％，至少85wt％，至少90wt％，至少95wt％，或100wt％的具有至少26个碳原子的烃。在一个或更多个实施方案中，载体流体包括用量为至少5wt％，至少10wt％，至少15wt％，至少20wt％，至少25wt％，至少30wt％，至少35wt％，至少40wt％，至少45wt％，至少50wt％，至少55wt％，至少60wt％，至少65wt％，至少70wt％，至少75wt％，至少80wt％，至少85wt％，至少90wt％，至少95wt％，或100wt％的具有至少28个碳原子的烃。在一个或更多个实施方案中，载体流体包括用量为至少5wt％，至少10wt％，至少15wt％，至少20wt％，至少25wt％，至少30wt％，至少35wt％，至少40wt％，至少45wt％，至少50wt％，至少55wt％，至少60wt％，至少65wt％，至少70wt％，至少75wt％，至少80wt％，至少85wt％，至少90wt％，至少95wt％，或100wt％的具有至少30个碳原子的烃。在一个或更多个实施方案中，载体流体包括用量为至少5wt％，至少10wt％，至少15wt％，至少20wt％，至少25wt％，至少30wt％，至少35wt％，至少40wt％，至少45wt％，至少50wt％，至少55wt％，至少60wt％，至少65wt％，至少70wt％，至少75wt％，至少80wt％，至少85wt％，至少90wt％，至少95wt％，或100wt％的具有至少32个碳原子的烃。在一个或更多个实施方案中，载体流体包括用量为至少5wt％，至少10wt％，至少15wt％，至少20wt％，至少25wt％，至少30wt％，至少35wt％，至少40wt％，至少45wt％，至少50wt％，至少55wt％，至少60wt％，至少65wt％，至少70wt％，至少75wt％，至少80wt％，至少85wt％，至少90wt％，至少95wt％，或100wt％的具有至少34个碳原子的烃。在一个或更多个实施方案中，载体流体包括用量为至少5wt％，至少10wt％，至少15wt％，至少20wt％，至少25wt％，至少30wt％，至少35wt％，至少40wt％，至少45wt％，至少50wt％，至少55wt％，至少60wt％，至少65wt％，至少70wt％，至少75wt％，至少80wt％，至少85wt％，至少90wt％，至少95wt％，或100wt％的具有至少36个碳原子的烃。在一个或更多个实施方案中，载体流体包括用量为至少5wt％，至少10wt％，至少15wt％，至少20wt％，至少25wt％，至少30wt％，至少35wt％，至少40wt％，至少45wt％，至少50wt％，至少55wt％，至少60wt％，至少65wt％，至少70wt％，至少75wt％，至少80wt％，至少85wt％，至少90wt％，至少95wt％，或100wt％的具有至少38个碳原子的烃。在一个或更多个实施方案中，载体流体包括用量为至少5wt％，至少10wt％，至少15wt％，至少20wt％，至少25wt％，至少30wt％，至少35wt％，至少40wt％，至少45wt％，至少50wt％，至少55wt％，至少60wt％，至少65wt％，至少70wt％，至少75wt％，至少80wt％，至少85wt％，至少90wt％，至少95wt％或100wt％的具有至少40个碳原子的烃。在一个或更多个实施方案中，合适的具有至少8，10，12，14，16，18，20，22，24，26，28，30，32，34，36，38，或40个碳原子的烃可具有最多约40，约50，约60，约70，约80，约100，约110，约120，约130，约140，或约150个碳原子。
在一些实施方案中，可选择连续相，以经得住大规模生产。关于这一点，对于大规模生产来说，连续相的重要性能包括低毒性，低可燃性，价格和/或从成品中移除的容易程度等。也可选择连续相，具有高纯度，这反过来可有助于最终聚合物凝胶和/或碳材料的高纯度。关于这一点，可使用纯度大于99％，大于99.5％，大于99.9％，大于99.99％或甚至大于99.999％的连续相。在某些实施方案中，在单一的水相内一起混合聚合物前体组分，和随后使用本领域已知的技术，用非水外相乳化或悬浮，和随后保持一时间和温度足以至实现在水相内部前体完全聚合的温度下。在其他实施方案中，在单一的水相内一起混合前体组分，并在足以实现部分聚合的时间和温度下保持，和随后使用本领域已知的技术，在非水的外相中悬浮，和随后在水相内部在实现完全聚合前体的时间下保持。在这一实施方案中，部分聚合步骤可导致增加的粘度，从而允许控制聚合物树脂的粒度，这取决于乳化/悬浮能量条件和部分聚合的水相和非水相的粘度。在其他实施方案中，在单一的水相内一起混合前体组分，在足以实现部分的聚合的时间和温度下保持，和随后使用本领域已知的技术，在外部水相中悬浮，和随后在水相内部在实现前体完全聚合的时间下保持。在这一实施方案中，部分聚合步骤可导致增加的粘度，从而允许控制聚合物树脂的粒度，这取决于乳化能量条件，粘度和部分聚合的水相和连续水相的不混溶性。在其他实施方案中，可选择聚合物相的粘度的特定控制和连续相的粘度的特定控制，使得能形成合适的颗粒。
若本文讨论并描述的任何一种或更多种组分包括两种或更多种不同的化合物，则可以相对于彼此，以任何比例存在这两种或更多种不同的化合物。例如，若酚类化合物包括第一酚类化合物和第二酚类化合物，则该酚类化合物可具有浓度范围为约1wt％-约99wt％的第一酚类化合物和相对地约99wt％-约1wt％的第二酚类化合物，基于第一和第二酚类化合物的总重量。在另一实例中，第一酚类化合物的用量范围可以是从低至约5wt％，约10wt％，约15wt％，约20wt％，约25wt％约30wt％，约35wt％，约40wt％，或约45wt％到高至约60wt％，约65wt％，约70wt％，约75wt％，约80wt％，约85wt％，约90wt％，或约95wt％，基于第一和第二酚类化合物的总重量。当交联化合物，催化剂，和/或液体介质包括两种或更多种不同的化合物时，这两种或更多种不同的化合物以与第一和第二酚类化合物类似的用量存在。
可在一种或更多种填料材料存在下进行单体组分的悬浮和/或乳液聚合。换句话说，悬浮液和/或乳液可包括一种或更多种填料材料。可结合填料材料与单体组分，预聚物，载体流体或其任何结合物。填料材料可以是或者包括固体颗粒，中空颗粒，多孔颗粒，或其任何组合。示意性的填料材料可包括，但不限于，天然存在的有机填料材料，例如核桃壳，无机氧化物，无机碳化物，无机氮化物，无机氢氧化物，具有氢氧化物涂层的无机氧化物，无机碳氮化物(inorganic carbonitride)，无机氧氮化物，无机硼化物，无机硼碳化物，或其任何组合。适合用作填料材料的材料可包括在美国专利申请公布Nos.2006/0078682和2008/0277115中讨论并描述的那些。可用凝胶形式的聚合物涂布填料材料，生产具有填料材料核和置于其上的凝胶外层的凝胶形式的聚合物颗粒。凝胶形式的颗粒可包括单一填料组分或填料颗粒或多种填料组分或填料颗粒。例如，凝胶形式的颗粒可包括形成约1个离散的填料组分到约10，约20，约30，约40，约50，约60，约70，约80，约90，约100，约150，约200，约250，约500，约1,000，约1,500，约2,000，约10,000，约20,000或更多个离散的填料组分的任何一种。填料组分的尺寸可以至少部分决定凝胶形式的任何给定聚合物颗粒内部特定的填料组分颗粒的数量。
也可在一种或更多种原硅酸四烷酯，其他原硅酸酯存在下，进行单体组分的悬浮和/或乳液聚合，增加凝胶形式的聚合物颗粒的产率，交联密度，和/或强度。示意性的原硅酸四烷酯可包括，但不限于，原硅酸四乙酯，原硅酸四甲酯(TMOS)或其组合。
也可故意掺杂金属离子或者将其加入到反应物混合物，单体组分，载体流体，凝胶形式的聚合物颗粒，通过从凝胶形式的颗粒中除去至少一部分任何液体生产的干燥聚合物颗粒，悬浮液和/或乳液，或其任何组合中。例如，可结合金属掺杂的烃，例如金属掺杂的糠醛与单体组分和/或悬浮液和/或乳液，以添加金属到凝胶形式的聚合物颗粒中和/或增加碳产率。
也可故意掺杂含氮的电化学改性剂或者将其加入到反应物混合物，单体组分，载体流体，凝胶形式的聚合物颗粒，通过从凝胶形式的颗粒中除去至少一部分任何液体生产的干燥聚合物颗粒，悬浮液和/或乳液，或其任何组合中。例如，可结合富含氮的化合物与单体组分和/或悬浮液和/或乳液，以添加氮到凝胶形式的聚合物颗粒中。添加或增加凝胶形式和/或干燥形式的聚合物颗粒内的氮浓度可改进一种或更多种成品，例如，碳化颗粒的电容。示意性的氮源或含氮的电化学改性剂可包括，但不限于，脲，三聚氰胺，硝酸或其任何组合。
作为本文中讨论并描述的悬浮和/或乳液聚合方法的替代，可使用一种或更多种替代的聚合工艺，生产凝胶形式和/或非-凝胶形式的聚合物颗粒。例如，一种替代的工艺可包括，但不限于，气相聚合，其中单体组分最初在气相内，和聚合物颗粒在流化或气态介质内形成。
还应当注意，单体组分，预聚物或其组合可进一步包括一种或更多种其他添加剂。示意性的添加剂可包括，但不限于，硫，炭黑，抗氧化剂，氧化锌，促进剂，纤维素，填料，流变学改性剂，增稠剂，润湿剂，着色剂，润滑剂，流平剂，UV稳定剂，增塑剂，氧化硅，加工油，软化油，膨胀剂(bloating agent)或其任何组合。若在单体组分内存在一种或更多种其他添加剂，则一种或更多种其他添加剂的存在总量可以是从低至约0.001wt％，约0.01wt％，约0.1wt％，约0.5wt％，约1wt％，约2wt％，约3wt％，或约5wt％到高至约10wt％，约15wt％，约20wt％，约25wt％，约30wt％，约35wt％，约40wt％，约45wt％，或约50wt％。
一种反应参数可包括，但不限于，在足以使一种或更多种聚合物前体彼此反应且形成凝胶形式的聚合物颗粒的温度和时间下，老化反应混合物。在这一方面中，合适的老化温度范围为约室温到等于或接近于连续相沸点的温度。可或者使用较高沸点的化学品，或者在升高的压力下制备预聚物，实现较高的反应温度。例如，在一些实施方案中，可在从低至约10℃，约20℃，约25℃，约30℃，约35℃，约40℃，约45℃，约50℃，约55℃，约60℃，约65℃，约70℃，或约75℃到高至约100℃，约120℃，约140℃，约160℃，约180℃，约200℃，约225℃，或约250℃的温度下，老化乳液，悬浮液或其组合。例如，可在约20℃-约140℃，约40℃-约120℃，约50℃-约115℃，约60℃-约110℃或约65℃-约105℃的温度下，老化乳液，悬浮液或其组合。其他实施方案包括在约30℃-约99℃，约45℃-约99℃，约55℃-约95℃，或约65℃-约99℃的温度下，老化乳液，悬浮液或其组合。在其他实施方案中，可在约65℃-约99℃的温度下，老化乳液，悬浮液或其组合。其他实施方案可包括在两种或更多种温度，例如约45℃和约70℃-约99℃或约80℃-约99℃下，老化乳液，悬浮液或其组合。在某些实施方案中，老化可包括搅拌。在一些情况下，在容器内的压力可以增加和/或可使用较高沸点的溶剂，使得能在较高温度下反应，且没有诱导反应物内的相变。在其他情况下，可使用外部冷凝器，使得能在较高温度下反应。
反应持续时间通常足以允许聚合物前体反应并形成凝胶形式的聚合物颗粒，例如可老化混合物从30秒到48小时或30秒到72小时或更长或更短的任何时间，这取决于所需的结果。例如，可在范围为从低至约1分钟，约2分钟，约3分钟，约4分钟，约5分钟，约10分钟，约15分钟，或约20分钟到高至约40分钟，约1小时，约1.5小时，约2小时，约3小时，约4小时，约5小时，约10小时，约15小时，约20小时，或约24小时的时间内，聚合和/或固化单体混合物。在另一实例中，可在范围为从低至约1小时，约2小时，约3小时，约4小时，约5小时，约10小时，约15小时，或约20小时到高至约25小时，约30小时，约35小时，约40小时，约45小时，约50小时，约55小时，约60小时，约65小时，约70小时，或约75小时的时间内，聚合和/或固化单体混合物。
也可使用特定的混合器和/或反应器设计或构造至少部分作为可控制或调节的一个变量，以影响凝胶形式的聚合物颗粒的尺寸和/或形貌。例如，悬浮和/或乳液聚合可在其内进行的反应器可以是或者包括“内螺丝”管道或导管，它可被改编或构造，以增加，减少和/或维持流经并越过该管道或导管的截面的悬浮液和/或乳液的速度。该混合器和/或反应器可包括Z字形管或导管，它可被改编或构造，以增加，减少和/或维持流经和/或越过该管道或导管的截面的悬浮液和/或乳液的速度。
可使用任何一种或更多种方法，控制，调节或在其他情况下维持在悬浮和/或乳液聚合过程中悬浮液和/或乳液的温度。例如，可使用加热和/或冷却线圈，换热器，元件和类似物来控制悬浮液和/或乳液的温度。在另一实例中，蒸汽，例如过热蒸汽，或者其他加热的流体可被注入，导引或在其他情况下用于加热悬浮液和/或乳液。在另一实例中，超声工艺热可朝该悬浮液和/或乳液中导引，以聚合在其内的单体组分。在再一实例中，可对该悬浮液和/或乳液进行熔体纺丝工艺，生产凝胶形式的聚合物颗粒。在再一实例中，可对该悬浮液和/或乳液进行挤出工艺，例如类似于纤维生产的挤出工艺，以生产凝胶形式的聚合物颗粒。在再一实例中，可对该悬浮液和/或乳液进行锭剂化(Pastillation)工艺，生产凝胶形式的聚合物颗粒。在再一实例中，可对该悬浮液和/或乳液进行转鼓，烘箱和粉碎工艺，且采用注模替代转鼓，以增加传热速率。
在一个或更多个实施方案中，凝胶形式的聚合物颗粒是超纯的，例如显示出总杂质含量小于1,000ppm，小于900ppm，小于800ppm，小于700ppm，小于600ppm，小于500ppm，小于400ppm，小于300ppm，小于250ppm，小于200ppm，小于175ppm，小于150ppm，小于130ppm，小于115ppm，小于100ppm小于95ppm，小于90ppm，小于80ppm，小于70ppm，小于60ppm，小于50ppm，小于40ppm，小于30ppm，或小于20ppm的原子序数范围为11-92的元素，这通过质子诱导的x-射线发射来测量。杂质，例如金属原子和/或金属离子可能由数种可能的来源中的一种或更多种，引入到凝胶形式的聚合物颗粒，所述来源可包括，但不限于，从混合器和/或反应器中浸提到单体组分内，和/或在制造凝胶形式的聚合物颗粒之中和/或之后的特定类型的催化剂。因此，可选择制造混合器所使用的材料，混合器的内表面或壁的衬，和/或其组件，例如搅拌器的叶片，反应器和类似物，以便降低污染的潜力或可能性。例如，取决于特定的金属，该金属可浸提，或者在其他情况下，在其悬浮和/或乳液聚合过程中，可结合到凝胶形式的聚合物颗粒内部的松散的金属离子。
减少和/或消除凝胶形式的聚合物颗粒和/或气凝胶，干凝胶，或冻凝胶颗粒内金属或金属离子污染的一种方式可以是由非反应性或非常低反应性的材料，具有降低或较少的倾向浸提或滤出(give up)金属原子或离子到反应物混合物内的材料(与已知浸提金属原子到反应物混合物内的材料相比)构造混合器和/或反应器。一些潜在材料可包括，但不限于，金属，玻璃，例如，玻璃衬里的容器，纤维增强的容器，例如，FRP(FRB，FRVE，FRSVE.)和二元层压体(Dual laminate)，如PP/FRP，PVC/FRP，CPVC/FRP，PVDF/FRP，ECTFE/FRP，ETFE/FRP，FEP/FRP和PFA/FRP，聚合物反应器，例如，特氟龙，聚乙烯(PE)，聚丙烯(PP)，氯化聚(氯乙烯)(CPVC)，所述潜在材料可适合于制造生产凝胶形式的聚合物颗粒所使用的混合器和/或反应器，所述混合器和/或反应器也可辅助降低金属离子浸提的污染或在其他情况下从混合器和/或反应器中转移到凝胶形式的聚合物颗粒内。示意性的金属可包括，但不限于，钴，铬，钨，碳，硅,铁，锰，钼，钒，镍，硼，磷，硫，钛，铝，铜，钨，其合金，或其任何组合。例如，反应器的一个或更多个内表面可由钢，例如不锈钢，碳钢，工具钢(tool steel)，合金钢或其任何组合制成。示意性的钢可包括，但不限于A387G rade 11低铬钢，304不锈钢，316不锈钢，和347不锈钢。
在一个或更多个实施方案中，可处理混合器和/或反应器和/或其组件的表面，以降低金属离子(或其他杂质)浸提或者在其他情况下从表面转移到凝胶形式的聚合物颗粒内的可能性。可对金属内表面进行钝化工艺，降低凝胶形式的聚合物颗粒被金属离子污染的可能性。例如，接触悬浮液和/或乳液的混合器和/或反应器的金属表面可进行一种或更多种处理工艺，例如碳化，硼化和/或氮化。在另一实例中，混合器和/或反应器的内表面可进行浸酸工艺。
在一个或更多个实施方案中，可在碳源存在下加热混合器和/或反应器或其内表面到比内表面的熔点低的温度，但足够高到引起碳在外层或内表面的表面，即暴露于反应物混合物下的层或表面内沉积。碳的任何合适形式可用作碳源，例如含碳的气体，液体，固体和/或等离子体。示意性的气体可包括，但不限于，二氧化碳，甲烷，乙烷，丙烷或类似物。在另一实例中，可在硼源存在下加热混合器和/或反应器和/或其内表面到足够的温度，但低于内表面的熔点，但足够高到引起硼扩散到表面内并与该材料形成硼化物。在又一实例中，可在氮源存在下加热混合器和/或反应器和/或其内表面到足够的温度，但低于内表面的熔点，从而引起氮扩散到该表面内并与该材料形成氮化物。可使用任何合适的工艺，氮化混合器和/或反应器和/或它的其他组件的内表面。例如，可使用气体渗氮，液体或盐浴渗氮，和离子或等离子体渗氮。在另一实例中，混合器和/或反应器和/或其内表面可经历渗碳和渗氮二者(“碳氮共渗”)，其中碳和氮二者扩散到其内表面内。对混合器和/或反应器和/或其他组件和/或它的内表面进行渗碳，渗硼和/或渗氮可减少或消除来自混合器和/或反应器和/或它的其他组件的金属离子或其他污染物可浸提或在其他情况下从中转移到单体组分，悬浮液和/或乳液和/或凝胶形式的聚合物颗粒中的可能性。
一般地，该方法进一步包括分离聚合物凝胶颗粒和/或碳材料。合适的分离方式包括过滤，滗析溶剂或连续相或其组合。可通过包括干燥分离的聚合物凝胶颗粒，除去挥发物质，例如冷冻干燥，进一步处理分离的产品。
凝胶形式的聚合物颗粒的体均截面长度(Dv,50)可以是大于或等于约0.1mm，大于或等于约0.5mm，大于或等于约1mm，大于或等于约1.5mm，大于或等于约2mm，大于或等于约2.5mm，大于或等于约3mm，大于或等于约3.5mm，大于或等于约4mm，大于或等于约4.5mm，大于或等于约5mm，大于或等于约5.5mm，或大于或等于约6mm。
在一些实施方案中，聚合物颗粒的粒度分布显示出小于1,000，小于900，小于800，小于700，小于600，小于500，小于400，小于300，小于200，小于100，小于90，小于80，小于70，小于60，小于50，小于40，小于30，小于20，小于10，小于5，小于3，小于2，小于1.5，小于1，小于0.9，小于0.8，小于0.7，小于0.6，小于0.5，小于0.4，小于0.3，小于0.2，或小于0.1的多分散性指数(Dv,90-Dv,10)/Dv,50，其中Dv,10，Dv,50和Dv,90分别是在10％，50％和90％体积的粒度分布处的粒度。在一些实施方案中，可实现聚合物粒度分布的两个或更多个群落(population)。例如，所实现的最终的聚合物颗粒分布可由两个或更多个节点(nodes)组成，其中在最高和最低节点之间的比值为小于或等于约1,000，小于或等于约900，小于或等于约800，小于或等于约700，小于或等于约600，小于或等于约500，小于或等于约400或小于或等于约300，小于或等于约200，小于或等于约100，小于或等于约90，小于或等于约80，小于或等于约70，小于或等于约60，小于或等于约50，小于或等于约40，小于或等于约30，小于或等于约20，小于或等于约10，小于或等于约5，小于或等于约3，小于或等于约2，或小于或等于约1.5。
此外，该方法可包括在热解和/或活化之前，冷冻干燥聚合物凝胶颗粒，然而不要求这种干燥，和可在没有干燥的情况下热解聚合物凝胶。在一些实施方案中，可借助在温度小于-10℃，小于-15℃，小于-20℃，小于-30℃，小于-40℃，或小于-50℃的介质内浸渍，冷冻聚合物凝胶颗粒。例如，该介质可以是液氮或在干冰内的乙醇(或其他有机溶剂)或者通过另一方式冷却的乙醇。在一些实施方案中，冷冻干燥包括将冷冻颗粒置于低于约1,000mTorr，低于约1,500mTorr，低于约2,500mTorr，低于约3,000mTorr，或低于约3,500mTorr的真空压力下。或者，在真空下干燥包括将冷冻颗粒置于小于1000mTorr，小于900mTorr，小于800mTorr，小于700mTorr，小于600mTorr，小于500mTorr，小于400mTorr，小于300mTorr，或小于200mTorr的真空压力下。或者，真空干燥包括将冷冻颗粒置于小于约100mTorr，小于90mTorr，小于80mTorr，小于70mTorr，或小于50mTorr的真空压力下。
还预见到快速冷冻聚合物凝胶颗粒的其他方法。例如，在另一实施方案中，通过共-混合或物理混合聚合物凝胶颗粒与合适的冷固体，例如干冰(固体二氧化碳)，快速冷冻聚合物凝胶。另一预见到的方法包括使用在-60℃下的具有金属板的气流冷冻器，从在其表面上分散(scatter)的聚合物凝胶颗粒中快速除去热量。在聚合物凝胶颗粒内快速冷却水的另一方法是通过非常快速地抽(pull)高真空，急速冷冻颗粒(真空度使得对应于平衡蒸汽压的温度提供冷冻)。快速冷冻的又一方法包括混合聚合物凝胶与合适的冷气。在一些实施方案中，冷气的温度可以低于约-10℃。在一些实施方案中，冷气的温度可以低于约-20℃，在一些实施方案中，冷气的温度可以低于约-30℃。在又一其他实施方案中，该气体的温度可以是约-196℃。例如，在一些实施方案中，该气体是氮气。在又一其他实施方案中，该气体的温度可以是约-78℃。例如，在一些实施方案中，该气体是二氧化碳。
在其他实施方案中，在冷冻干燥机的架子上，在等于或低于-20℃的温度下，冷冻聚合物凝胶颗粒。例如，在一些实施方案中，在冷冻干燥机的架子上，在等于或低于-30℃的温度下，冷冻聚合物凝胶颗粒。在一些其他实施方案中，对聚合物凝胶块体进行冷冻解冻循环(从室温到-20℃或更低，和返回到室温)，物理中断冷冻-解冻的凝胶，生成颗粒，然后进一步冷冻加工。例如，在一些实施方案中，对聚合物凝胶块体进行冷冻解冻循环(从室温到-30℃或更低，和返回到室温)，物理中断冷冻-解冻的凝胶，生成颗粒，然后进一步冷冻加工。
在制备微孔材料，中孔材料，和/或大孔材料中，可改变含固量，催化剂，催化剂含量，pH，酚类前体对催化剂之比，和表面活性剂浓度中任何一种，生产微孔，中孔和/或大孔的碳材料。
在一些实施方案中，可制备具有高密度和微孔率的碳材料。可用于这一方面的凝胶配方包括，但不限于，包括大于30％固体，大于5％有机酸催化剂，和酚类前体对催化剂之比小于50的配方。关于这一点的凝胶配方可以含或者可以不含有表面活性剂，例如高于CMC的非离子表面活性剂。
在一些实施方案中，也可通过所公开的方法，制备中孔碳材料。可用于这一方面的配方包括，但不限于，包括小于50％固体，小于25％醋酸，和酚类前体对催化剂之比大于50的配方。关于这一点的凝胶配方可以含或者可以不含有表面活性剂，例如高于CMC的非离子表面活性剂。
本文中所使用的组合物的含固量与本领域技术人员理解的一样，可通过测定加热小的样品，例如1-5g组合物到合适的温度，例如，125℃和足以除去液体的时间时的重量损失来测量。通过测量加热之前和之后的样品重量，可直接计算组合物内的固体％或者在其他情况下进行估算。
在单体组分的聚合过程中，一种或更多种流体，例如，液体和/或气体可被注入到悬浮液和/或乳液中。例如，在聚合过程中，二氧化碳可被导引或者在其他情况下引入到悬浮液和/或乳液中，以导引，控制或在其他情况下调节凝胶形式的聚合物颗粒的结构进展。在预聚物的形成之中和/或在其形成之后，一种或更多种流体也可导引或者在其他情况下引入到预聚物中。
根据本发明公开内容的其他更具体的方法包括制备缩聚物的方法，该方法包括：
a)通过混合表面活性剂，一种或更多种聚合物前体和第一与第二溶剂，制备乳液，悬浮液或其组合，其中第一与第二溶剂彼此不可混溶；和
b)足以在一种或更多种聚合物前体彼此反应并形成缩聚物的温度和时间下老化该乳液。
在前述的某些实施方案中，聚合物前体选自醇，酚类，多元醇，糖，烷基胺，芳胺，醛，酮，羧酸，酯，脲，酰卤，和异氰酸酯。
在一些实施方案中，至少一种聚合物前体是酚类化合物。例如，在一些实施方案中，至少一种聚合物前体是间苯二酚。在仍然其他实施方案中，至少一种聚合物前体是苯酚。在其他实例中，至少一种聚合物前体是醛化合物，例如，至少一种聚合物前体可以是甲醛。
在一些更具体的实施方案中，至少一种聚合物前体是甲醛，至少一种聚合物前体是间苯二酚和缩聚物是间苯二酚-甲醛聚合物。
在一些实施方案中，至少一种聚合物前体是脲，和在其他实施方案中，至少一种聚合物前体是三聚氰胺。
前述方法可进一步包括在乳液内包含电化学改性剂，例如硅或氮。
可如以上部分中所述，改性制备缩聚物的方法的各种反应参数，其中包括聚合物前体的选择，溶剂等，获得具有各种性能的缩聚物。
2.生成聚合物凝胶颗粒(聚合物凝胶颗粒的尺寸减少)
与现有技术的块体技术相反，在进一步处理之前，本发明公开的方法一般地不要求研磨或粉碎。相反，通常过滤该聚合物凝胶颗粒和/或通过滗析，除去溶剂，并在进一步处理之前，任选地干燥(例如，冷冻干燥)该凝胶颗粒。
3.快速冷冻聚合物凝胶
如上所述，该方法的某些实施方案包括在热解和/或活化之前，冷冻干燥；然而，这种干燥是任选的且不包括在一些公开的实施方案内。如上更详细描述的，快速并以多向方式可实现聚合物凝胶颗粒的冷冻。缓慢且单向方式的冷冻，例如通过在冻干机中的搁板冷冻导致具有非常低的表面积的干燥材料。类似地，骤冷(即，通过由抽深度真空而快速冷却聚合物凝胶颗粒来完成的冷冻)还导致具有低的表面积的干燥材料。如本文所公开的，可通过使材料温度快速降低为至少约-10℃或更低，例如-20℃或更低，或者例如至少约-30℃或更低，来完成多向方式的快速冷冻。由于冰晶体的广泛成核，所以聚合物凝胶颗粒的快速冷冻在颗粒内产生了精细冰晶体结构，但几乎没有留下冰晶体生长时间。这提供了冰晶体和烃基体间的高比表面积，必须从冰基体中排除这种高比表面积。
在晶体生长期间促进成核的极快速冷冻的概念也能应用于混合的溶剂体系。在一个实施方案中，当混合的溶剂体系快速冷却时，主要的溶剂组分将在其平衡熔融温度下经历结晶，同时共溶剂的浓度增加并伴随着进一步的冰点降低。当温度进一步降低时，主要溶剂的结晶和共溶剂的浓度增加，直至达到共晶组合物，在该点，共晶组合物经历了从液态至固态的转变，而没有进一步的组分浓缩和产物冷却，直至实现完全冷冻。在水和乙酸(其作为纯物质分别具有0℃和17℃的冰点)的特定情况下，共晶组合物由约59％的乙酸和41％的水组成，并且在约-27℃下冷冻。因此，在一个实施方案中，混合的溶剂体系为共晶组合物，例如，在一个实施方案中，混合的溶剂体系包含59％的乙酸和41％的水。
4.干燥聚合物凝胶
一些实施方案包括任选的干燥步骤。在一个实施方案中，在设定为避免材料坍塌并保持在干燥产物中的精细表面结构和孔隙率的条件下，将凝胶形式的包含精细冰基体的冷冻的聚合物凝胶颗粒冻干。通常，在将产物温度保持低于将以其它方式导致产物孔隙坍塌的温度，由此能使干燥的材料保留所需的表面积的条件下完成干燥。
在干燥的聚合物凝胶结构中反映出最终碳材料的结构，所述干燥的聚合物凝胶结构反过来由该聚合物凝胶性质确定。使用本文所述的溶胶-凝胶处理方法，可在聚合物凝胶中产生这些特征，但若在溶剂去除过程中不细心的话，则该结构将不能保持。感兴趣的是基于冷冻过程的控制而保留聚合物凝胶的初始结构并随着冰晶体形成来改性其结构二者。在一些实施方案中，在干燥之前，聚合物凝胶的含水量范围为约50％-约99％。在某些实施方案中，当干燥时，干燥聚合物凝胶的含水量为小于10％，或者为小于5％或小于2.5％。
约2250微米的冻干机腔室压力导致约-10℃的干燥产物的初级干燥温度。在约2250微米腔室压力或更低的腔室压力下干燥提供了在初级干燥期间的产物温度，其不高于约-10℃。为了进一步说明，约1500微米的腔室压力导致约-15℃的干燥产物初级干燥温度。在约1500微米腔室压力或更低的腔室压力下干燥提供了在初级干燥期间不高于约-15℃的产物温度。为了进一步说明，约750微米的腔室压力导致约-20℃的干燥产物初级干燥温度。在750微米腔室压力或更低的腔室压力下干燥提供了在初级干燥期间不高于约-20℃的产物温度。为了进一步说明，约300微米的腔室压力导致约-30℃的干燥产物初级干燥温度。在300微米腔室压力或更低的腔室压力下干燥提供了在初级干燥期间不高于约-30℃的产物温度。
5.热解并活化聚合物凝胶
可进一步处理以上所述的聚合物凝胶，获得碳材料。这种处理包括例如热解和/或活化。一般地，在热解工艺中，干燥聚合物凝胶被称重并且放置在旋转窑炉中。将温度渐变(temperature ramp)设定为每分钟5℃，设定停留时间和停留温度；由炉子的自然冷却速率确定冷却。整个工艺通常在惰性气氛(如氮气环境)下运行。接着将热解样品移出并且称重。其他热解工艺是本领域的普通技术人员众所周知的。
在一些实施方案中，热解停留时间(期间样品处于所希望的温度下的时间)是约0分钟-约120分钟，约20分钟-约150分钟，约30分钟-约100分钟，约50分钟-约60分钟或约55分钟-约60分钟。
还可以与以上所述的相比更缓慢地进行热解。例如，在一个实施方案中，进行热解约120-480分钟。在其他实施方案中，进行热解约120-240分钟。
在一些实施方案中，热解停留温度范围为约500℃-2400℃。在一些实施方案中，热解停留温度范围为约600℃-1800℃。在其他实施方案中，热解停留温度范围为约700℃-约1200℃。在其他实施方案中，热解停留温度范围为约850℃-约1050℃。在其他实施方案中，热解停留温度范围为约800℃-约900℃。在一些实施方案中，热解停留温度为约600℃或900℃。在一些其他的具体的实施方案中，热解停留温度范围为约550℃-约900℃.
在一些实施方案中，在热解过程期间改变热解停留温度。在一个实施方案中，在具有独立的不同加热区的旋转窑炉中进行热解。从旋转窑炉管的入口到出口端每一区的温度依次降低。在一个实施方案中，在具有独立的不同加热区的旋转窑炉中进行热解，并且从旋转窑炉管的入口到出口端每一区的温度依次增加。
活化时间和活化温度均对所得活性炭材料的性能以及其制造成本有大的影响。活化温度和活化停留时间增加产生更高活化百分比，这通常对应于与更低温度和更短停留时间相比去除更多材料。活化温度也可以改变碳的孔结构，其中更低温度产生更多微孔的碳，而更高温度产生中孔率。这是在更高温度下发生的活化气体扩散限制的反应和在更低温度下发生的反应动力学驱动的反应的结果。更高活化百分比经常使最终活性炭的性能增加，但它也通过降低总产率使成本增加。改善活化程度与以更低成本获得更高性能的产品相对应。
可以通过使热解聚合物凝胶与活化剂接触来活化热解聚合物凝胶。许多气体适用于活化，例如包含氧气的气体。活化气体的非限制性实例包括二氧化碳、一氧化碳、蒸汽、氧气以及其组合。活化剂还可以包括腐蚀性化学品，如酸、碱或盐(例如磷酸、乙酸、柠檬酸、甲酸、乙二酸、尿酸、乳酸、氢氧化钾、氢氧化钠、氯化锌等)。其他活化剂是本领域的普通技术人员已知的。
在一些实施方案中，活化时间为1分钟至48小时。在其他实施方案中，活化时间为10分钟至24小时。在其他实施方案中，活化时间为60分钟至24小时。在其他实施方案中，活化时间为2小时至24小时。在进一步的实施方案中，活化时间为12小时至24小时。在一些其他实施方案中，活化时间为30分钟至8小时。在一些进一步的实施方案中，活化时间为3小时至6小时。
可以使用本领域的普通技术人员已知的许多适合的装置的任何一种来活化热解聚合物凝胶，例如流化床、旋转窖炉、升降窖炉(elevator kiln)、辊道窑炉(roller hearthkiln)、推板窖炉(pusher kiln)等。在活化工艺的一个实施方案中，将样品称重并放置在一个旋转窑炉中，为该旋转窑炉设定自动气体控制歧管以便以每分钟20℃的速率渐变。一旦已达到适当的活化温度，即将二氧化碳引入窑炉环境中持续一段时间。已发生活化之后，将二氧化碳用氮气替换并且使窑炉冷却。在工艺结束时将样品称重以评估活化程度。其他活化工艺是本领域的普通技术人员众所周知的。在本文中公开的一些实施方案中，活化温度可以在从800℃到1300℃范围内。在另一个实施方案中，活化温度可以在从800℃到1050℃范围内。在另一个实施方案中，活化温度可以在从约850℃到约950℃范围内。在另一实施方案中，活化温度是约900℃。在一些实施方案中，活性炭材料，以实现范围为1700-1900m2/g的比表面积。本领域普通技术人员将认识到可以使用更低或更高的其他活化温度。
根据热解干燥聚合物凝胶在活化步骤期间损失的质量百分比来测量活化程度。在本文描述的方法的一个实施方案中，活化包含从5％到90％的活化程度；或从10％到80％的活化程度；在一些情况下，活化包含从40％到70％的活化程度或从45％到65％的活化程度。
B.聚合物凝胶的性能
本发明公开内容的一个实施方案提供通过本文公开的任何一种方法制备的聚合物凝胶。通过所公开的方法制备的聚合物凝胶在许多方面是独特的。在一些实施方案中，该方法产生单分散或近单分散粒度分布的聚合物凝胶。如上所述，可通过许多工艺参数，其中包括搅拌速率，控制聚合物凝胶(和碳材料)的粒度。例如，在一些实施方案中，本发明的公开内容提供一种聚合物凝胶，其粒度分布使得(Dv,90–Dv,10)/Dv,50小于3，其中Dv,10，Dv,50和Dv,90分别是10％，50％和90％体积的粒度分布处的粒度。在一些实施方案中，(Dv,90–Dv,10)/Dv,50小于2和在其他实施方案中，(Dv90–Dv10)/Dv50小于1。
聚合物凝胶颗粒的形状也基本上为球形(参见，例如，图14A)。凝胶的球形性质导致球形的碳材料，这反过来可有助于所需的电化学性能。在一些实施方案中，聚合物凝胶包括多种聚合物凝胶颗粒，其中大于90％的聚合物凝胶颗粒具有球形的几何形状。在其他实施方案中，大于95％的聚合物凝胶颗粒具有球形的几何形状。凝胶形式的聚合物颗粒的粒度可或者表达为平均截面长度。在各种实施方案中，对于球形颗粒的实施方案来说，凝胶形式的聚合物颗粒的平均截面长度的范围可镜像反映(mirror)本文针对体均粒度(Dv,50)描述的实施方案。对于非球形颗粒的其他实施方案来说，就传热和在颗粒内部聚合来说，重要的尺度是最小的特征截面长度(例如，对于棒状颗粒来说，最小的特征截面长度是棒(rod)的直径)。对于非球形颗粒的实施方案来说，最小的特征截面长度的范围可以是本文针对体均粒度(Dv,50)讨论并描述的任何范围。
通过BET分析测定的聚合物凝胶的比表面积范围为约50m2/g-约1000m2/g。在一些实施方案中，比表面积范围为约50m2/g-约100m2/g。在其他实施方案中，比表面积范围为约300m2/g-约700m2/g。在一些其他实施方案中，比表面积范围为约300m2/g-约400m2/g。在一些其他实施方案中，比表面积范围为约400m2/g-约500m2/g。在一些其他实施方案中，比表面积范围为约500m2/g-约600m2/g。在一些其他实施方案中，比表面积范围为约600m2/g-约700m2/g。
聚合物凝胶的总孔容范围为约0.01cc/g-约1.5cc/g。例如，在一些实施方案中，总孔容范围为约0.1cc/g-约0.9cc/g。在其他实施方案中，总孔容范围为约0.2cc/g-约0.8cc/g。在其他实施方案中，总孔容范围为约0.3cc/g-约0.6cc/g。在其他实施方案中，总孔容范围为约0.6cc/g-约0.9cc/g。
在其他实施方案中，聚合物凝胶包括总计小于500ppm原子数范围为11-92的所有其他元素.例如，在一些其他实施方案中，聚合物凝胶包括小于200ppm，小于100ppm，小于50ppm，小于25ppm，小于10ppm，小于5ppm或小于1ppm原子数范围为11-92的所有其他元素。在一些实施方案中，可通过质子诱导的x-射线发射(PIXE)分析，测定聚合物凝胶中的电化学改性剂含量和杂质含量。
在一些实施方案中，聚合物凝胶是干燥的聚合物凝胶，例如，聚合物冻凝胶。在其他实施方案中，干燥的聚合物凝胶是聚合物干凝胶或聚合物气凝胶。在一些实施方案中，聚合物前体选自脂族和芳族醇，脂族和芳族胺，和含羰基的化合物。例如，聚合物前体可选自醇，酚类，多元醇，糖，烷胺，芳胺，醛，酮，羧酸，酯，脲，酰卤和异氰酸酯。在一些具体的实施方案中，由酚类化合物和醛化合物制备聚合物凝胶，例如，在一个实施方案中，可由间苯二酚和甲醛生产聚合物凝胶。在一些实施方案中，可通过使用酸作为反应溶剂，或者通过使用其中溶剂之一是酸的混合溶剂体系，溶解固体酸化合物，从而提供酸度。
所公开的方法的一些实施方案包括在碱性挥发性催化剂存在下，聚合形成聚合物凝胶。因此，在一些实施方案中，聚合物凝胶包括一种或更多种盐。例如，在一些实施方案中，一种或更多种盐是碱性挥发性盐。碱性挥发性盐的实例包括，但不限于，碳酸铵，碳酸氢铵，醋酸铵，氢氧化铵及其组合。因此，在一些实施方案中，本发明的公开内容提供含碳酸铵，碳酸氢铵，醋酸铵，氢氧化铵或其组合的聚合物凝胶。在进一步的实施方案中，聚合物凝胶包括碳酸铵。在其他进一步的实施方案中，聚合物凝胶包括醋酸铵。
所公开的方法可用于制备具有通过PIXE分析测定的高纯度和/或灰分含量的聚合物凝胶。正如本文中描述的，任何故意添加的电化学改性剂不被视为杂质和因此从具体地描述的PIXE和灰分含量值中排除。在一些实施方案中，聚合物凝胶包括低的灰分含量，这可有助于由其制备的碳材料的低灰分含量。因此，在一些实施方案中，聚合物凝胶的灰分含量范围为0.1％-0.001％。在其他实施方案中，聚合物凝胶的灰分含量小于0.1％，小于0.08％，小于0.05％，小于0.03％，小于0.025％，小于0.01％，小于0.0075％，小于0.005％或小于0.001％。
在其他实施方案中，聚合物凝胶的总PIXE杂质含量小于500ppm，并且含灰分量小于0.08％。在进一步的实施方案中，聚合物凝胶的总PIXE杂质含量小于300ppm，并且含灰分量小于0.05％。在另一进一步的实施方案中，聚合物凝胶的总PIXE杂质含量小于200ppm并且含灰分量小于0.02％。在另一进一步的实施方案中，聚合物凝胶的总PIXE杂质含量小于200ppm并且含灰分量小于0.01％。
含杂质的聚合物凝胶通常得到也包括杂质，和因此潜在地非所需的电化学性能的碳材料。因此，本发明公开内容的一个方面是借助所公开的方法制备且具有低水平的残留的非所需的杂质的凝胶形式的聚合物颗粒。可通过质子诱导的x-射线发射来测定在凝胶形式的聚合物颗粒内存在的单独的PIXE杂质量。
在一个或更多个实施方案中，凝胶形式的聚合物颗粒可含有小于1,000ppm，小于700ppm，小于500ppm，小于300ppm，小于100ppm，小于75ppm，小于50ppm，小于25ppm，小于10ppm，小于5ppm，或小于1ppm任何一种或更多种原子数为3-5和/或11-92的金属原子(或金属离子)。例如，在一个或更多个实施方案中，凝胶形式的聚合物颗粒可含有小于1,000ppm，小于700ppm，小于500ppm，小于300ppm，小于100ppm，小于75ppm，小于50ppm，小于25ppm，小于10ppm，小于5ppm，或小于1ppm钠。在一个或更多个实施方案中，凝胶形式的聚合物颗粒可含有小于1,000ppm，小于700ppm，小于500ppm，小于300ppm，小于100ppm，小于75ppm，小于50ppm，小于25ppm，小于10ppm，小于5ppm，或小于1ppm镁。在一个或更多个实施方案中，凝胶形式的聚合物颗粒可含有小于1,000ppm，小于700ppm，小于500ppm，小于300ppm，小于100ppm，小于75ppm，小于50ppm，小于25ppm，小于10ppm，小于5ppm，或小于1ppm硅。在一个或更多个实施方案中，凝胶形式的聚合物颗粒可含有小于1,000ppm，小于700ppm，小于500ppm，小于300ppm，小于100ppm，小于75ppm，小于50ppm，小于25ppm，小于10ppm，小于5ppm，或小于1ppm硫。在一个或更多个实施方案中，凝胶形式的聚合物颗粒可含有小于1,000ppm，小于700ppm，小于500ppm，小于300ppm，小于100ppm，小于75ppm，小于50ppm，小于25ppm，小于10ppm，小于5ppm，或小于1ppm钙。在一个或更多个实施方案中，凝胶形式的聚合物颗粒可含有小于1,000ppm，小于700ppm，小于500ppm，小于300ppm，小于100ppm，小于75ppm，小于50ppm，小于25ppm，小于10ppm，小于5ppm，或小于1ppm铁。在一个或更多个实施方案中，凝胶形式的聚合物颗粒可含有小于1,000ppm，小于700ppm，小于500ppm，小于300ppm，小于100ppm，小于75ppm，小于50ppm，小于25ppm，小于10ppm，小于5ppm，或小于1ppm镍。在一个或更多个实施方案中，凝胶形式的聚合物颗粒可含有小于1,000ppm，小于700ppm，小于500ppm，小于300ppm，小于100ppm，小于75ppm，小于50ppm，小于25ppm，小于10ppm，小于5ppm，或小于1ppm铜。在一个或更多个实施方案中，凝胶形式的聚合物颗粒可含有小于1,000ppm，小于700ppm，小于500ppm，小于300ppm，小于100ppm，小于75ppm，小于50ppm，小于25ppm，小于10ppm，小于5ppm，或小于1ppm铬。在一个或更多个实施方案中，凝胶形式的聚合物颗粒可含有小于1,000ppm，小于700ppm，小于500ppm，小于300ppm，小于100ppm，小于75ppm，小于50ppm，小于25ppm，小于10ppm，小于5ppm，或小于1ppm锌。如上所述，在一些实施方案中，其他杂质，例如氢，氧和/或氮的存在水平范围可以是小于10％，小于9％，小于8％，小于7％，小于6％，小于5％，小于4％，小于3％，小于2％，小于1％，小于0.5％，小于0.1％，小于0.05％，或小于0.01％。
在一些具体的实施方案中，聚合物凝胶包括小于100ppm钠，小于300ppm硅，小于50ppm硫，小于100ppm钙，小于20ppm铁，小于10ppm镍，小于40ppm铜，小于5ppm铬和小于5ppm锌。在其他的具体的实施方案中，聚合物凝胶包括小于50ppm钠，小于100ppm硅，小于30ppm硫，小于50ppm钙，小于10ppm铁，小于5ppm镍，小于20ppm铜，小于2ppm铬和小于2ppm锌。
在其他的具体的实施方案中，聚合物凝胶包括小于50ppm钠，小于50ppm硅，小于30ppm硫，小于10ppm钙，小于2ppm铁，小于1ppm镍，小于1ppm铜，小于1ppm铬和小于1ppm锌。
在一些其他的具体的实施方案中，聚合物凝胶包括小于100ppm钠，小于50ppm镁，小于50ppm铝，小于10ppm硫，小于10ppm氯，小于10ppm钾，小于1ppm铬和小于1ppm锰。
所公开的方法得到含各种比表面积的聚合物凝胶，这取决于确切的反应参数。在不希望束缚于理论的情况下，认为聚合物凝胶的表面积至少部分有助于碳材料的表面积性能。可使用本领域技术人员熟知的BET技术，测量表面积。在本文公开的任何一个方面的一个实施方案中，聚合物凝胶包括至少150m2/g，至少250m2/g，至少400m2/g，至少500m2/g，至少600m2/g，至少700m2/g，至少800m2/g，或至少900m2/g，或至少1000m2/g，或至少1100m2/g的BET比表面积。
在一个实施方案中，聚合物凝胶包括100m2/g-1000m2/g的BET比表面积。或者，聚合物凝胶包括150m2/g至900m2/g的BET比表面积。或者，聚合物凝胶包括400m2/g至800m2/g的BET比表面积。
在一个实施方案中，聚合物凝胶包括0.10g/cc-0.60g/cc的堆密度。在一个实施方案中，聚合物凝胶包括0.15g/cc-0.25g/cc的堆密度。在本发明公开内容的一个实施方案中，聚合物凝胶包括至少150m2/g的BET比表面积和小于0.60g/cc的堆密度。或者，聚合物凝胶包括至少250m2/g的BET比表面积和小于0.4g/cc的堆密度。在另一实施方案中，聚合物凝胶包括至少500m2/g的BET比表面积和小于0.30g/cc的堆密度。
在本文公开的任何一个方面或变体的另一实施方案中，聚合物凝胶包括小于15％，小于13％，小于10％，小于5％或小于1％的残留水含量。
在一个实施方案中，聚合物凝胶所包含的为500埃或低于500埃的孔隙的分数孔容占总孔容的至少25％，总孔容的至少50％，总孔容的至少75％，总孔容的至少90％或总孔容的至少99％。在另一实施方案中，聚合物凝胶所包含的为20nm或低于20nm的孔隙的分数孔容占总孔容的至少50％、总孔容的至少75％、总孔容的至少90％或总孔容的至少99％。
在一些实施方案中，在0.05的相对压力下，单位质量的聚合物凝胶吸收的氮气量是在最多0.99的相对压力下所吸收的总氮气的至少10％或者是在最多0.99的相对压力下所吸收的总氮气的至少20％。在另一实施方案中，在0.05的相对压力下，单位质量的聚合物凝胶吸收的氮气量是在最多0.99的相对压力下所吸收的总氮气的10％至50％，是在最多0.99的相对压力下所吸收的总氮气的20％至60％或者是最多0.99的相对压力下所吸收的总氮气的20％至30％。
在一个实施方案中，聚合物凝胶包括100nm或低于100nm的孔隙的孔隙表面积分数，其包括至少50％的总孔隙表面积、至少75％的总孔隙表面积、至少90％的总孔隙表面积或至少99％的总孔隙表面积。在另一实施方案中，聚合物凝胶包括20nm或低于20nm的孔隙的孔隙表面积分数，其包括至少50％的总孔隙表面积、至少75％的总孔隙表面积、至少90％的总孔隙表面积或至少99％的总孔隙表面积。
如上更加详细地描述的，制备所公开的碳材料的方法可包括热解聚合物凝胶。在一些实施方案中，热解的聚合物凝胶的表面积为约100-约1200m2/g。在其他实施方案中，热解的聚合物凝胶的表面积为约500-约800m2/g。在其他实施方案中，热解的聚合物凝胶的表面积为约500-约700m2/g。
在其他实施方案中，热解的聚合物凝胶的堆密度为约0.1-约1.0g/cc。在其他实施方案中，热解的聚合物凝胶的堆密度为约0.3-约0.6g/cc。在其他实施方案中，热解的聚合物凝胶的堆密度为约0.3-约0.5g/cc。
在一些实施方案中，聚合物凝胶显示出范围为约4μm-约10mm的平均粒径。在其他实施方案中，平均粒径范围为约1μm-约4mm。在其他实施方案中，平均粒径范围为约10μm-约1mm。在再一其他实施方案中，平均粒径范围为约20μm-约500μm。在仍然其他实施方案中，平均粒径范围为约500μm-约4mm。在又一其他实施方案中，平均粒径范围为约2μm-约300μm。在其他实施方案中，平均粒径范围为约100μm-约10μm。在一些实施方案中，平均粒径为约0.9mm，约0.8mm或约0.5mm。在其他实施方案中，平均粒径为约100μm，约50μm或约10μm。
在仍然其他实施方案中，聚合物凝胶包括单分散或近单分散的粒度分布。例如，在一些实施方案中，聚合物凝胶的粒度分布使得(Dv,90–Dv,10)/Dv,50小于3，其中Dv,10，Dv,50和Dv,90分别是10％，50％和90％体积的粒度分布处的粒度。在进一步的实施方案中，(Dv,90–Dv,10)/Dv,50小于2或甚至小于1。在仍然其他实施方案中，(Dv,90–Dv,10)/Dv,50小于1,000，小于100，小于10，小于5，小于3，小于2，小于1.5或甚至小于1。
在又一其他实施方案中，聚合物凝胶颗粒具有基本上球形的几何形状(参见例如，图23A)。在以下更加详细地讨论的所得碳颗粒的一些实施方案中，这种几何形状有助于球形的几何形状。在一些实施方案中，聚合物凝胶包括多种聚合物凝胶颗粒，其中大于90％的聚合物凝胶颗粒具有球形的几何形状。例如，在一些实施方案中，大于95％的聚合物凝胶颗粒具有球形的几何形状。
由于聚合物凝胶可包括电化学改性剂，因此，凝胶中的元素含量可以发生变化。在一些实施方案中，聚合物凝胶包括大于约100ppm电化学改性剂。在某些实施方案中，电化学改性剂选自氮，铁，锡，硅，镍，铝和锰。在一些实施方案中，电化学改性剂是硅和在其他实施方案中，电化学改性剂是氮。
控制聚合物凝胶内的电化学改性剂含量到最终碳材料的所需的水平。因此，在一些实施方案中，聚合物凝胶包括至少0.10％，至少0.25％，至少0.50％，至少1.0％，至少5.0％，至少10％，至少25％，至少50％，至少75％，至少90％，至少95％，至少99％或至少99.5％的电化学改性剂。例如，在一些实施方案中，聚合物凝胶包括0.5％至99.5％碳和0.5％至99.5％电化学改性剂。电化学改性剂％以重量％(wt％)为基础计算。
C.碳材料的性能
本发明公开内容的一个实施方案提供通过本文公开的任何一种方法制备的碳材料。相对于含其他已知的碳材料的装置，碳材料的孔度分布可有助于含该碳材料的电学装置的优异性能。例如，在一些实施方案中，碳材料包括微孔和中孔二者的优化的共混物，且当热解和/或活化时，也可包括低表面官能度。在其他实施方案中，碳材料包括总计小于500ppm原子序数范围为11-92的所有元素，这通过质子诱导的x-射线发射来测量。高纯度和优化的微孔和/或中孔分布使得碳材料理想地应用于电储存和分配装置，例如超级电容器中。
在不希望束缚于理论的情况下，申请人认为，所公开的碳材料的优化的孔度分布，以及高纯度可至少部分有助于所公开的乳液/悬浮聚合方法。以下更加详细地讨论了所公开的碳材料的性能，及其制备方法。
在不希望束缚于理论的情况下，认为除了孔结构以外，碳材料的纯度曲线，表面积和其他性能是其制备方法的函数，和制备参数的变化可得到具有不同性能的碳材料。因此，在一些实施方案中，碳材料是热解的干燥聚合物凝胶，例如，热解聚合物冻凝胶，热解聚合物干凝胶或热解聚合物气凝胶。在其他实施方案中，碳材料被热解并活化(例如，合成的活性炭材料)。例如，在进一步的实施方案中，碳材料是活化干燥聚合物凝胶，活化聚合物冻凝胶，活化聚合物干凝胶或活化聚合物气凝胶。
如上所述，活化的碳颗粒广泛地用作储能材料。关于这一点，一个极其重要的特性是高功率密度，这在具有低离子电阻并且产生高频率响应的电极情况下是有可能的。重要的是实现低离子电阻，例如在装置对循环性能作出响应的能力是一个限制因素的情形中。所公开的方法可用于制备碳材料，所述碳材料解决了如何优化电极配制品和最大化电能储存和分配装置的功率性能的问题。包含碳材料的装置显示出长期稳定性、快速响应时间以及高脉冲功率性能。
在一些实施方案中，所公开的方法生产含微孔和/或中孔结构的碳材料，所述结构典型地用在微孔或中孔或二者内残留的总孔容分数(％)描述。因此，在一些实施方案中，碳材料的孔结构可包括从低至约20％，约23％，约25％，约27％，约30％，约33％，约35％，或约37％到高至约45％，约47％，约50％，约53％，约55％，约60％，约65％，约70％，约75％，约80％，约85％，或约90％微孔。在其他实施方案中，碳材料的孔结构可包括30％-70％微孔。在其他实施方案中，碳材料的孔结构可包括40％-60％微孔。在其他实施方案中，碳材料的孔结构可包括40％-50％微孔。在其他实施方案中，碳材料的孔结构可包括43％-47％微孔，40％-50％微孔，40％-45％微孔，43％-47％微孔，或42％-48％微孔。在某些实施方案中，碳材料的孔结构包括约45％微孔。
碳材料的中孔率可有助于高的离子迁移率和低的电阻。在一些实施方案中，碳材料的孔结构可包括从低至约20％，约23％，约25％，约27％，约30％，约33％，约35％，或约37％到高至约45％，约47％，约50％，约53％，约55％，约60％，约65％，约70％，约75％，或约80％中孔。在其他实施方案中，碳材料的孔结构可包括30％-70％中孔。在其他实施方案中，碳材料的孔结构可包括40％-60％中孔。在其他实施方案中，碳材料的孔结构可包括50％-60％中孔。在其他实施方案中，碳材料的孔结构可包括53％-57％中孔，50％-60％中孔，51％-59％中孔，52％-58％中孔，或54％-56％中孔。在其他实施方案中，碳材料的孔结构包括约55％中孔。
在碳材料内部微孔和中孔的优化的共混物可有助于碳材料提高的电化学性能。因此，在一些实施方案中，碳材料的孔结构包括从低至约20％，约23％，约25％，约27％，约30％，约33％，约35％，或约37％到高至约45％，约47％，约50％，约53％，约55％，约60％，约65％，约70％，约75％，或约80％微孔，和从低至约20％，约23％，约25％，约27％，约30％，约33％，约35％，或约37％到高至约45％，约47％，约50％，约53％，约55％，约60％，约65％，约70％，约75％，或约80％中孔。在其他实施方案中，碳材料的孔结构包括30％-70％微孔和30％-70％中孔。在其他实施方案中，碳材料的孔结构包括40％-60％微孔和40％-60％中孔。在其他实施方案中，碳材料的孔结构包括40％-50％微孔和50％-60％中孔。在其他实施方案中，碳材料的孔结构包括43％-47％微孔和53％-57％中孔。在其他实施方案中，碳材料的孔结构包括约45％微孔和约55％中孔。
在其他变通方案中，碳材料不具有大于20nm的孔的显著大的体积。例如，在某些实施方案中，碳材料包括小于25％，小于20％，小于15％，小于10％，小于5％，小于2.5％或甚至小于1％在大于20nm的孔内的总孔容。
碳材料的孔隙率有助于它们提高的电化学性能。因此，在一个实施方案中，碳材料包括在小于20埃的孔隙内残留至少1.8cc/g，至少1.2，至少0.6，至少0.30cc/g，至少0.25cc/g，至少0.20cc/g或至少0.15cc/g的孔容。在其他实施方案中，碳材料包括在大于20埃的孔隙内残留至少7cc/g，至少5cc/g，至少4.00cc/g，至少3.75cc/g，至少3.50cc/g，至少3.25cc/g，至少3.00cc/g，至少2.75cc/g，至少2.50cc/g，至少2.25cc/g，至少2.00cc/g，至少1.90cc/g，1.80cc/g，1.70cc/g，1.60cc/g，1.50cc/g，1.40cc/g，至少1.30cc/g，至少1.20cc/g，至少1.10cc/g，至少1.00cc/g，至少0.85cc/g，至少0.80cc/g，至少0.75cc/g，至少0.70cc/g，至少0.65cc/g，至少0.50cc/g，至少0.4cc/g，至少0.2cc/g或至少0.1cc/g的孔容。
在其他实施方案中，对于范围为20埃-500埃的孔隙来说，碳材料包括至少7.00cc/g，至少5.00cc/g，至少4.00cc/g，至少3.75cc/g，至少3.50cc/g，至少3.25cc/g，至少3.00cc/g，至少2.75cc/g，至少2.50cc/g，至少2.25cc/g，至少2.00cc/g，至少1.90cc/g，1.80cc/g，1.70cc/g，1.60cc/g，1.50cc/g，至少1.40cc/g，至少1.30cc/g，至少1.20cc/g，至少1.0cc/g，至少0.8cc/g，至少0.6cc/g，至少0.4cc/g，至少0.2cc/g或至少0.1cc/g的孔容。
在其他实施方案中，对于范围为20埃-300埃的孔隙来说，碳材料包括至少至少7.00cc/g，至少5.00cc/g，4.00cc/g，至少3.75cc/g，至少3.50cc/g，至少3.25cc/g，至少3.00cc/g，至少2.75cc/g，至少2.50cc/g，至少2.25cc/g，至少2.00cc/g，至少1.90cc/g，1.80cc/g，1.70cc/g，1.60cc/g，1.50cc/g，1.40cc/g，至少1.30cc/g，至少1.20cc/g，至少1.10cc/g，至少1.00cc/g，至少0.85cc/g，至少0.80cc/g，至少0.75cc/g，至少0.70cc/g，至少0.65cc/g，至少0.50cc/g，至少1.40cc/g，至少1.30cc/g，至少1.20cc/g，至少1.0cc/g，至少0.8cc/g，至少0.6cc/g，至少0.4cc/g，至少0.2cc/g或至少0.1cc/g的孔容。
在其他实施方案中，对于范围为20埃-1000埃的孔隙来说，碳材料包括至少7cc/g，至少5cc/g，至少4.00cc/g，至少3.75cc/g，至少3.50cc/g，至少3.25cc/g，至少3.00cc/g，至少2.75cc/g，至少2.50cc/g，至少2.25cc/g，至少2.00cc/g，至少1.90cc/g，1.80cc/g，1.70cc/g，1.60cc/g，1.50cc/g，1.40cc/g，至少1.30cc/g，至少1.20cc/g，至少1.0cc/g，至少0.8cc/g，至少0.6cc/g，至少0.4cc/g，至少0.2cc/g，至少0.1cc/g的孔容。
在其他实施方案中，对于范围为20埃-2000埃的孔隙来说，碳材料包括至少7cc/g，至少5cc/g，至少4.00cc/g，至少3.75cc/g，至少3.50cc/g，至少3.25cc/g，至少3.00cc/g，至少2.75cc/g，至少2.50cc/g，至少2.25cc/g，至少2.00cc/g，至少1.90cc/g，1.80cc/g，1.70cc/g，1.60cc/g，1.50cc/g，1.40cc/g，至少1.30cc/g，至少1.20cc/g，至少1.0cc/g，至少0.8cc/g，至少0.6cc/g，至少0.4cc/g，至少0.2cc/g，至少0.1cc/g的孔容。
在其他实施方案中，对于范围为20埃-5000埃的孔隙来说，碳材料包括至少7cc/g，至少5cc/g，至少4.00cc/g，至少3.75cc/g，至少3.50cc/g，至少3.25cc/g，至少3.00cc/g，至少2.75cc/g，至少2.50cc/g，至少2.25cc/g，至少2.00cc/g，至少1.90cc/g，1.80cc/g，1.70cc/g，1.60cc/g，1.50cc/g，1.40cc/g，至少1.30cc/g，至少1.20cc/g，至少1.0cc/g，至少0.8cc/g，至少0.6cc/g，至少0.4cc/g，至少0.2cc/g，至少0.1cc/g的孔容。
在其他实施方案中，对于范围为20埃-1微米的孔隙来说，碳材料包括至少7cc/g，至少5cc/g，至少4.00cc/g，至少3.75cc/g，至少3.50cc/g，至少3.25cc/g，至少3.00cc/g，至少2.75cc/g，至少2.50cc/g，至少2.25cc/g，至少2.00cc/g，至少1.90cc/g，1.80cc/g，1.70cc/g，1.60cc/g，1.50cc/g，1.40cc/g，至少1.30cc/g，至少1.20cc/g，至少1.0cc/g，至少0.8cc/g，至少0.6cc/g，至少0.4cc/g，至少0.2cc/g，至少0.1cc/g的孔容。
在其他实施方案中，对于范围为20埃-2微米的孔隙来说，碳材料包括至少7cc/g，至少5cc/g，至少4.00cc/g，至少3.75cc/g，至少3.50cc/g，至少3.25cc/g，至少3.00cc/g，至少2.75cc/g，至少2.50cc/g，至少2.25cc/g，至少2.00cc/g，至少1.90cc/g，1.80cc/g，1.70cc/g，1.60cc/g，1.50cc/g，1.40cc/g，至少1.30cc/g，至少1.20cc/g，至少1.0cc/g，至少0.8cc/g，至少0.6cc/g，至少0.4cc/g，至少0.2cc/g，至少0.1cc/g的孔容。
在其他实施方案中，对于范围为20埃-3微米的孔来说，碳材料包括至少7cc/g，至少5cc/g，至少4.00cc/g，至少3.75cc/g，至少3.50cc/g，至少3.25cc/g，至少3.00cc/g，至少2.75cc/g，至少2.50cc/g，至少2.25cc/g，至少2.00cc/g，至少1.90cc/g，1.80cc/g，1.70cc/g，1.60cc/g，1.50cc/g，1.40cc/g，至少1.30cc/g，至少1.20cc/g，至少1.0cc/g，至少0.8cc/g，至少0.6cc/g，至少0.4cc/g，至少0.2cc/g，至少0.1cc/g的孔容。
在其他实施方案中，对于范围为20埃-4微米的孔来说，碳材料包括至少7cc/g，至少5cc/g，至少4.00cc/g，至少3.75cc/g，至少3.50cc/g，至少3.25cc/g，至少3.00cc/g，至少2.75cc/g，至少2.50cc/g，至少2.25cc/g，至少2.00cc/g，至少1.90cc/g，1.80cc/g，1.70cc/g，1.60cc/g，1.50cc/g，1.40cc/g，至少1.30cc/g，至少1.20cc/g，至少1.0cc/g，至少0.8cc/g，至少0.6cc/g，至少0.4cc/g，至少0.2cc/g，至少0.1cc/g的孔容。
在其他实施方案中，对于范围为20埃-5微米的孔来说，碳材料包括至少7cc/g，至少5cc/g，至少4.00cc/g，至少3.75cc/g，至少3.50cc/g，至少3.25cc/g，至少3.00cc/g，至少2.75cc/g，至少2.50cc/g，至少2.25cc/g，至少2.00cc/g，至少1.90cc/g，1.80cc/g，1.70cc/g，1.60cc/g，1.50cc/g，1.40cc/g，至少1.30cc/g，至少1.20cc/g，至少1.0cc/g，至少0.8cc/g，至少0.6cc/g，至少0.4cc/g，至少0.2cc/g，至少0.1cc/g的孔容。
在又一其他实施方案中，碳材料包括至少4.00cc/g，至少3.75cc/g，至少3.50cc/g，至少3.25cc/g，至少3.00cc/g，至少2.75cc/g，至少2.50cc/g，至少2.25cc/g，至少2.00cc/g，至少1.90cc/g，1.80cc/g，1.70cc/g，1.60cc/g，1.50cc/g，1.40cc/g，至少1.30cc/g，至少1.20cc/g，至少1.10cc/g，至少1.00cc/g，至少0.85cc/g，至少0.80cc/g，至少0.75cc/g，至少0.70cc/g，至少0.65cc/g，至少0.60cc/g，至少0.55cc/g，至少0.50cc/g，至少0.45cc/g，至少0.40cc/g，至少0.35cc/g，至少0.30cc/g，至少0.25cc/g，至少0.20cc/g或至少0.10cc/g的总孔容。
在又一其他实施方案中，碳材料包括存在于小于20埃的孔隙中的孔容为至少0.2cc/g并且存在于20与300埃之间的孔隙中的孔容为至少0.8cc/g。在又一其他实施方案中，碳材料所包含的存在于小于20埃的孔隙中的孔容为至少0.5cc/g并且存在于20与300埃之间的孔隙中的孔容为至少0.5cc/g。在又一其他实施方案中，碳材料所包含的存在于小于20埃的孔隙中的孔容为至少0.6cc/g并且存在于20与300埃之间的孔隙中的孔容为至少2.4cc/g。在又一其他实施方案中，碳材料所包含的存在于小于20埃的孔隙中的孔容为至少1.5cc/g并且存在于20与300埃之间的孔隙中的孔容为至少1.5cc/g。
在一些实施方案中，碳材料的孔包括范围为2nm-10nm的峰值孔容。在其他实施方案中，峰值孔容范围为10nm-20nm。在再一其他实施方案中，峰值孔容范围为20nm-30nm。在仍然其他实施方案中，峰值孔容范围为30nm-40nm。在又一其他实施方案中，峰值孔容范围为40nm-50nm。在其他实施方案中，峰值孔容范围为50nm-100nm。
在某些实施方案中，通过所公开的方法制备在微孔区中具有低孔容(例如小于60％、小于50％、小于40％、小于30％、小于20％微孔率)的中孔碳材料。例如，中孔碳可以是一种已热解但未活化的聚合物凝胶。在一些实施方案中，热解中孔碳包含至少400m2/g，至少500m2/g，至少600m2/g，至少675m2/g或至少750m2/g的比表面积。在其他实施方案中，中孔碳材料所包含的总孔容为至少0.50cc/g，至少0.60cc/g，至少0.70cc/g，至少0.80cc/g或至少0.90cc/g。在又一其他实施方案中，中孔碳材料所包含的堆密度为至少0.30g/cc，至少0.35g/cc，至少0.40g/cc，至少0.45g/cc，至少0.50g/cc或至少0.55g/cc。
在其他实施方案中，碳材料包括大于或等于0.1cc/g的总孔容范围，和在其他实施方案中，碳材料包括小于或等于0.6cc/g的总孔容。在其他实施方案中，碳材料包括约0.1cc/g-约0.6cc/g的总孔容范围。在一些其他实施方案中，碳材料的总孔容范围为约0.1cc/g-约0.2cc/g。在一些其他实施方案中，碳材料的总孔容范围为约0.2cc/g-约0.3cc/g。在一些其他实施方案中，碳材料的总孔容范围为约0.3cc/g-约0.4cc/g。在一些其他实施方案中，碳材料的总孔容范围为约0.4cc/g-约0.5cc/g。在一些其他实施方案中，碳材料的总孔容范围为约0.5cc/g-约0.6cc/g。
碳材料包括低的总PIXE杂质。因此，在一些实施方案中，在碳材料内所有其他PIXE元素的总PIXE杂质含量(这通过质子诱导的x-射线发射来测量)小于1000ppm。在其他实施方案中，在碳材料内所有其他PIXE元素的总PIXE杂质含量小于800ppm，小于500ppm，小于300ppm，小于200ppm，小于150ppm，小于100ppm，小于50ppm，小于25ppm，小于10ppm，小于5ppm或小于1ppm。在前述的进一步的实施方案中，碳材料是热解的干燥聚合物凝胶，热解聚合物冻凝胶，热解聚合物干凝胶，热解聚合物气凝胶，活化的干燥聚合物凝胶，活化的聚合物冻凝胶，活化的聚合物干凝胶或活化的聚合物气凝胶。
除了非所需的PIXE杂质的低含量以外，所公开的碳材料可包括高的总碳含量。除了碳以外，该碳材料也可包括氧，氢，氮和电化学改性剂。在一些实施方案中，该材料包括至少75％碳，80％碳，85％碳，至少90％碳，至少95％碳，至少96％碳，至少97％碳，至少98％碳或至少99％碳，以重量/重量为基础。在一些其他实施方案中，碳材料包括小于10％氧，小于5％氧，小于3.0％氧，小于2.5％氧，小于1％氧或小于0.5％氧，以重量/重量为基础。在其他实施方案中，碳材料包括小于10％氢，小于5％氢，小于2.5％氢，小于1％氢，小于0.5％氢或小于0.1％氢，以重量/重量为基础。在其他实施方案中，碳材料包括小于5％氮，小于2.5％氮，小于1％氮，小于0.5％氮，小于0.25％氮或小于0.01％氮，以重量/重量为基础。可通过燃烧分析，测定所公开的碳材料中的氧，氢和氮含量。通过燃烧分析测定元素组成的技术是本领域熟知的。
在其他实施方案中，碳含量大于98wt％，这通过CHNO分析来测量。在另一实施方案中，碳含量范围为总质量的50-98wt％。在又一其他实施方案中，碳含量范围为总质量的90wt％-98wt％。在又一其他实施方案中，碳含量范围为总质量的80wt％-90wt％。在又一其他实施方案中，碳含量范围为总质量的70wt％-80wt％。在又一其他实施方案中，碳含量范围为总质量的60wt％-70wt％。
在另一实施方案中，氮含量范围为0wt％-30wt％，这通过CHNO分析来测量。在另一实施方案中，氮含量范围为总质量的1wt％-10wt％。在又一其他实施方案中，氮含量范围为总质量的10wt％-20wt％。在又一其他实施方案中，氮含量范围为总质量的20wt％-30wt％。在另一实施方案中，氮含量大于30wt％。
也可以C:N之比形式测量碳和氮的含量。在一个实施方案中，C:N之比的范围为1:0.001-1:1。在另一实施方案中，C:N之比的范围为1:0.001-0.01。在又一实施方案中，C:N之比的范围为1:0.01-1:1。在又一实施方案中，氮含量超过碳含量。
碳材料也可包括电化学改性剂或(即，掺杂剂)。可选择电化学改性剂，以优化碳材料的电化学性能。可在开始如上所述的聚合步骤之前，之中和/或之后，添加电化学改性剂。例如，可将电化学改性剂加入到以上所述的反应混合物，连续相或聚合物相中，或者以任何其他方式包括在聚合工艺内。
可将电化学改性剂结合到孔结构内部和/或碳材料的表面上或者以许多其他方式中的任何一种结合。例如，在一些实施方案中，碳材料包括在碳材料表面上的电化学改性剂(例如，Al2O3)涂层。在一些实施方案中，碳材料包括大于约100ppm的电化学改性剂。在某些实施方案中，电化学改性剂选自铁，锡，硅，镍，铝和锰。在一些实施方案中，电化学改性剂是硅，和在其他实施方案中，电化学改性剂是氮。
在某些实施方案中，电化学改性剂包括相对于锂金属，能从3锂化(lithiate)到0V的元素(例如，硅，锡，硫)。在其他实施方案中，电化学改性剂包括相对于锂金属，能从3锂化(lithiate)到0V的金属氧化物(例如，铁的氧化物，钼的氧化物，钛的氧化物)。在仍然其他实施方案中，电化学改性剂包括相对于锂金属，不从3锂化到0V的元素(例如，铝，锰，镍，金属-磷酸盐)。在又一其他实施方案中，电化学改性剂包括非-金属元素(例如，氟，氮，氢)。在仍然其他实施方案中，电化学改性剂包括前述任何一种电化学改性剂或其任何组合(例如，锡-硅，镍-钛的氧化物)。
可以以许多形式中的任何一种提供电化学改性剂。例如，在一些实施方案中，电化学改性剂包括盐。在其他实施方案中，电化学改性剂包括元素形式的一种或更多种元素，例如元素铁，锡，硅，镍或锰。在其他实施方案中，电化学改性剂包括氧化形式的一种或更多种元素，例如铁的氧化物，锡的氧化物，硅的氧化物，镍的氧化物，铝的氧化物或锰的氧化物。
在其他实施方案中，电化学改性剂包括铁。在其他实施方案中，电化学改性剂包括锡。在其他实施方案中，电化学改性剂包括硅。在一些其他实施方案中，电化学改性剂包括镍。在又一其他实施方案中，电化学改性剂包括铝。在又一其他实施方案中，电化学改性剂包括锰。在又一其他实施方案中，电化学改性剂包括Al2O3。
可通过在碳材料内的电化学改性剂用量，至少部分改性碳材料的电化学性能。因此，在一些实施方案中，碳材料包括至少0.10％，至少0.25％，至少0.50％，至少1.0％，至少5.0％，至少10％，至少25％，至少50％，至少75％，至少90％，至少95％，至少99％或至少99.5％的电化学改性剂。例如，在一些实施方案中，碳材料包括0.5％至99.5％碳和0.5％至99.5％电化学改性剂。以重量％(wt％)为基础，计算电化学改性剂％。在一些其他的更具体的实施方案中，电化学改性剂选自铁，锡，硅，镍和锰。
在一些情况下，碳材料中的总灰分含量可对碳材料的电化学性能具有影响。因此，在一些实施方案中，碳材料的灰分含量范围为0.1％-0.001％的重量百分比的灰分，例如，在一些具体的实施方案中，碳材料的灰分含量为小于0.1％，小于0.08％，小于0.05％，小于0.03％，小于(than)0.025％，小于0.01％，小于0.0075％，小于0.005％或小于0.001％。
在其他实施方案中，碳材料包括小于500ppm的总PIXE杂质含量和小于0.08％的灰分含量。在进一步的实施方案中，碳材料包括小于300ppm的总PIXE杂质含量和小于0.05％的灰分含量。在其他进一步的实施方案中，碳材料包括小于200ppm的总PIXE杂质含量和小于0.05％的灰分含量。在其他进一步的实施方案中，碳材料包括小于200ppm的总PIXE杂质含量和小于0.025％的灰分含量。在其他进一步的实施方案中，碳材料包括小于100ppm的总PIXE杂质含量和小于0.02％的灰分含量。在其他进一步的实施方案中，碳材料包括小于50ppm的总PIXE杂质含量和小于0.01％的灰分含量。
可通过质子诱导的x-射线发射，测定在所公开的碳材料内存在的单独的PIXE杂质含量。单独的PIXE杂质可在不同的方式上对所公开的碳材料的综合电化学性能作出贡献。因此，在一些实施方案中，在碳材料内存在的钠水平可以是小于1000ppm，小于500ppm，小于100ppm，小于50ppm，小于10ppm，或小于1ppm。如上所述，在一些实施方案中，其他杂质，例如氢，氧和/或氮可以以范围为从小于10％到小于0.01％的水平存在。
在一些实施方案中，碳材料包括接近或低于质子诱导的x-射线发射分析的检测极限的非所需的PIXE杂质。例如，在一些实施方案中，碳材料包括小于50ppm钠，小于15ppm镁，小于10ppm铝，小于8ppm硅，小于4ppm磷，小于3ppm硫，小于3ppm氯，小于2ppm钾，小于3ppm钙，小于2ppm钪，小于1ppm钛，小于1ppm钒，小于0.5ppm铬，小于0.5ppm锰，小于0.5ppm铁，小于0.25ppm钴，小于0.25ppm镍，小于0.25ppm铜，小于0.5ppm锌，小于0.5ppm镓，小于0.5ppm锗，小于0.5ppm砷，小于0.5ppm硒，小于1ppm溴，小于1ppm铷，小于1.5ppm锶，小于2ppm钇，小于3ppm锆，小于2ppm铌，小于4ppm钼，小于4ppm锝，小于7ppm铷，小于6ppm铑，小于6ppm钯，小于9ppm银，小于6ppm镉，小于6ppm铟，小于5ppm锡，小于6ppm锑，小于6ppm碲，小于5ppm碘，小于4ppm铯，小于4ppm的钡，小于3ppm镧，小于3ppm铈，小于2ppm镨，小于2ppm钕，小于1.5ppm钷，小于1ppm钐，小于1ppm铓，小于1ppm钆，小于1ppm铽，小于1ppm镝，小于1ppm钬，小于1ppm铒，小于1ppm铥，小于1ppm镱，小于1ppm镥，小于1ppm铪，小于1ppm钽，小于1ppm钨，小于1.5ppm铼，小于1ppm锇，小于1ppm铱，小于1ppm铂，小于1ppm银，小于1ppm汞，小于1ppm铊，小于1ppm铅，小于1.5ppm铋，小于2ppm钍、或小于4ppm铀。
在一些具体的实施方案中，碳材料包括小于100ppm钠，小于300ppm硅，小于50ppm硫，小于100ppm钙，小于20ppm铁，小于10ppm镍，小于140ppm铜，小于5ppm铬和小于5ppm锌，这通过质子诱导的x-射线发射来测量。在其他的具体的实施方案中，碳材料包括小于50ppm钠，小于30ppm硫，小于100ppm硅，小于50ppm钙，小于10ppm铁，小于5ppm镍，小于20ppm铜，小于2ppm铬和小于2ppm锌。
在其他的具体的实施方案中，碳材料包括小于50ppm钠，小于50ppm硅，小于30ppm硫，小于10ppm钙，小于2ppm铁，小于1ppm镍，小于1ppm铜，小于1ppm铬和小于1ppm锌。
在一些其他的具体的实施方案中，碳材料包括小于100ppm钠，小于50ppm镁，小于50ppm铝，小于10ppm硫，小于10ppm氯，小于10ppm钾，小于1ppm铬和小于1ppm锰。
所公开的碳材料也可包括高的表面积。尽管不希望束缚于理论，但认为高的表面积可至少部分有助于它们优异的电化学性能。因此，在一些实施方案中，碳材料包括至少100m2/g，至少300m2/g，至少500m2/g，至少1000m2/g，至少1500m2/g，至少2000m2/g，至少2400m2/g，至少2500m2/g，至少2750m2/g或至少3000m2/g的BET比表面积。在其他实施方案中，BET比表面积范围为约100m2/g-约3000m2/g，例如约500m2/g-约1000m2/g，约1000m2/g-约1500m2/g，约1500m2/g-约2000m2/g，约2000m2/g-约2500m2/g或约2500m2/g-约3000m2/g。例如，在前述的一些实施方案中，碳材料被活化。
在一些具体的实施方案中，表面积范围为约50m2/g-约1200m2/g，例如约50m2/g-约400m2/g。在其他特别的实施方案中，表面积范围为约200m2/g-约300m2/g。例如，表面积可以是约250m2/g。
在另一实施方案中，碳材料包括0.1至1.0g/cc，0.2至0.8g/cc，0.3至0.5g/cc或0.4至0.5g/cc的堆密度。在另一实施方案中，碳材料的总孔容为至少0.1cc/g，至少0.2cc/g，至少0.3cc/g，至少0.4cc/g，至少0.5cc/g，至少0.7cc/g，至少0.75cc/g，至少0.9cc/g，至少1.0cc/g，至少1.1cc/g，至少1.2cc/g，至少1.3cc/g，至少1.4cc/g，至少1.5cc/g或至少1.6cc/g。
所公开的碳材料的孔度分布是可对碳材料的电化学性能具有影响的一个参数。例如，碳材料可包括具有短的有效长度(即，小于10nm，小于5nm，或小于3nm，这通过TEM测量)的中孔，这会降低离子扩散的距离且可用于提高离子的传输和最大化功率。因此，在一个实施方案中，碳材料所包括的为或低于100nm的孔隙的分数孔容占总孔容的至少50％，总孔容的至少75％，总孔容的至少90％或总孔容的至少99％。在其他实施方案中，碳材料所包括的为或低于20nm的孔隙的分数孔容占总孔容的至少50％，总孔容的至少75％，总孔容的至少90％或总孔容的至少99％。
在另一实施方案中，碳材料所包含的20至300埃的孔隙的分数孔表面积占总的孔表面积的至少40％，总的孔表面积的至少50％，总的孔表面积的至少70％或总的孔表面积的至少80％。在另一实施方案中，碳材料所包含的为或低于20nm的孔隙的分数孔表面积占总的孔表面积的至少20％，总的孔表面积的至少30％，总的孔表面积的至少40％，或总的孔表面积的至少50％。
在另一实施方案中，碳材料所包含的为或低于100nm的孔隙的分数孔表面积占总的孔表面积的至少50％，总的孔表面积的至少75％，总的孔表面积的至少90％或总的孔表面积的至少99％。在另一实施方案中，碳材料所包含的为或低于20nm的孔隙的分数孔表面积占总的孔表面积的至少50％，总的孔表面积的至少75％，总的孔表面积的至少90％或总的孔表面积的至少99％。
在另一实施方案中，碳材料包括范围主要为1000埃或更低，例如小于或等于100埃，例如小于或等于50埃的孔隙。或者，碳材料包括范围为0-20埃的微孔和范围为20-300埃的中孔。与中孔范围相比，在微孔范围内的孔容或孔表面之比可以在95:5-5:95范围内。或者，与大孔范围相比，在微孔范围内的孔容或孔表面之比可以在20:80至60:40范围内。
在其他实施方案中，碳材料是中孔且包括单分散的中孔。当提到孔度使用时，本文中所使用的术语"单分散"一般地是指跨度(进一步定义为(Dv,90–Dv,10)/Dv，50，其中Dv,10，Dv,50和Dv,90是指在10％，50％和90％的体积分布处的孔度)小于或等于约3，典型地小于或等于约2，常常小于或等于约1.5。
在又一其他实施方案中，碳材料包括至少1cc/g，至少2cc/g，至少3cc/g，至少4cc/g或至少7cc/g的孔容。在一个特别的实施方案中，碳材料包括1cc/g-7cc/g的孔容。
在其他实施方案中，碳材料包括在直径范围为的孔隙内残留至少50％的总孔容。在一些情况下，碳材料包括在直径范围为的孔隙内残留至少50％的总孔容。在仍然其他情况下，碳材料包括在直径范围为的孔隙内残留至少50％的总孔容。在又一其他情况下，碳材料包括在直径范围为 的孔隙内残留至少50％的总孔容。
在一些实施方案中，碳材料的平均粒径范围为1-1000微米。在其他实施方案中，碳材料的平均粒径范围为1-100微米。在仍然其他实施方案中，碳材料的平均粒径范围为1-50微米。在又一其他实施方案中，碳材料的平均粒径范围为5-15微米或1-5微米。在仍然其他实施方案中，碳材料的平均粒径为约10微米。在仍然其他实施方案中，碳材料的平均粒径为小于4，小于3，小于2，小于1微米。
在一些实施方案中，碳材料显示出范围为1nm-10nm的平均粒径。在其他实施方案中，平均粒径范围为10nm-20nm。在又一其他实施方案中，平均粒径范围为20nm-30nm。在仍然其他实施方案中，平均粒径范围为30nm-40nm。在再一其他实施方案中，平均粒径范围为40nm-50nm。在其他实施方案中，平均粒径范围为50nm-100nm。在其他实施方案中，平均粒径范围为约1μm-约1mm。在其他实施方案中，平均粒径范围为约100μm-约10μm。在其他实施方案中，平均粒径为约100μm，约50μm或约10μm。
在一些实施方案中，碳的平均粒径范围为1μm-1000μm。在其他实施方案中，碳的平均粒径范围为1μm-100μm。在仍然其他实施方案中，碳的平均粒径范围为5μm-50μm。在又一其他实施方案中，碳的平均粒径范围为5μm-15μm。在再一其他实施方案中，碳的平均粒径为约10μm。
在一些实施方案中，碳材料显示出范围为1μm-5μm的平均粒径。在其他实施方案中，平均粒径范围为5μm-10μm。在又一其他实施方案中，平均粒径范围为10nm-20μm。在仍然其他实施方案中，平均粒径范围为20nm-30μm。在又一其他实施方案中，平均粒径范围为30μm-40μm。在再一其他实施方案中，平均粒径范围为40μm-50μm。在其他实施方案中，平均粒径范围为50μm-100μm。在其他实施方案中，平均粒径范围在<1μm的亚微米范围内。
在相关的实施方案中，碳材料显示出范围为0.1mm微米-4mm的平均粒径。在其他实施方案中，平均粒径范围为0.5mm-4mm。在又一其他实施方案中，平均粒径范围为0.5mm-3mm。在仍然其他实施方案中，平均粒径范围为0.5mm-2mm。在其他实施方案中，平均粒径范围为0.5mm-1mm。在某些实施方案中，平均粒径为约0.9mm，约0.8mm或约0.5mm。
在仍然其他实施方案中，碳材料包括单分散或近单分散粒度的分布。例如，在一些实施方案中，碳材料的粒度分布使得(Dv,90–Dv,10)/Dv,50小于3，其中Dv,10，Dv,50和Dv,90是以体积计，分别在10％，50％和90％粒度分布处的粒度。在进一步的实施方案中，(Dv,90–Dv,10)/Dv,50小于2或甚至小于1。在仍然其他实施方案中，(Dv,90–Dv,10)/Dv,50小于1,000，小于100，小于10，小于5，小于3，小于2，小于1.5或甚至小于1。
在又一其他实施方案中，碳材料包括具有基本上球形几何形状的碳颗粒，这通过光学显微镜和图像分析来测定(参见例如，图23B)。例如，大于90％，大于95％或甚至大于99％的碳颗粒可具有球形几何形状。这种几何形状可改进许多含碳材料的电学器件任何一种的性能，因为已知该几何形状影响颗粒的堆积(和因此能量密度)。在一些实施方案中，碳材料包括多种碳颗粒，其中大于90％的碳颗粒具有球形几何形状。例如，在一些实施方案中，大于95％的碳颗粒具有球形几何形状。
如上所述，本公开的方法有利地提供具有优化的粒度分布的聚合物凝胶和/或碳材料。在一些实施方案中，粒度分布有助于单独的聚合物或碳颗粒的提高的堆积。能量储存颗粒，例如碳颗粒的提高的堆积可有益于各种应用。例如，含高表面积的活性炭材料常规地用于能量储存装置，例如电容器，尤其超级电容器中。典型地，这种高-表面积的碳材料倾向于具有低的密度，和因此以体积为基础，它们的电容(即，体积电容)相对低。对于实际的应用来说，电容器要求高的重量计电容和高的体积电容二者，对于尺寸受到约束的装置来说，可通过更加致密地堆积活性炭颗粒来增加体积电容。常规的研磨活性炭材料得到具有粒度分布和宽且随机的结构范围(即非球形的颗粒形状)的粉末。这些特性限制了活性炭粉末致密地堆积的能力，从而限制了可通过它来实现的体积电容。在本文中和在共同待审的美国申请No.13/250,430中描述了具有提高的堆积性能的碳材料，为了所有目的，在此通过参考引入。
碳材料的粒度分布是其电化学性能的重要因素。在一些实施方案中，根据所公开的方法制备的碳材料包括粒度范围为约0.01μm-约50μm的多种碳颗粒。在其他实施方案中，粒度分布包括粒度范围为约0.01μm-约20μm。例如，在一些实施方案中，粒度分布包括粒度范围为约0.03μm-约17μm或约0.04μm-约12μm。在前述的某些实施方案中，至少90％，至少95％或至少99％粒度范围为约0.01μm-约50μm，约0.01μm-约20μm，约0.03μm-约17μm或约0.04μm-约12μm的碳颗粒。
在一些实施方案中，所公开的碳材料的堆密度为约0.1g/cc至约0.8g/cc，例如约0.2g/cc至约0.6g/cc。在其中碳主要包括微孔的一些实施方案中，堆密度范围为约0.3g/cc至0.6g/cc，或0.4g/cc至0.5g/cc。在其中碳包括中孔和/或大孔的一些实施方案中，堆密度范围为约0.1g/cc至0.4g/cc，或0.2g/cc至0.3g/cc。
在一些实施方案中，所公开的碳材料的总孔容为至少0.5cc/g，至少0.7cc/g，至少0.75cc/g，至少0.9cc/g，至少1.0cc/g，至少1.1cc/g，至少1.2cc/g，至少1.3cc/g，至少1.4cc/g，至少1.5cc/g，至少1.6cc/g，至少1.7cc/g，至少1.8cc/g，至少1.9cc/g或至少2.0cc/g。
D.表征聚合物凝胶和碳材料
可在77K下，使用氮气吸附(一种本领域的普通技术人员已知的方法)，测量最终碳材料和中间体聚合物凝胶的结构性能。成品碳材料的最终性能和特性是重要的，但也可以特别地从如本领域的普通技术人员已知的质量控制的观点来评估中间体产物(干燥聚合物凝胶与热解但未活化的聚合物凝胶两者)。使用微粒(Micromeretics)ASAP2020来进行详细的微孔和中孔分析，该分析在一些实施方案中，显示从0.35nm到50nm的孔径分布。该系统产生一条在10-7atm的压力下起始的氮气等温线，该等温线能够获得在小于1nm范围内的高分辨率孔径分布。该软件所产生的报道利用一种密度泛函理论(Density FunctionalTheory)(DFT)方法来计算如孔径分布、表面积分布、总表面积、总孔容以及某些孔径范围内的孔容等的特性。
碳材料的杂质含量可以通过本领域的普通技术人员已知的许多分析技术中的任何一种来测定。适用于本发明公开内容的上下文内的一种特定分析方法是质子诱导的x射线发射(PIXE)。这种技术能够测量在低ppm含量水平下测量原子序数在从11到92范围内的元素的浓度。因此，在一个实施方案中，通过PIXE分析来测定碳材料中所存在的杂质浓度。
E.含碳材料的装置
本发明的一个实施方案是电极，或者包括电极的装置，它们包括所公开的碳材料。关于这一点有用的装置包括，但不限于，在以下描述且在共同待审的美国专利申请Nos.12/748,219；12/897,969；12/829,282；13/046,572；12/965,709；13/336,975；和61/585,611中所述的装置，其中每一篇在此通过参考全文引入。
1.EDLCs
可以使用所公开的碳材料作为许多电能存储和分布装置任何一种中的电极材料。一种这类装置是超级电容器。包含碳材料的超级电容器详细描述于共同拥有的美国专利号7,835,136中，该专利在此全文引入。
EDLC使用浸没于电解质溶液中的电极作为它们的能量存储元件。典型地，浸没于电解质中以及用电解质浸渍的多孔隔膜确保电极不彼此接触，从而防止电子流直接地在电极之间流动。同时，多孔隔膜允许离子流在两个方向上流过电极之间的电解质，因此在电极与电解质之间的界面处形成双电荷层。
当在EDLC的一对电极之间施加电势时，电解质内存在的离子被吸引到带相反电荷的电极的表面，并且朝向这些电极迁移。因此，产生带相反电荷的离子层并且维持在每一电极表面附近。电能存储在这些离子层与相应电极表面的电荷层之间的电荷分离层中。事实上，电荷分离层基本上充当静电电容器。静电能量也可以在由电势诱导的电场的影响下通过电解溶液的分子的取向和对准存储在EDLCS中。然而，这种模式的能量存储是次要的。
包含所公开的碳材料的EDLCS可以用于希望高功率的不同的电子装置中。因此，在一个实施方案中，提供包含碳材料的电极。在另一实施方案中，电极包含活性炭材料。在进一步的实施方案中，提供包括包含碳材料的电极的超级电容器。在前述的进一步的实施方案中，超纯合成碳材料包含微孔与中孔的优化平衡且如上所述。
所公开的碳材料在许多电子装置的任何一种中有效用，例如无线消费者和商业装置，如数字静态照相机、笔记本式PC、医疗装置、位置追踪装置、汽车装置、压缩闪存装置、移动电话、PCMCIA卡、手持式装置以及数字音乐播放器。超级电容器也用于重型设备中，如：挖掘机和其他移土设备、铲车、垃圾车、用于港口和建筑的起重机以及运输系统，如公共汽车、汽车以及火车。
在一个实施方案中，本发明的公开内容涉及一种包含本文描述的碳材料的装置，其中该装置是含下述的双电层电容器(EDLC)装置：
a)正电极和负电极，其中正电极和负电极各自包含碳材料；
b)惰性多孔隔膜；和
c)电解质；
其中正电极和负电极是被惰性多孔隔膜分开。
在一个实施方案中，含碳材料的超级电容器装置包括至少5W/g，至少10W/g，至少15W/g，至少20W/g，至少25W/g，至少30W/g，至少35W/g，至少50W/g的重量功率。在另一实施方案中，含碳材料的超级电容器装置包括至少2W/cc，至少4W/cc，至少5W/cc，至少10W/cc，至少15W/cc或至少20W/cc的体积功率。在另一实施方案中，含碳材料碳材料的超级电容器装置包括至少2.5Wh/kg，至少5.0Wh/kg，至少7.5Wh/kg，至少10Wh/kg，至少12.5Wh/kg，至少15.0Wh/kg，至少17.5.Wh/kg，至少20.0Wh/kg，至少22.5wh/kg或至少25.0Wh/kg的重量能量。在另一实施方案中，含碳材料的超级电容器装置包括至少1.5瓦时/升，至少3.0瓦时/升，至少5.0瓦时/升，至少7.5瓦时/升，至少10.0瓦时/升，至少12.5瓦时/升，至少15瓦时/升，至少17.5瓦时/升或至少20.0瓦时/升的体积能量。
在前述的一些实施方案中，使用1.0M的四乙基铵-四氟硼酸盐于乙腈中的电解质溶液(1.0M TEATFB于AN中)以及0.5秒的时间常数，通过从2.7V到1.89V的恒定电流放电来测量包含碳材料的超级电容器装置的重量功率、体积功率、重量能量以及体积能量。
在一个实施方案中，包含碳材料的超级电容器装置所包含的重量功率为至少10W/g，体积功率为至少5W/cc，重量电容为至少100F/g(在0.5A/g下)并且体积电容为至少10F/cc(在0.5A/g下)。在一个实施方案中，前述超级电容器装置是纽扣电池双层超级电容器，它包含碳材料、导电性增强剂、粘合剂、电解质溶剂以及电解质盐。在进一步的实施方案中，前述导电性增强剂是碳黑和/或本领域中已知的其他导电性增强剂。在进一步的实施方案中，前述粘合剂是特富龙和/或本领域中已知的其他粘合剂。在进一步的前述实施方案中，电解质溶剂是乙腈或碳酸丙二酯或本领域中已知的其他电解质溶剂。在进一步的前述实施方案中，电解质盐是四乙基氨基四氟硼酸盐或三乙基甲基氨基四氟硼酸盐或本领域中已知的其他电解质盐或本领域中已知的液体电解质。
在一个实施方案中，包含碳材料的超级电容器装置所包含的重量功率为至少15W/g，体积功率为至少10W/cc，重量电容为至少110F/g(在0.5A/g下)并且体积电容为至少15F/cc(在0.5A/g下)。在一个实施方案中，前述超级电容器装置是纽扣电池双层超级电容器，它包含碳材料、导电性增强剂、粘合剂、电解质溶剂以及电解质盐。在进一步的实施方案中，前述导电性增强剂是碳黑和/或本领域中已知的其他导电性增强剂。在进一步的实施方案中，前述粘合剂是特富龙和/或本领域中已知的其他粘合剂。在进一步的前述实施方案中，电解质溶剂是乙腈或碳酸丙二酯或本领域中已知的其他电解质溶剂。在进一步的前述实施方案中，电解质盐是四乙基氨基四氟硼酸盐或三乙基甲基氨基四氟硼酸盐或本领域中已知的其他电解质盐或本领域中已知的液体电解质。
在一个实施方案中，包含碳材料的超级电容器装置所包含的重量电容为至少90F/g，至少95F/g，至少100F/g，至少105F/g，至少110F/g，至少115F/g，至少120F/g，至少125F/g，或至少130F/g。在另一实施方案中，包含碳材料的超级电容器装置所包含的体积电容为至少5F/cc，至少10F/cc，至少15F/cc，至少20F/cc，至少25F/cc，或至少30F/cc。在前述的一些实施方案中，使用5秒的时间常数，并且使用1.8M的四乙基铵-四氟硼酸盐于乙腈中的电解质溶液(1.8M TEATFB于AN中)以及0.5A/g、1.0A/g、4.0A/g或8.0A/g的电流密度，通过从2.7V到0.1V的恒定电流放电来测量重量电容和体积电容。
在一个实施方案中，本发明的公开内容提供包含本文公开的碳材料的超级电容器，其中包含该碳材料的超级电容器的原始电容(即经受电压保持之前的电容)在电压保持期之后降低的百分比小于包含已知碳材料的超级电容器的原始电容降低的百分比。在一个实施方案中，包含该碳材料的超级电容器在65℃下在2.7V下电压保持24小时之后所剩余的原始电容的百分比为至少90％，至少80％，至少70％，至少60％，至少50％，至少40％，至少30％至少20％或至少10％。在前述进一步的实施方案中，在0.5A/g、1A/g、4A/g或8A/g的电流密度下测量在电压保持期之后所剩余的原始电容的百分比。
在另一实施方案中，本发明的公开内容提供包含本文公开的碳材料的超级电容器，其中包含该碳材料的超级电容器在反复电压循环之后原始电容降低的百分比小于经受相同条件的包含已知碳材料的超级电容器的原始电容降低的百分比。例如，在一个实施方案中，在1000、2000、4000、6000、8000或1000次包含在4A/g的电流密度下的2V与1V之间的循环的电压循环事件之后，包含该碳材料的超级电容器所剩余的原始电容的百分比大于包含已知碳材料的超级电容器所剩余的原始电容的百分比。在另一实施方案中，在1000、2000、4000、6000、8000或1000次包含在4A/g的电流密度下的2V与1V之间的循环的电压循环事件之后，包含该碳材料的超级电容器所剩余的原始电容的百分比为至少90％、至少80％、至少70％、至少60％、至少50％、至少40％、至少30％、至少20％或至少10％。
如上所述，碳材料可以结合到超级电容器装置中。在一些实施方案中，使用根据本领域的喷射研磨机，将碳材料研磨到约10微米的平均粒径。虽然不希望受理论束缚，但认为这种精细粒径使颗粒-颗粒的导电性提高，以及使得能够产生非常薄的薄片电极。喷射研磨机基本上是通过使碳在由高压氮气推动的圆盘形腔室内部旋转来使碳相对于自身碾磨。当馈入更大的颗粒时，离心力将它们推到腔室外部；随着它们相对于彼此碾磨，颗粒朝向中心迁移，当它们已达到适当尺寸时，最终它们在中心处离开碾磨腔室。
在进一步的实施方案中，在喷射研磨之后，共混碳与纤维特富龙粘合剂(3重量％)，以使颗粒以薄片形式保持在一起。将碳特富龙混合物捏合直到达到均一坚实度。接着，使用高压滚筒成形机，将混合物轧制成薄片，产生50微米的最终厚度。将这些电极冲压成圆盘并且在干燥氩气气氛下加热到195℃以去除水和/或其他气载污染物。将电极称重并且使用卡尺测量它们的尺寸。
将EDLC的碳电极用适当的电解质溶液润湿。用于本申请的装置中所使用的电解质溶液中的溶剂的实例包括，但不限于碳酸丙二酯、碳酸乙二酯、碳酸丁二酯、碳酸二甲酯、碳酸甲基乙酯、碳酸二乙酯、环丁砜、甲基环丁砜以及乙腈。通常混合这类溶剂与包括以下的溶质：四烷基铵盐，如TEATFB(四氟硼酸四乙基铵)；TEMATFB(四氟硼酸三乙基甲基铵)；EMITFB(四氟硼酸1-乙基-3-甲基咪唑鎓)、基于四甲基铵或三乙基铵的盐。另外，电解质可以是基于水的酸或碱电解质，如温和硫酸或氢氧化钾。
在一些实施方案中，用1.0M的四乙基铵-四氟硼酸盐于乙腈中的电解质溶液(1.0MTEATFB于AN中)润湿电极。在其他实施方案中，用1.0M的四乙基铵-四氟硼酸盐于碳酸丙二酯中的电解质溶液(1.0M TEATFB于PC中)润湿电极。这些是用于研究与工业两者的常用电解质并且被视为评估装置性能的标准。在其他实施方案中，在惰性气氛下，例如在氩气手套箱中，组装对称碳-碳(C-C)电容器，并且30微米厚的NKK多孔薄膜充当隔膜。一旦组装好，即可以将样品浸泡于电解质中持续约20分钟或更久，这取决于样品的孔隙率。
在一些实施方案中，使用循环伏安法(cyclic voltametry，CV)、计时电位分析法(chronopotentiometry，CP)以及阻抗光谱法(impedance spectroscopy)，在不同的电压(在从1.0到2.5V最大电压范围内)以及电流水平(从1到10mA)下，在生物(Biologic)VMP3电化学工作站上测量电容和功率输出。在这一实施方案中，可以使用下式由电位图的放电曲线计算电容：
方程式1
其中I是电流(A)并且ΔV是电压降，Δt是时间差。因为在这一实施方案中，测试电容器是对称的碳-碳(C-C)电极，具体电容是由下式测定：
方程式2 Cs＝2C/me
其中me是单一电极的质量。具体能量和功率可以使用下式测定：
方程式3
方程式4 Ps＝Es/4ESR
其中C是所测量的电容，Vmax是最大测试电压，并且ESR是由放电开始时的电压降获得的等效串联电阻。ESR可以替代地来源于阻抗光谱法。
2.电池
所公开的碳材料也在许多类型的电池中的任何一种中发现用作电极而有效用。例如，一个实施方案涉及包括下述的电能储存装置：
a)含碳材料的至少一个阳极；
b)含金属氧化物的至少阴极；和
c)含锂离子的电解质；
其中碳材料是本文描述的任何一种碳材料。
另一实施方案涉及金属空气电池，例如锂空气电池。锂空气电池通常包括置于正电极和负电极之间的电解质。正电极通常包括锂化合物，例如氧化锂或过氧化锂，且起到氧化或还原氧的作用。负电极通常包括吸收并释放锂离子的含碳物质。关于超级电容器，预期包括所公开的碳材料的电池，例如锂空气电池优于含已知的碳材料的电池。因此，在一个实施方案中，本发明提供含本文公开的碳材料的金属空气电池，例如锂空气电池。
许多其他电池(例如锌-碳电池、锂/碳电池、铅酸电池等)也预期在采用本文描述的碳材料的情况下表现更佳。本领域的普通技术人员将认识到，受益于所公开的碳材料的其他具体类型的含碳电池。因此，在另一实施方案中，本发明提供包含本文公开的碳材料的电池，尤其锌/碳、锂/碳电池或铅酸电池。
实施例
根据本文中公开的方法，制备在下述实施例中公开的碳材料。化学品以试剂级纯度或更高的纯度获自商业来源，且在没有进一步纯化的情况下，以来自供应商的到货时的状态使用。
在一些实施例中，可通过混合聚合物前体和任选的溶剂和/或任选的催化剂，形成预聚物组合物，制备聚合物相。然后将聚合物相加入到连续相中并任选地添加表面活性剂。在一些实施方案中，可使聚合物相反应到一定的聚合程度(预聚物)，并与连续相混合且任选地添加表面活性剂。可基于液体预聚物的折射指数，进行预聚物的聚合到终点。例如，可聚合预聚物，直到预聚物的折射指数范围从低至约1.1000，约1.2000，约1.3000，或约1.3200到高至约1.4500，约1.4800，约1.5000，或约1.5500。在另一实例中，可进行单体混合物的聚合，生产预聚物到约1.3500-约1.4500，约1.3800-约1.4400，约1.3900-约1.4350，约1.3900-约1.4500的折射指数。可在从低至约20℃，约25℃，约30℃，约35℃，或约40℃到高至约50℃，约55℃，约60℃，约65℃，约70℃，约75℃，约80℃，约85℃，约90℃，约95℃，或约100℃的温度下预聚单体组分。例如，在形成悬浮液或乳液之前，可在约20℃，约30℃，约40℃，约50℃，约60℃，或约70℃的温度下预聚单体组分。可将预聚物加入到载体流体中，可将载体流体加入到预聚物中，或者可彼此同时结合预聚物和载体流体。
可结合预聚物溶液与外相。外相的温度可以从60℃到200℃变化。外相温度可以是约60℃，70℃，80℃，90℃，95℃，100℃。在一些实施方案中，在大气压下，外相温度可以高于沸点。预聚物相与炽热的外相接触时的固化时间可以变化。固化时间可以从30秒变化到100小时。固化时间可以是1分钟，5分钟，30分钟，1小时。在其他实施方案中，固化时间可以是1小时，2小时，3小时，6小时，和12小时。
在一些实施例中，在热解和/或活化之前，冷冻干燥聚合物凝胶颗粒。在这些实施例中，在负载含有冷冻聚合物水凝胶颗粒的料盘(tray)于冷冻干燥机架子上之前，通常预冷冷冻干燥机架子到-30℃。冷冻室的压力范围典型地为50-1000mTorr和架子温度范围为+10至+25℃。或者，架子温度可以设定得更低，例如范围为0到+10℃。或者，架子温度可以设定得更高，例如范围为25至+100℃。腔室压力可以保持在50-3000mTorr范围内。例如，可控制腔室压力在150-300mTorr范围内。
除非另有说明，通过在氮气氛围内，在范围为700-1200℃的温度下加热，热解聚合物实施例中规定的时间段，例如850℃和200L/h的氮气流速。活化条件通常包括在CO2氛围内，在范围为800-1000℃的温度下，加热热解聚合物水凝胶实施例中规定的时间段，例如，900℃，在CO2下660分钟。在下述实施例中描述了具体的热解和活化条件。
使用Mettler Toledo TGA/DSC1 707 N2/CO2MX5系统，进行TGA研究。使用ThermoScientific，Economy Solid Tube炉，进行热解与活化。使用Micromeritics Tristar IIBET系统，获得表面积和孔容的测量结果。
除非另有说明，在实施例和说明书当中百分比值以重量(w/w)为基础。
实施例1
乳液制备干燥聚合物凝胶
对于每一样品来说，制备两个独立的溶液。通过混合间苯二酚和甲醛(间苯二酚:甲醛的摩尔比＝0.5:1)溶液与水/醋酸溶剂(75:25)，并添加醋酸铵催化剂，制造五种不同的凝胶溶液。对于五个样品来说，在表1中示出了各种凝胶试剂之比。
还制备环己烷/SPAN 80溶液。允许凝胶溶液混合10分钟，之后将其倾倒在环己烷/SPAN80溶液内并设定温度为45℃。在45℃下4小时之后，温度升高到65-70℃并保持24小时，之后滗析掉过量环己烷，并将树脂置于45℃烘箱内干燥10-20分钟。在表1中概述了样品的条件。
表1.聚合条件
*(固体/酸/R:C)分别是指含固量％(例如，间苯二酚和甲醛的质量比总质量)，全部液体(例如，酸加水)中的酸％和R:C是间苯二酚与催化剂的质量比。
**％凝胶＝在全部乳液/悬浮聚合溶液(例如，RF溶液和连续相)中RF(即，间苯二酚/甲醛)溶液的负载％。
实施例2
干燥聚合物凝胶数据
在图1和表2中列出了来自实施例1的干燥凝胶样品的氮气等温线，表面积和孔容数据。为了比较的目的，借助在实施例15中描述的通用的“块体”法，制备两个碳样品作为对照。由产生微孔聚合物凝胶的凝胶配方制备对比样品1和由产生中孔聚合物凝胶的凝胶配方制备对比样品2。与对比样品相比，所有样品显示出较低的表面积和孔容。尽管不希望束缚于理论，认为这种降低可能是由于在凝胶材料的孔隙内和表面上表面活性剂和/或残留的非水溶剂所致，且预期在热解过程中被烧掉。这一理论受到活化热解材料到目标表面积的能力的支持，同时实现与微孔碳相称的孔容和P95/P5(即，在95％分压下吸附的氮气与在5％分压下吸附的氮气之比)。因此，干燥凝胶的一些性能不可能预期最终碳材料的性能。
表2.干燥聚合物凝胶样品的性能
实施例3
活性炭数据
在图2以及表3和4中列出了活性炭样品(3-3，3-4，3-5)的氮气等温线，表面积，孔容和电化学测试(ECT)数据。在高温下，在惰性氛围中热解样品3-3至3-5，而在热解之前，在没有任何干燥步骤的情况下热解样品4。所有三种样品在管式炉(CO2氛围)中在高温下活化，实现1700-1900m2/g的表面积。等温线数据(图2)示出了所有三个样品显示出非常微孔的孔结构且具有比借助块体技术制备的对照碳材料相当或更优的表面积与孔容形成。例如，对于由通过乳液法制备的聚合物凝胶衍生的碳样品来说，P95/P5(在0.95分压下吸附的氮气与在0.05分压下吸附的氮气之比)为1.08-1.14，相比之下，由块体聚合物凝胶衍生的碳为1.20。较低的P95/P5是增加的微孔率的反映，这反过来有益于改进活性炭的体积电容。
所有样品还证明与借助块体技术制备的对比碳相同或更好的归一化的电化学性能(对比样品3具有24F/cc的归一化体积电容)。尽管基于已知的块体制备，预期所使用的凝胶配方(3-3,3-5)生产中孔碳，但所有碳样品在干燥凝胶或活性炭中令人惊奇地没有显示出中孔率。
表3.活性炭的表面积和孔容
表4.活性炭电化学测试性能
*频率响应＝在45°相角下，根据Bode图计算的频率。
实施例4
制备干燥聚合物凝胶
为了利用本发明制备具有不同孔结构(例如，中孔率)的碳材料的方法的能力，使用实施例1中所述的通用工序，进行五次聚合，所不同的是配方如表5中列出的。作为对照，还允许用于每一聚合的凝胶配方在块体条件下聚合(即，如实施例15中所述)。在表6中，用于每一凝胶配方的对照样品用"C"表示。
表5.聚合条件
实施例5
干燥聚合物凝胶数据
在图3和表6中列出了根据实施例4制备的干燥凝胶样品的氮气等温线，表面积和孔容数据。在分析之前，冷冻干燥所有聚合物凝胶。与中孔碳的对照物制备的块体(本文中表示为"MesoControl")相比和与单独的对照(块体)凝胶相比，所有样品显示出坍塌的孔结构和较低的SSA。如上所述，较低的SSA和PV可以是通过表面活性剂堵塞孔隙生成的人造物品(artifact)，它可以与或可以不与表面活性剂的负载相连。样品1和3均使用20％的酸含量且显示出来自中孔范围的小的孔容构成。样品2和4使用10％的酸含量，且二者均表明大多数它们的孔容归因于大孔。
考虑样品1-4内中孔的收缩，确定对于样品5，使用较少的表面活性剂。使用低的酸(10％)与低的R:C(50:1)，以实现中孔率且不具有大孔率。样品5显示出(图4)来自中孔的大得多的体积构成和接近于MesoControl对照干燥凝胶的图形(maps)。表面积(表6)仍然低于对照物，但基于活化数据(参见下面)，这可能更多地是因为表面活性剂，而不是干燥凝胶材料导致的。
表6.干燥凝胶的表面积和孔容
实施例6
活性炭数据
热解并活化来自实施例5的凝胶，干燥凝胶(样品7-1..7-5)。在图5和6以及表7中列出了这些活性炭样品当活化时的重量损失，氮气等温线，表面积，孔容和电化学测试数据。所有样品和它们的对照物在高温下在惰性氛围下热解。在900℃下，将所有热解的碳(PC)样品放入活化速率的TGA分析中。在管式炉中，在高温下活化每一乳液PC样品。
TGA数据(图5)表明与它们的对照样品相比，乳液样品的活化速率的显著增加。这可能更多地是由于粒度非常小且不仅仅是由于孔隙率的数量导致的。与样品1和3相比，样品2和4显示出活化速率增加，这通过在相同的活化条件下较高的氮气吸收表示，且更多的大孔。样品1和3使用较高的酸含量且含有比其他方案多的中孔容，和与MesoControl相比，更多地坍塌(图6)。尽管样品1-4过度活化，但它们的孔形成与MesoControl碳不类似。与使用10％酸的样品相比，使用20％酸的样品1和3得到更多的中孔碳形成。
样品5使用较少的表面活性剂且打算生成更多的中孔率，和样品5的数据表明成功地生成中孔率(参见图7)。与MesoControl对照相比，这一碳材料显示出较少的来自的孔构成，但这不可能是电化学性能的问题。因此，所述的方法适合于制备中孔碳材料。
表7.活性炭的表面积和孔容
实施例7
制备干燥聚合物凝胶
根据实施例1的通用工序，进行10次乳液聚合，利用制备微孔碳材料的参数。还使用相同的凝胶配方，并允许凝胶以块体方式聚合，制备对照样品(在表9中用"C"表示)。在表8中列出了聚合条件。
表8.聚合条件
实施例8
干燥聚合物凝胶数据
在图8和表8中列出了实施例7的干燥凝胶样品的氮气等温线，表面积和孔容数据。样品3和4制造不了可加工的湿凝胶，所以对于这些样品没有数据收集。冷冻干燥所有其他样品。与它们的烘箱固化的对照物相比，在乳液样品中，DFT孔度分布(图8)显示出孔结构收缩，这与其他实施例中所述的一样。根据这一数据，与它们的相应块体对照样品相比，乳液样品显示出较低的比表面积和孔容(表9)
表9.干燥凝胶的表面积和孔容
实施例9
活性炭数据和电化学测试
在图9和10以及在表10中列出了来自实施例8的活性炭样品的氮气等温线，表面积和孔容数据。在高温下，在惰性氛围下热解样品。在管式炉内，在实现1700-1900m2/g SSA的目标下，活化所有样品。等温线数据(图9)和DFT孔度分布(图10)证明本发明乳液配方生成微孔碳的能力，和事实上仅仅一个样品(10-2)显示出任何中孔率。在10-2中，中孔的形成可能部分由于低的表面活性剂浓度以及低的催化剂和低的酸含量。对于活性炭来说，高的表面活性剂负载，≥5％，产生类似的表面积，孔容和等温线数据，而与凝胶配方无关。在采用较低的表面活性剂负载1％下，该材料显示出对凝胶配方变化更大的敏感性。
表11中列出了活性炭的电化学测试(ECT)数据。在Fritsch研磨机中研磨样品，然后卷成用于ECT的干电极。在类似的活化水平下，与目前的MicroControl碳相比，样品5记录了充足的性能。
表10.活性炭的表面积和孔容
*GM＝(比表面积)/(100*PV)
表11.活性炭的电化学测试性能
实施例10
制备干燥聚合物凝胶
为了更好地理解配方和加工参数之间的关系，根据实施例1中所述的通用工序，进行12次聚合实验。如表12中概述的，改变一些加工参数，例如搅拌速率，反应开始温度和固化时间。
表12.聚合条件
实施例11
干燥聚合物凝胶数据
在图11和表13中列出了实施例10的干燥凝胶样品的氮气等温线，表面积和孔容数据。为了比较目的，在图11中还列出了借助块体工序制备的代表性微孔和微孔/中孔凝胶(分别是MicroControl和MesoControl)的数据。可看出，在表面积和固化时间之间存在关系。还清楚的是人们可获得从仅仅微孔到微孔/中孔的一个范围的干燥凝胶，和它们的所得碳通过乳液聚合可容易获得。
表13.干燥凝胶数据
*0-3标度，0＝没有微细的材料，3＝最微细的材料
实施例12
活性炭数据
作为测定借助乳液聚合制备微孔碳材料的合适条件的方式，在高温下，在惰性氛围内，在没有事先干燥材料凝胶的情况下，热解来自实施例10的凝胶。仅仅干燥和然后热解选择的样品。在管式炉内，在900℃下活化所有样品，且目标是实现1700-1900m2/g SSA。收集TGA数据，测定活化速率。在图12-15中列出了孔容和孔度数据。表14-16列出了碳材料的各种物理和电化学性能。可看出，可借助所述的方法制备具有各种物理和电化学性能的全谱的微孔到中孔碳材料。在热解之前，冷冻干燥用"PCt"表示的样品，而用"干燥炉干燥"表示的样品直接由湿凝胶热解(即，没有冷冻干燥)。
表14.活性炭数据
表15.活性炭的表面积和孔容
表16.活性炭的电化学测试性能
*频率响应＝在45°相角下，根据Bode图计算的频率。
实施例13
可变工艺参数
除了以上的工艺参数以外，采用各种表面活性剂和溶剂，进行聚合。对于每一样品来说，制备两种单独的溶液。如本文中所述，制造凝胶溶液，且还制备连续相/表面活性剂溶液，并升高温度到85℃。一旦进行凝胶溶液混合10分钟，则将其倾倒在连续相/表面活性剂溶液内并在85℃下保持6小时。然后取出样品并置于大的烧杯内，使之静置。滗析掉过量的连续相，然后用异丙醇漂洗残留的材料，并通过布氏漏斗过滤。在表17中概述了样品的条件。生成17-6，测试具有矿物油作为连续相的悬浮工艺。
表17.实施例13的聚合条件
在图16和表18中列出了实施例13的干燥凝胶样品的氮气等温线，表面积和孔容数据。没有过滤样品17-1和17-3，但用IPA漂洗，且在排气罩(hood)内使之干燥。在不希望束缚于理论的情况下，认为这一孔容下降可能是由于在孔内和在凝胶材料的表面上具有表面活性剂，且预期在热解过程中被烧掉所致。这一理论受到在合理的活化速率下，活化热解材料到目标表面积，孔容和P95/P5(即，在95％分压下吸附的氮气与在5％分压下吸附的氮气之比)的能力支持。因此，干燥凝胶的一些性能可能不能预期最终碳材料的性能。
重要的是注意在油乳液内较高固体(>30％)的配方生产中孔树脂的能力，这在采用环己烷的体系中看不到。样品17-5使用微孔块体配方，但在石蜡油反相乳液中，生产中孔树脂。这可能是由于当树脂在油内固化时，树脂控制的温度曲线导致的。不同的连续相可允许试剂或多或少地从一相移动到其他相，这将有助于本文中观察到的孔隙率变化。
表18.干燥凝胶的表面积和孔容
在图17和表19-20中列出了17个系列的活性炭样品的氮气等温线，表面积，孔容和电化学测试数据。所有样品在高温下在惰性氛围中热解。在没有使用干燥炉干燥技术干燥的情况下，热解样品1和5。在管式炉内，在高温下活化所有样品，实现1700-1900m2/g的表面积。收集TGA数据，测定活化速率。等温线和DFT数据(图18-19)表明制造各种碳材料的能力。在采用低固体和酸含量的情况下，可在油连续相内实现中孔碳。图17和18还表明制造具有微孔碳和混合的微孔/中孔碳性能的碳的能力。
在Fritsch研磨该材料15分钟之后，测量电化学测试性能(表20)。样品17-2数据证明与目前EnerG2的中孔产品相比，中孔碳的充足的性能。样品17-6的性能与目前EnerG2的微孔碳在相同的水平下。17-1产生具有特别好的能量密度的装置。
表19.活性炭的表面积和孔容
表20.活性炭的电化学测试性能
*频率响应＝在45°相角下，根据Bode图计算的频率。
实施例14
制备苯酚甲醛基凝胶
通过混合苯酚和甲醛(苯酚:甲醛的摩尔比＝0.5:1)溶液与水/酸溶剂，制造五种不同的凝胶溶液。在一些情况下，添加醋酸铵催化剂。在表21中针对五种样品表明各种凝胶试剂之比。在将凝胶倾倒在连续相/SPAN80溶液内之前，允许凝胶溶液混合5-10分钟，并设定温度为95℃和保持3-5天，之后滗析掉过量的连续相。在高温下，在惰性氛围中直接热解湿的凝胶样品，且重量损失为50-75％。在表22中列出了代表性的碳化和活化数据。
表21.凝胶的制备参数
1以37wt％水溶液形式添加
2以5wt％水溶液形式添加
表22.碳化和活化数据
*频率响应＝在45°相角下，根据Bode图计算的频率。
实施例15
不含表面活性剂的乳液脲-甲醛合成
也可使用超稀溶液，通过聚合，生成聚合物凝胶的微球。使用下述通用工序，制备聚合物凝胶。在室温下，将脲和甲醛(1.6:1)混合到去离子水(143:1水:脲)内，形成稀溶液。混合该溶液5分钟，其中添加甲酸。在约30分钟之后，该溶液从无色变为乳白色，在这一点处，允许该溶液未受干扰地静置，直到形成白色聚合物球的聚集体(collection)。在一个实施方案中，针对聚合物球，通过氮气吸附测量的比表面积和孔容分别为约7.86m2/g和约0.57cc/g。在一些实施方案中，可改变脲:甲醛，脲:水之比，甲酸的用量，停留和搅拌时间，和碱或酸催化剂，得到优选的聚合物。
然后，在高温下，在惰性氛围中，热解聚合物成碳。在一个实施方案中，在热解之后碳的物理性能是表面积为约48.3m2/g和孔容为约0.036cc/g。图19示出了脲-甲醛聚合物乳液的一个实施方案的TGA。此处注意在停留温度下发生快速的重量损失>90％。
在锂离子电池中，采用锂金属作为对电极，在1:1乙烯碳/碳酸二乙酯(EC:DEC)内的1M LiPF6作为电解质，和商业聚丙烯隔膜，测试作为硬的碳阳极材料的碳。在一个例举的实施方案中，图20中所示的采用88:2:10(硬碳:炭黑，PVDF粘合剂)组合物的电化学性能显示出高的重量电容(>500mAh/g)。
实施例16
制备硅-碳复合材料
制备间苯二酚和甲醛(0.5:1摩尔比)在水和醋酸(40:1摩尔比)和醋酸铵(10:1摩尔比的间苯二酚比醋酸铵)内的溶液。最后，添加1摩尔当量(间苯二酚对硅)的微米化(-325目)硅粉到该混合物中。搅拌最终的混合物5分钟，接着超声处理10分钟。将这一混合物倾倒在以体积计1:100的SPAN 80(表面活性剂):环己烷溶液内，并加热到45℃。在5小时之后，升高温度到65℃，并允许搅拌(覆盖的(covered))24小时。一旦从该溶液静置粉末，则滗析环己烷，并在88℃下干燥回收的粉末10分钟，然后在高温下在惰性氛围中热解。所得粉末的表面积为476m2/g，孔容为0.212cc/g且平均孔宽为17.8埃。
测试Si-C复合材料的电压vs比电容并在图21中示出了结果。使用锂金属作为对电极和由以重量计，88:2:10的Si-C复合材料-导电率提高剂(Super P)–粘合剂(聚偏氟乙烯)组成的工作电极，测试电池。通过Rayon 33微米膜，隔开电极，且电解质是以重量计，在1:1碳酸乙二酯-碳酸二乙二酯内的1M LiPF6。首先，在40mA/g的恒定电流下，使电池放电到0.005V，然后在相同的电流下充电到2V。
实施例17
粒度分布和形状
如上所述进行乳液聚合，并制备活性炭颗粒。图22证明了借助乳液聚合获得的湿凝胶，干燥凝胶和活性炭颗粒的近单分散的粒度分布(在图22中，从左到右，分别是1-3/3-3湿凝胶颗粒，干燥凝胶颗粒和活性炭颗粒)。湿凝胶颗粒的Dv10为26.4um，Dv50为43.6um，和Dv90为66.3um(跨度＝0.914)。该干燥凝胶颗粒的Dv10为23.7um，Dv50为42.0um，和Dv90为69.4um(跨度＝1.090)。碳化颗粒的Dv10为19.5um，Dv50为31.5um，和Dv90为49.3um(跨度＝0.947)。改性乳液配方和工艺参数(例如，搅拌速率等)，控制所得产品的粒度和单分散性程度。图23A和23B分别证明了凝胶和碳颗粒的球形性质。在其中碳颗粒的堆积影响装置的电化学性能的一些电化学应用中，球形的形状具有优势。
实施例18
例举的大块凝胶和碳材料的制备
通过在醋酸铵催化剂存在下，在水/醋酸溶剂(75:25)中聚合间苯二酚和甲醛(0.5:1)，制备聚合物凝胶。间苯二酚与溶剂之比(R/S)为0.3，和间苯二酚与催化剂之比(R/C)为25。将该反应混合物置于升高的温度下(在45℃下保温预热6小时，接着在85℃下保温约24小时)，允许凝胶化，生成聚合物凝胶。由该聚合物凝胶生成聚合物凝胶颗粒，并使之通过4750微米的筛网。通过在液氮内浸没，急速冰冻筛分过的颗粒，在3-7g/in2的负载下，装载在冻干盘内，并在约50mTorr下冻干。干燥时间(根据产品到达架子温度2℃以内的时间推导)随在冷冻干燥机架子上的产品负载而变化。
根据上述一般工序，制备其他块体凝胶和碳材料。还使用对该工序的改性，其中包括不同的凝胶配方和/或没有冷冻干燥。
实施例19
电化学性能的通用测试
分析碳样品的电化学性能，具体地在EDLC纽扣电池装置内作为电极材料。以下描述了关于制造电极，EDLC和它们的测试的具体细节。
电容器电极包括约97重量份碳颗粒(平均粒度5-15微米)和约3重量份特氟龙。在研钵和杵子内粉碎碳和特氟龙，直到特氟龙很好地分布且该复合材料具有一定的物理完整度。在混合之后，将该复合材料卷成平坦的片材，约50微米厚。从该片材中冲孔出直径约1.59cm的电极盘。将该电极置于与干燥箱相连的真空烘箱内并在195℃下加热12小时。这除去在电极制备过程中从大气中吸收的水。在干燥之后，允许电极冷却到室温，在烘箱内的氛围用氩气填充，并将电极移动到干燥箱内，在此制造电容器。
将碳电极置于由直径1英寸(2.54cm)的碳涂布的铝箔盘和50微米厚的聚乙烯垫圈环(它被加热密封到铝上)形成的腔室内。然后以相同的方式制备第二电极。将2滴含1.8M四亚乙基四氟硼酸铵在乙腈内的电解质加入到每一电极中。每一电极用直径0.825in的多孔聚丙烯隔膜覆盖。两个对半的电极与彼此面对的隔膜夹在一起且整个结构热压在一起。
当完成时，电容器备用于采用恒电势器/信号发生器/频率响应分析仪的电学测试。通过恒定电流放电法，测量电容，该方法包括施加电流脉冲已知的持续时间，和测量所得电压曲线。通过选择给定的时间和终止电压，根据下述C＝It/ΔV计算电容，其中C＝电容，I＝电流，t＝达到所需电压的时间，和ΔV＝在起始和最终电压之间的压差。通过用电容分别除以重量和体积，获得基于两个碳电极的重量与体积的比电容。针对在2.43至1.89V之间的放电，报道这一数据。
实施例20
粒度和孔隙率作为连续相粘度和表面活性剂的函数
根据实施例1中所述的通用工序，制备已知导致微孔凝胶的间苯二酚-甲醛聚合物配方(样品20-1..5，(固体/酸/R:C))和中孔凝胶(20-6..10，(固体/酸/R:C))，所不同的是没有使用表面活性剂。混合聚合物配方的悬浮液和/或乳液与具有不同粘度的各种石蜡油(各种供应商)，并允许在搅拌下在80℃下老化。
测定所得凝胶颗粒的粒度和递增的孔容。在图24-26中列出了结果。在图24中看出，所得凝胶颗粒的粒度范围为直径约0.5mm-约3mm，和粒度与连续相粘度间接成正比。也就是说，连续相的粘度越高，平均粒径越小。尽管凝胶颗粒的粒度变化，但冷冻干燥凝胶颗粒的孔结构非常一致(图25和26)。
在表面活性剂存在下，进行类似的实验。在聚合物配方内存在表面活性剂导致小得多的凝胶粒度。图27比较了在表面活性剂存在下(图27A，约200μm)和表面活性剂不存在下(图27B，约0.5mm-约3mm)制备的凝胶的粒度。尽管这两种制备方法的粒度变化显著，但这两种方法中，所得活性炭的孔结构是一致的(图28，虚线代表表面活性剂样品和实线代表没有表面活性剂)。
因此，简单地通过选择合适的连续相，本发明方法的一些实施方案允许控制(manipulation)粒度，同时维持所需的孔结构。进一步地，该方法提供结实且可再现的制造工艺，因为没有预期影响粒度的工艺参数波动会影响终产品的所得孔结构。
实施例21
粒度的控制
与实施例20中所述的一样，在该方法的某些实施方案中，凝胶颗粒的粒度对凝胶颗粒的孔结构不具有显著的影响。与其他已知方法相比，本发明的这些实施方案提供优势，因为可控制凝胶的粒度，以获得最佳的加工性能(例如，过滤，下游热解与活化，最终碳的粒度等)，同时仍然维持所需的孔结构。因此，设计各种实验，理解如何控制凝胶粒度，以便可优化制造工艺。采用间苯二酚/甲醛聚合物，进行以下所述的每一实验；然而，也可使用其他聚合物，例如苯酚/甲醛和三聚氰胺/甲醛聚合物和类似物。
A.聚合度
如实施例1中(和其他实施例当中)所述，首先混合聚合物前体和任选的酸，溶剂和/或催化剂，制备预聚物组合物。支持本发明进行的实验表明在加入到连续层中之前，允许聚合物组合物反应的时间越长，所得聚合物凝胶颗粒越大。图29示出了在添加到连续相中之前，通过允许预聚物组合物反应形成的凝胶颗粒。在图29中看出，在固化之前，较大的颗粒来自于较长的反应时间。
B.温度影响
在一组独立的实验中，制备具有下述组成的预聚物组合物：40％固体，10％醋酸，R/C之比为10，和甲醛:间苯二酚之比为2。在或者65℃或者80℃下保温每一预聚物组合物样品，然后加入到Flint Hills 100-HC连续相(树脂/连续相之比为30:100)中并在相同条件下搅拌。在图30中看出，较高的预保温温度导致较小的凝胶颗粒和较低的预保温温度导致较大的凝胶颗粒(图30:左侧:80℃保温温度；右侧:65℃保温温度)。这一方法提供在大的生产规模下，以简单可行的方式控制珠粒的粒度。
C.连续相影响
在下一组实验中，除了连续相以外的所有加工参数保持相同。如B部分中所述制备单一的一批预聚物。连续相选自相同的油族(oil family)：Flint Hills的具有不同链长的饱和烃。测试70-HC，100-HC，230-HC，和600-HC的连续相的链长。如图31(600HC)，32(230HC)和33(70Hc)中所示，随着连续相的烃链长度增加，凝胶粒度减少。这一发现证明了通过简单地改变连续相，可容易地微调珠粒的尺寸。取决于应用和/或加工局限性，可容易地通过调节连续相的烃链长度，实现具有各种尺寸的聚合物珠粒。
D.聚合物配方影响
还测定了预聚物组合物对凝胶粒度具有影响。在这一组实验中，所有实验条件保持相同，除了预聚物组合物以外。连续相是BDH White Paraffin油，和珠粒的形成温度(即，预反应温度)为80℃。图34示出了使用含30％固体，5％醋酸，间苯二酚:醋酸铵之比为50和甲醛:间苯二酚之比为2的预聚物组合物形成的凝胶颗粒。
如图34-36中所示，可通过改变预聚物配方，来改变凝胶粒度。图34示出了使用含30％固体，5％醋酸，间苯二酚:醋酸铵之比为50和甲醛:间苯二酚之比为2(30/5/50/2)的预聚物组合物形成的凝胶颗粒。图35示出了使用含40％固体，15％醋酸，间苯二酚:醋酸铵之比为25和甲醛:间苯二酚之比为2(40/15/25/2)的预聚物组合物形成的凝胶颗粒。图36示出了使用含40％固体，25％醋酸，间苯二酚:醋酸铵之比为5和甲醛:间苯二酚之比为2(40/25/5/2)的预聚物组合物形成的凝胶颗粒。
实施例22
通过配方控制孔结构
制备多种间苯二酚-甲醛树脂配方，以表达在以上所述的悬浮聚合技术内可实现的孔结构的范围。干燥和然后热解这些样品。在管式炉内，在900℃下活化所有样品，其目标是实现1700-1900m2/g SSA。表(23)示出了通过调制配方可实现的比表面积和孔容范围。如图(37)中所示，可通过改变配方，大大地改变凝胶的孔结构。
表(23).活性炭数据
样品 SSA PV P95/P5 GM
22-1 1846 0.832 1.25 22.2
22-2 1690 0.857 1.34 19.7
22-3 1628 0.934 1.53 17.4
22-4 1815 1.247 1.85 14.6
22-5 1913 1.736 2.44 11.0
22-6 2081 1.984 2.47 10.5
22-7 1776 2.431 1.97 7.3
实施例23
电化学性能的控制
制备多种间苯二酚-甲醛树脂配方，以表达在以上所述的悬浮聚合技术内可实现的电化学性能的范围。干燥和然后热解这些样品。在管式炉内，在900℃下活化所有样品，其目标是实现1700-1900m2/g SSA。表(24)示出了通过调制配方可实现的比表面积和孔容范围。表(24)还显示了在以上所述的悬浮体系内实现的电化学性能范围。
表(24).电化学数据
实施例24
将约360g间苯二酚，约10.8g醋酸铵，约720g去离子水和约253g醋酸加入到反应器中并加热到约45℃的温度。在加热混合物到约45℃之后，在约60分钟的期间内，缓慢地添加约531g甲醛到该反应器中，提供反应混合物。在添加甲醛到该反应器中之后，使该反应混合物预反应，直到实现约1.4078的折射指数。然后冷却预反应的混合物或“预聚物”到约25℃的温度并置于收集瓶内。一个预聚物的收集瓶储存在冷藏室内，在约4℃-约5℃的温度下过夜。
第二天，将约1.2升植物油加入到配有加热煲，冷却线圈和机械搅拌器的1加仑的反应器中。借助机械搅拌器搅拌该植物油，并加热到约80℃的温度。将约205ml预聚物缓慢地加入到加热的植物油中，使得植物油/预聚物混合物的温度维持在高于75℃的温度下。采用J-KEM Scientific，Model 250，控制温度。在添加预聚物之后，在约80℃-约85℃的温度下，搅拌反应器的内容物约1小时。在搅拌20分钟之后，调节搅拌标度盘到3.3的设置。在搅拌约1小时之后，冷却反应器的内容物(植物油/聚合物粒状物)并转移到约3250ml瓶子内并置于加热到温度约85℃的烘箱内。在烘箱内加热植物油/聚合物粒状物混合物，进一步固化该聚合物粒状物。在约12小时之后，从烘箱中取出玻璃瓶，并收集凝胶形式的聚合物颗粒产品(实施例24)。在图38中示出了凝胶形式的聚合物颗粒(实施例24)。如图38所示，凝胶形式的聚合物颗粒的截面长度为约1mm。
实施例25
将约387.12g间苯二酚，约5.43g醋酸铵，约1,115.37g去离子水，和约69.72g醋酸加入到反应器中并加热到约45℃的温度。在加热混合物到约45℃之后，在约80分钟的期间内，缓慢地添加约423g甲醛到该反应器中，提供反应混合物。在添加甲醛到该反应器中之后，使该反应混合物预反应，直到实现约1.3940的折射指数。然后冷却预反应的混合物或“预聚物”到约25℃的温度并置于收集瓶内。一个预聚物的收集瓶储存在冷藏室内，在约4℃-约5℃的温度下过夜。
第二天，将约250g石蜡油和磁搅拌棒加入到位于加热板(Corning PC-351)上的烧杯中。通过转动搅拌标度盘到2.5的设置，启动磁搅拌棒，并加热石蜡油到约81℃的温度。将约75g预聚物缓慢地加入到加热的石蜡油中，使得石蜡油/预聚物混合物的温度维持温度高于75℃。在添加预聚物之后，在约80℃-约85℃的温度下，搅拌烧杯的内容物约2小时。当搅拌烧杯的内容物时，磁搅拌棒终止旋转约20分钟。在这一时间段期间，使用刮刀继续人工搅拌。在搅拌约2小时之后，冷却烧杯的内容物(石蜡油/聚合物粒状物)并转移到2个250ml的玻璃瓶内，其中每一个容纳约200ml石蜡油/聚合物粒状物混合物，并置于加热到温度约85℃的烘箱内。在约4小时40分钟之后，从烘箱中取出瓶子，并收集凝胶形式的聚合物颗粒产品(实施例25)。图39中示出了凝胶形式的聚合物颗粒(实施例25)。如图39所示，凝胶形式的聚合物颗粒的截面长度范围为约0.1mm-约2.5mm。
实施例26
将约256.96g间苯二酚，约7.19g醋酸铵，约366.17g去离子水，和约89.35g醋酸加入到反应器中，并加热到约45℃的温度。在加热混合物到约45℃之后，在约100分钟的期间内，缓慢地添加约281g甲醛到该反应器中，提供反应混合物。在添加甲醛到该反应器中之后，使该反应混合物预反应，直到实现约1.4263的折射指数。然后冷却预反应的混合物或“预聚物”到约25℃的温度并置于收集瓶内。一个预聚物的收集瓶储存在冷藏箱内，在约4℃-约5℃的温度下过夜。
第二天，将约250g石蜡油和磁搅拌棒加入到位于加热板(Corning PC-351)上的烧杯中。通过转动搅拌标度盘到2.5的设置，启动磁搅拌棒，并加热石蜡油到约81℃的温度。将约75g预聚物缓慢地加入到加热的石蜡油中，使得石蜡油/预聚物混合物的温度维持高于75℃的温度。在添加预聚物之后，在约80℃-约85℃的温度下，搅拌烧杯的内容物约2小时。当搅拌烧杯的内容物时，磁搅拌棒终止旋转约5分钟。在这一时间段期间，使用刮刀继续人工搅拌。在搅拌约2小时之后，冷却烧杯的内容物(石蜡油/聚合物粒状物)并转移到2个玻璃瓶内，其中每一个容纳约200ml石蜡油/聚合物粒状物混合物，并置于加热到约85℃温度的烘箱内。在约6小时之后，从烘箱中取出玻璃瓶，并收集凝胶形式的聚合物颗粒产品(实施例26)。图40中示出了凝胶形式的聚合物颗粒(实施例26)。如图40所示，凝胶形式的聚合物颗粒的截面长度范围为约3mm-约7mm。
实施例27和28
根据下述工序制备预聚物。将约249.99g间苯二酚，约34.91g醋酸铵，约298.71g去离子水，和约144.82g醋酸加入到反应器中，并加热到约45℃的温度。在加热混合物到约45℃之后，在约80分钟的期间内，缓慢地添加约251g甲醛到该反应器中，提供反应混合物。在添加甲醛到该反应器中之后，使该反应混合物预反应，直到实现约1.4332的折射指数。然后冷却预反应的混合物或“预聚物”到约25℃的温度并置于收集瓶内。两个预聚物的收集瓶(收集瓶A和B)储存在冷藏室内，在约4℃-约5℃的温度下过夜。
根据下述工序，由在收集瓶A内储存过夜的预聚物制备凝胶形式的聚合物粒状物。第二天，将约250g石蜡油和磁搅拌棒加入到位于加热板(Corning PC-351)上的烧杯中。通过转动搅拌标度盘到最大设置，启动磁搅拌棒，并加热石蜡油到约82℃的温度。将约75g来自收集瓶A的预聚物缓慢地加入到加热的石蜡油中，使得石蜡油/预聚物混合物的温度维持高于75℃的温度。在添加预聚物之后，在约80℃-约85℃的温度下，搅拌烧杯的内容物约20分钟。在约20分钟搅拌之后，将烧杯内的固体转移到加热至温度约80℃的水的烧杯内。在约80℃的温度下，搅拌水中的固体约1小时，且冷却烧杯的内容物(石蜡油/聚合物粒状物)并转移到2个玻璃瓶内，其中每一个容纳约200ml石蜡油/聚合物粒状物混合物，并置于加热到温度约85℃的烘箱内。在约15小时之后，从烘箱中取出玻璃瓶，并收集凝胶形式的聚合物颗粒产品(实施例27)。图41中示出了凝胶形式的聚合物颗粒(实施例27)。如图41所示，凝胶形式的聚合物颗粒的截面长度范围为约1mm-约4mm。
根据下述工序，由在收集瓶B内储存过夜的预聚物制备凝胶形式的聚合物粒状物。第二天，将约250g石蜡油和磁搅拌棒加入到位于加热板(Corning PC-351)上的烧杯中。通过转动搅拌标度盘到最大设置，启动磁搅拌棒，并加热石蜡油到约97℃的温度。将约75g来自收集瓶A的预聚物缓慢地加入到加热的石蜡油中，使得石蜡油/预聚物混合物的温度维持高于90℃的温度。在添加预聚物之后，在约93℃-约97℃的温度下，搅拌烧杯的内容物约15分钟，然后在继续搅拌另外约15分钟的情况下，降低温度到约82℃，和冷却烧杯的内容物(石蜡油/聚合物粒状物)并转移到2个玻璃瓶内，其中每一个容纳约200ml石蜡油/聚合物粒状物混合物，并置于加热到约85℃的烘箱内。在约7小时之后，从烘箱中取出玻璃瓶，并收集凝胶形式的聚合物颗粒产品(实施例28)。图42中示出了凝胶形式的聚合物颗粒(实施例28)。如图42所示，凝胶形式的聚合物颗粒的截面长度范围为约0.5mm-约3.5mm。
使用Bellingham+Stanley Ltd RFM 330折射仪，测定实施例24-28中预聚物的折射指数。折射指数的测量工序如下所述。在每一次折射指数(RI)测量之前，在约25.0℃的温度下的水被循环到折射仪内1小时。检测棱镜的清洁度。若从前一次RI测量中留下的蒸馏水的RI读数不是1.3325+/-0.0001，则用蒸馏水，甲醇，IPA(异丙醇)或其他合适的溶剂清洁棱镜和压机，然后用蒸馏水再填充棱镜。立即闭合压机并进行RI测量。视需要重复这一步骤，直到蒸馏水的RI读数为1.3325±0.0001。在校正折射仪之后，擦拭掉棱镜和压机上的蒸馏水。抬举折射仪的压机，并用塑料移液管，将约0.5ml-约1.0ml样品转移到棱镜上。对于RI测量来说，必须具有转移到棱镜上的充足样品，使得整个棱镜区域被样品覆盖。在棱镜内用吸管端轻微地搅拌该样品，使表面张力破裂。然后闭合压机并进行RI测量。通过折射仪显示的温度为25℃±0.1℃。重复前述工序，直到获得等于或在0.0001RI单元内的两次连续的读数，和这两次连续的读数的平均是本文中报道的RI值。
实施例29
下述实施例阐明了可测量电化学稳定性(在下表中所述的碳的物理化学性能)。
在这一情况下，在电压保持下，在暴露于高温下之后，就电容保留率测量电化学性能。具体地，在中试规模下，将这一碳加工成电极，所述电极根据本领域已知的方法，借助含水淤浆加工95:5:3碳:炭黑:苯乙烯-丁二烯共聚物混合物而生产，并使用本领域已知的方法，将电极组装到具有1M在乙腈溶剂中的四乙基铵-四氟硼酸盐的100F双电层电容器内。对该超级电容器在85℃下进行保温，并在2.85V的电压下保持。在这一条件下保温32小时之后，在1小时内冷却这一装置到室温并测量其电容保留率。与对于由商业碳生产的100F可商购的超级电容器的对照情形相比，发现电容保留率保留起始电容的91.2％，发现前者在相同条件下它显示出19.9F/cc的最大理论电容，这对应于其起始电容的90.4％。
在没有束缚于理论的情况下，本文描述的技术生产最大理论电容为大于26F/cc的碳会导致在32小时暴露于2.85V并在85℃下保持之后大于23.7F/cc的碳。另外，本文描述的技术生产最大理论电容为大于27F/cc的碳会导致在32小时暴露于2.85V并在85℃下保持之后大于24.6F/cc的碳。
本文描述的实施方案进一步涉及下述段落中的任何一个或更多个：
1.借助乳液或悬浮法制备凝胶形式的聚合物颗粒的方法，该方法包括制备反应物混合物，所述反应物混合物包括含一种或更多种酚类化合物和任选地一种或更多种交联化合物的单体组分，和载体流体，其中：
a.载体流体含有小于50wt％环己烷，基于载体流体的总重量，
b.单体组分聚合，形成凝胶形式的聚合物颗粒，和
c.凝胶形式的聚合物颗粒的体均粒度(Dv,50)大于或等于1mm。
2.借助乳液或悬浮法制备凝胶形式的聚合物颗粒的方法，该方法包括制备反应物混合物，所述反应物混合物包括含一种或更多种酚类化合物和任选地一种或更多种交联化合物的单体组分，和载体流体，其中：
a.单体组分聚合，形成凝胶形式的聚合物颗粒，
b.载体流体不含表面活性剂或者含有浓度低于临界胶束浓度的表面活性剂，和
c.凝胶形式的聚合物颗粒的体均粒度(Dv,50)大于或等于1mm。
3.借助乳液或悬浮法制备凝胶形式的聚合物颗粒的方法，该方法包括制备反应物混合物，所述反应物混合物包括含一种或更多种酚类化合物和任选地一种或更多种交联化合物的单体组分，和载体流体，其中：
a.单体组分聚合，形成凝胶形式的聚合物颗粒，和
b.载体流体含有小于50wt％环己烷，基于载体流体的总重量，和
c.载体流体不含表面活性剂或者含有浓度小于临界胶束浓度的表面活性剂，和
d.聚合物颗粒的体均粒度(Dv,50)小于或等于1mm。
4.根据段落1或2的方法，其中凝胶形式的聚合物颗粒的体均粒度(Dv,50)大于或等于2mm。
5.根据段落1或2的方法，其中凝胶形式的聚合物颗粒的体均粒度(Dv,50)大于或等于4mm。
6.根据段落1-5任何一段的方法，其中载体流体包括一种或更多种植物油，一种或更多种矿物，一种或更多种氯化烃，一种或更多种石蜡油，或其任何混合物。
7.根据段落1-6任何一段的方法，其中单体组分是含一种或更多种催化剂的含水混合物。
8.根据段落7的方法，其中催化剂包括碳酸铵，碳酸氢铵，醋酸铵，氢氧化铵，或其任何混合物。
9.根据段落1-6任何一段的方法，其中单体组分是含一种或更多种催化剂的含水混合物，和其中一种或更多种催化剂包括碱式盐，有机酸，或其任何混合物。
10.根据段落9的方法，其中有机酸是醋酸，甲酸，丙酸，马来酸，草酸，尿酸，乳酸或其任何混合物。
11.根据段落1-10任何一段的方法，进一步包括搅拌反应混合物。
12.根据段落1-11任何一段的方法，进一步包括加热反应混合物到约30℃-约150℃的温度。
13.根据段落1-12任何一段的方法，其中在聚合过程中，单体组分的pH小于7。
14.根据段落1-13任何一段的方法，其中存在一种或更多种交联化合物，和其中在借助乳液或悬浮工艺，制备凝胶形式的聚合物颗粒之前，一种或更多种酚类化合物和一种或更多种交联化合物彼此预聚合，形成预聚物。
15.根据段落1-14任何一段的方法，其中反应混合物进一步包括0.01％-20％分子量为约100道尔顿-约2,000道尔顿的非离子表面活性剂。
16.根据段落1-15任何一段的方法，进一步包括在惰性氛围内，在约500℃-约2,400℃的温度下，加热凝胶形式的聚合物颗粒，生产热解颗粒。
17.根据段落16的方法，其中热解颗粒的总孔容大于0.5cm3/g和gerameter(GM)大于或等于21。
18.一种电极，它包括根据段落17的方法生产的活化热解颗粒。
19.一种电能储存装置，它包括根据段落17的方法生产的活化热解颗粒。
20.段落1-19任何一段的方法，其中在100kPa的压力下，载体流体的沸点大于或等于81℃。
21.段落1-20任何一段的方法，进一步包括分离聚合物颗粒与载体流体，提供独立的凝胶形式的聚合物颗粒。
22.段落1-21任何一段的方法，其中在聚合过程中，单体组分的pH大于7。
23.段落1-22任何一段的方法，其中当单体组分聚合，形成凝胶形式的聚合物颗粒时，反应物混合物在大于或等于约30℃的温度下。
24.段落1-23任何一段的方法，其中存在一种或更多种交联化合物，和其中在借助乳液或悬浮法，制备凝胶形式的聚合物颗粒之前，彼此聚合一种或更多种酚类化合物和一种或更多种交联化合物，形成折射指数范围为约1.1000-约1.7000的液体预聚物。
25.段落1-24任何一段的方法，其中反应混合物进一步包括含氮的电化学改性剂。
26.段落1-25任何一段的方法，进一步包括干燥凝胶形式的聚合物颗粒，且凝胶形式的聚合物颗粒没有任何尺寸下降。
27.段落1-26任何一段的方法，其中凝胶形式的聚合物颗粒的总孔容为约0.01cm3/g至1.5cm3/g。
28.段落1-27任何一段的方法，进一步包括：
在惰性氛围下，在范围为500℃-2400℃的温度下，加热凝胶形式的聚合物颗粒，生产热解的颗粒；和
在含二氧化碳，一氧化碳，蒸汽，氧气或其任何混合物的氛围内，在500℃-1300℃的温度下活化热解的颗粒，生产活化颗粒。
29.根据段落28的方法，其中活化的颗粒的总孔容大于0.5cm3/g和gerameter(GM)大于或等于21。
30.根据段落28的方法，其中活化的颗粒的总孔容大于1cm3/g和gerameter(GM)为9-21。
31.一种电极，它包括根据段落28-30任何一段的方法生产的活化热解颗粒。
32.一种电能储存装置，它包括根据段落28-30任何一段的方法生产的活化热解颗粒。
33.根据段落1或2的方法，其中聚合物颗粒的Dv,50大于或等于1.5mm。
34.根据段落1或2的方法，其中聚合物颗粒的Dv,50大于或等于3mm。
35.根据段落1-6或11-34任何一段的方法，其中单体组分是含一种或更多种催化剂的含水混合物。
36.根据段落35的方法，其中一种或更多种催化剂包括有机酸。
37.根据段落36的方法，其中一种或更多种催化剂包括碱式盐。
38.根据段落37的方法，其中碱式盐是碳酸铵，碳酸氢铵，醋酸铵，或氢氧化铵或其任何混合物。
39.根据段落35-38任何一段的方法，其中一种或更多种催化剂基本上不含有任何金属，金属离子，半金属离子和卤素组成的任何部分。
40.根据段落7-10或35-39任何一段的方法，其中一种或更多种酚类化合物与一种或更多种催化剂的摩尔比范围为约5-约400。
41.根据段落7-10或35-39任何一段的方法，其中一种或更多种酚类化合物与一种或更多种催化剂的摩尔比范围为约5-约50。
42.根据段落1-41任何一段的方法，其中借助悬浮法，制造凝胶形式的聚合物颗粒，该方法进一步包括采用混合器，搅拌该悬浮液。
43.根据段落1-42任何一段的方法，进一步包括加热反应物混合物到约30℃-约100℃的温度。
44.根据段落1-43任何一段的方法，其中在聚合过程中，单体组分的pH小于4。
45.根据段落1-44任何一段的方法，其中在单体组分的聚合过程中，反应混合物在范围为约80℃-约150℃的温度下。
46.根据段落25的方法，其中含氮的电化学改性剂是脲，三聚氰胺或其混合物。
47.根据段落1-46任何一段的方法，其中反应混合物，载体流体或二者包括0.01-20％SPANTM80，SPANTM85，SPANTM65，SPANTM60，SPANTM40，SPANTM20， 或其任何混合物。
48.根据段落1-47任何一段的方法，其中聚合物凝胶颗粒包括约0.1至0.9cm3/g的总孔容。
49.根据段落16-19或28-32任何一段的方法，其中热解的聚合物凝胶颗粒的总孔容大于0.8cm3/g，和其中小于50％的总孔容残留在小于20nm的孔内。
50.根据段落1-49任何一段的方法，其中一种或更多种酚类化合物包括苯酚，一种或更多种取代酚类化合物，一种或更多种单宁，或其任何混合物。
51.根据段落1-50任何一段的方法，其中存在一种或更多种交联化合物，和其中交联化合物的化学式为RCHO，其中R是氢或烃基。
52.根据段落1-51任何一段的方法，其中存在一种或更多种交联化合物，和其中交联化合物是多官能醛化合物。
53.根据段落1-52任何一段的方法，其中存在一种或更多种交联化合物，和其中一种或更多种酚类化合物包括1,3-二羟基苯，和其中一种或更多种交联化合物包括甲醛。
54.根据段落1-53任何一段的方法，其中载体流体含有小于0.3wt％的任何表面活性剂，基于载体流体的重量。
55.根据段落1-54任何一段的方法，其中载体流体含有小于0.1wt％的任何表面活性剂，基于载体流体的重量。
56.根据段落1-55任何一段的方法，其中载体流体不含任何表面活性剂。
57.根据段落1-56任何一段的方法，其中凝胶形式的聚合物颗粒的体均粒度(Dv,60)大于或等于1.5mm。
58.根据段落1-57任何一段的方法，其中凝胶形式的聚合物颗粒的体均粒度(Dv,40)大于或等于1.1mm。
59.根据段落1-58任何一段的方法，其中凝胶形式的聚合物颗粒的体均粒度(Dv,40)大于或等于1.3mm。
60.根据段落1-59任何一段的方法，其中凝胶形式的聚合物颗粒的体均粒度(Dv,40)大于或等于1.5mm。
61.根据段落1-60任何一段的方法，其中凝胶形式的聚合物颗粒的体均粒度(Dv,40)大于或等于1.7mm。
62.根据段落1-61任何一段的方法，其中载体流体含有小于0.5wt％环己烷。
63.根据段落1-62任何一段的方法，其中载体流体不含环己烷。
64.根据段落1-63任何一段的方法，其中载体流体包括一种或更多种环烷烃.
65.根据段落1-64任何一段的方法，其中结合单体组分与液体介质。
66.根据段落1-65任何一段的方法，其中单体组分是含水混合物。
67.根据段落1-6，11-34，或40-66任何一段的方法，其中反应物混合物进一步包括一种或更多种催化剂。
68.根据段落67的方法，其中一种或更多种催化剂具有碱性pH。
69.根据段落67的方法，其中一种或更多种催化剂具有酸性pH。
70.根据段落67的方法，其中一种或更多种催化剂包括氢氧化钠，碳酸钠，碳酸氢钠，氧化镁，氧化钙，氧化钡，沸石，氟化钾，氢氧化钾，碳酸钾，碳酸氢钾，碳酸铵，六亚甲基四胺，醋酸，盐酸，硫酸，磷酸，次磷酸，磺酸，没食子酸，草酸，苦味酸，醋酸铵，碳酸铵，或其任何混合物。
71.根据段落67的方法，其中一种或更多种催化剂包括醋酸铵和醋酸的混合物。
72.根据段落67-71任何一段的方法，其中一种或更多种催化剂基本上不含任何金属或金属离子。
73.根据段落67-72任何一段的方法，其中一种或更多种催化剂不含任何金属或金属离子。
74.根据段落67-73任何一段的方法，其中一种或更多种酚类化合物与一种或更多种催化剂的摩尔比的范围为约5-约400。
75.根据段落67-74任何一段的方法，其中一种或更多种酚类化合物与一种或更多种催化剂的摩尔比的范围为约5-约100。
76.根据段落67-75任何一段的方法，其中一种或更多种酚类化合物与一种或更多种催化剂的摩尔比的范围为约5-约50。
77.根据段落67-75任何一段的方法，其中一种或更多种酚类化合物与一种或更多种催化剂的摩尔比的范围为约5-约45。
78.根据段落67-75任何一段的方法，其中一种或更多种酚类化合物与一种或更多种催化剂的摩尔比小于50。
79.根据段落1-78任何一段的方法，进一步包括干燥凝胶形式的聚合物颗粒，生产干燥聚合物颗粒。
80.根据段落1-78任何一段的方法，进一步包括在超临界条件下，干燥聚合物颗粒，生产干燥的聚合物颗粒。
81.根据段落1-78任何一段的方法，进一步包括冷冻干燥聚合物颗粒，生产干燥的聚合物颗粒。
82.根据段落1-78任何一段的方法，进一步包括空干凝胶形式的聚合物颗粒，生产干燥的聚合物颗粒。
83.根据段落1-82任何一段的方法，其中凝胶形式的聚合物颗粒含有小于1wt％的任何金属离子，金属原子，或其混合物，基于凝胶形式的聚合物颗粒的总重量。
84.根据段落1-83任何一段的方法，其中凝胶形式的聚合物颗粒含有小于0.1wt％的任何金属离子，金属原子，或其混合物，基于凝胶形式的聚合物颗粒的总重量。
85.根据段落1-84任何一段的方法，其中借助乳液法制造凝胶形式的聚合物颗粒，和其中该乳液法是反向乳液法。
86.根据段落1-85任何一段的方法，其中载体流体包括水。
87.根据段落1-86任何一段的方法，其中载体流体含有至少50wt％水，基于载体流体的总重量。
88.根据段落1-87任何一段的方法，其中载体流体含有至少75wt％水，基于载体流体的总重量。
89.根据段落1-88任何一段的方法，其中载体流体含有至少90wt％水，基于载体流体的总重量。
90.根据段落1-89任何一段的方法，其中载体流体含有至少95wt％水，基于载体流体的总重量。
91.根据段落1-90任何一段的方法，其中在单体组分的聚合过程中，反应混合物在大于或等于约90℃的温度下。
92.根据段落1-91任何一段的方法，其中在单体组分的聚合过程中，反应混合物在大于或等于约93℃的温度下。
93.根据段落1-92任何一段的方法，其中在单体组分的聚合过程中，反应混合物在大于或等于约95℃的温度下。
94.根据段落1-93任何一段的方法，其中在单体组分的聚合过程中，反应混合物在大于或等于约97℃的温度下。
95.根据段落1-94任何一段的方法，其中在单体组分的聚合过程中，反应混合物在大于或等于约99℃的温度下。
96.根据段落1-95任何一段的方法，其中在单体组分的聚合过程中，反应混合物在大于或等于约100℃的温度下。
97.根据段落1-96任何一段的方法，其中在单体组分的聚合过程中，反应混合物在约90℃-约150℃范围内的温度下。
98.根据段落1-97任何一段的方法，其中在单体组分的聚合过程中，反应混合物在约95℃-约150℃范围内的温度下。
99.一种聚合物凝胶，其粒度分布使得体均粒度(Dv，50)大于约1mm和(体均粒度(Dv,90)–体均粒度(Dv,10))/(体均粒度(Dv,50))小于3，其中体均粒度(Dv,10)，体均粒度(Dv,50)和体均粒度(Dv,90)分别是在10％，50％和90％体积的粒度分布处的粒度。
100.根据段落99的聚合物凝胶，其中(体均粒度(Dv,90)–体均粒度(Dv,10))/(体均粒度(Dv,50))小于2。
101.根据段落99的聚合物凝胶，其中(体均粒度(Dv,90)–体均粒度(Dv,10))/(体均粒度(Dv,50))小于1。
102.根据段落99-101任何一段的聚合物凝胶，其中聚合物凝胶的粒度(Dv，50)大于约2mm。
103.根据段落99-101任何一段的聚合物凝胶，其中聚合物凝胶的粒度(Dv，50)大于约3mm。
104.根据段落99-101任何一段的聚合物凝胶，其中聚合物凝胶的粒度(Dv，50)大于约4mm。
105.根据段落99-104任何一段的聚合物凝胶，其中(体均粒度(Dv,90)–体均粒度(Dv,10))/(体均粒度(Dv,50))小于2。
106.一种碳材料，其具有大于26F/cm3的最大理论电容，这在0.5Amp/g的电流密度下，使用含四乙基铵-四氟硼烷在乙腈内的电解质来测量，和其中该碳材料具有小于500ppm原子序数为11至92的所有原子，这通过质子诱导的x-射线发射来测量。
107.一种电极，它包括根据段落106生产的碳材料。
108.一种电能储存装置，它包括根据段落106的碳材料。
109.根据段落108的电能储存装置，其中该电能储存装置是双电层电容器，和其中该双电层电容器显示出大于26F/cc的最大理论电容，这在0.5Amp/g的电流密度下，使用含四乙基铵-四氟硼烷在乙腈内的电解质来测量。
110.根据段落108的电能储存装置，其中该电能储存装置是双电层电容器。
111.根据段落108的电能储存装置，其中该电能储存装置是电池。
112.根据段落108的电能储存装置，其中该电能储存装置是锂/碳电池，锌/碳电池，锂空气电池或铅酸电池。
113.根据段落1-98任何一段的方法，其中载体流体包括具有至少8，至少10，至少12，至少14，至少16，至少18，至少20，至少22，至少24，至少26，至少28，至少30，至少32，至少34，至少36，至少38，或至少40个碳原子的一种或更多种烃。
114.根据段落1-98任何一段的方法，其中载体流体包括具有至少8，至少10，至少12，至少14，至少16，至少18，至少20，至少22，至少24，至少26，至少28，至少30，至少32，至少34，至少36，至少38，或至少40个碳原子的一种或更多种烃或其任何的组合，和其中一种或更多种烃的存在量为至少1wt％，至少5wt％，至少10wt％，至少15wt％，至少20wt％，至少25wt％，至少30wt％，至少35wt％，至少40wt％，至少45wt％，至少50wt％，至少55wt％，至少60wt％，至少65wt％，至少70wt％，至少75wt％，至少80wt％，至少85wt％，至少90wt％，至少95wt％，或100wt％。
115.根据段落1-98任何一段的方法，其中载体流体包括具有至少8，至少10，至少12，至少14，至少16，至少18，至少20，至少22，至少24，至少26，至少28，至少30，至少32，至少34，至少36，至少38，至少40个碳原子的一种或更多种烃或其任何的组合，和其中一种或更多种烃的存在量为至少1wt％，至少5wt％，至少10wt％，至少15wt％，至少20wt％，至少25wt％，至少30wt％，至少35wt％，至少40wt％，至少45wt％，至少50wt％，至少55wt％，至少60wt％，至少65wt％，至少70wt％，至少75wt％，至少80wt％，至少85wt％，至少90wt％，至少95wt％，或100wt％。
116.一种电极，它包括最大理论电容大于26F/cm3的碳，和其中在2.85V和85℃下保温32h之后，该电极保留大于90％它的电容，这二者均在0.5Amp/g的电流密度下，使用在乙腈内含四乙基铵-四氟硼烷的电解质来测量。
117.一种电极，它包括最大理论电容大于27F/cm3的碳，和其中在2.85V和85℃下保温32h之后，该电极保留大于90％它的电容，这二者均在0.5Amp/g的电流密度下，使用在乙腈内含四乙基铵-四氟硼烷的电解质来测量。
118.一种电极，它包括最大理论电容大于28F/cm3的碳，和其中在2.85V和85℃下保温32h之后，该电极保留大于90％它的电容，这二者均在0.5Amp/g的电流密度下，使用在乙腈内含四乙基铵-四氟硼烷的电解质来测量。
119.一种电极，它包括最大理论电容大于29F/cm3的碳，和其中在2.85V和85℃下保温32h之后，该电极保留大于90％它的电容，这二者均在0.5Amp/g的电流密度下，使用在乙腈内含四乙基铵-四氟硼烷的电解质来测量。
120.一种电极，它包括最大理论电容大于24F/cm3的碳，和其中在2.85V和85℃下保温32h之后，和在0.5Amp/g的电流密度下，使用在乙腈内含四乙基铵-四氟硼烷的电解质测量电容。
121.一种电极，它包括最大理论电容大于25F/cm3的碳，和其中在2.85V和85℃下保温32h之后，和在0.5Amp/g的电流密度下，使用在乙腈内含四乙基铵-四氟硼烷的电解质测量电容。
122.一种电极，它包括最大理论电容大于26F/cm3的碳，和其中在2.85V和85℃下保温32h之后，和在0.5Amp/g的电流密度下，使用在乙腈内含四乙基铵-四氟硼烷的电解质测量电容。
123.一种电极，它包括最大理论电容大于27F/cm3的碳，和其中在2.85V和85℃下保温32h之后，和在0.5Amp/g的电流密度下，使用在乙腈内含四乙基铵-四氟硼烷的电解质测量电容。
使用一组数值上限和一组数值下限，描述了一些实施方案和特征。应当理解，除非另有说明，涵盖了包括任何两个数值的组合在内的范围，例如任何下限值与任何上限值的组合，任何两个下限值的组合和/或任何两个上限值的组合。一些下限，上限和范围出现在以下的一个或更多个权利要求中。所有数值是所述值的“大约”或“近似”，并考虑了本领域普通技术人员将预期的实验误差和变化。
以上定义了各种术语。在权利要求中所使用的术语在以上没有定义的情况下，应当给出最宽的定义，该定义是本领域技术人员给出的在至少一个印刷的出版物或者授权专利中反映该术语的定义。此外，在本申请中引证的所有专利，试验工序，和其他文献全部通过参考引入，其程度使得这种公开内容没有与本申请冲突且在这种引入允许的所有权限下。
可结合以上所述的各种实施方案，提供进一步的实施方案。将本说明书涉及的和/或申请数据单中列出的所有美国专利、美国专利申请公布、美国专利申请、国外专利、国外专利申请和非专利公开在此通过参考全文引入。若必要，则实施方案的方面可以修改以采用各种专利、申请和公开的概念从而提供再进一步的实施方案。根据上述详细描述，能对实施方案进行这些和其它的改变。一般而言，在下述权利要求中，所使用的术语不应解释为将权利要求限制在本说明书和权利要求中公开的具体实施方案，但应解释为包括所有可能的实施方案连同这类权利要求所给予的等同物的所有范围。因此，权利要求不受公开内容的限制。

Claims (30)

1.借助乳液或悬浮法制造凝胶形式的聚合物颗粒的方法，该方法包括：
使载体流体与含一种或多种酚类化合物的单体组分接触，制成乳液或悬浮液；和
在乳液或悬浮液中使所述单体组分聚合，制成凝胶形式的聚合物颗粒，其中：
该载体流体含有一种或多种石蜡油，不含表面活性剂，并且基本上不含环己烷，
该载体流体在25℃温度下的粘度为1cP-500cP，
所述单体组分在25℃温度下粘度为5cP-1000cP，
所述凝胶形式的聚合物颗粒的Dv,50大于或等于1mm，和
不经粉碎、研磨或颗粒尺寸调整的其它物理方式制造所述凝胶形式的Dv,50大于或等于1mm的聚合物颗粒。
2.借助乳液或悬浮法制造凝胶形式的聚合物颗粒的方法，该方法包括：
使载体流体与含一种或多种酚类化合物的单体组分接触，制成乳液或悬浮液，和
在乳液或悬浮液中使所述单体组分聚合，制成凝胶形式的聚合物颗粒，其中：
载体流体包含一种或多种石蜡油，不含表面活性剂，并且基本上不含环己烷，
所述载体流体在25℃温度下的粘度为1cP-500cP，
所述单体组分在25℃温度下的粘度为5cP-1000cP，
所述凝胶形式的聚合物颗粒的Dv,50大于或等于1mm，和
不经粉碎、研磨或颗粒尺寸调整的其它物理方式制造所述凝胶形式的Dv,50大于或等于1mm的聚合物颗粒。
3.借助乳液或悬浮法制造凝胶形式的聚合物颗粒的方法，该方法包括：
使酚类化合物和交联化合物聚合，制成折射指数为1.2000至1.6000的液体预聚物，将该液体预聚物添加至载体流体中制成乳液或悬浮液，其中在无所述载体流体存在下制备所述液体预聚物；和
在乳液或悬浮液中使所述液体预聚物聚合，制成凝胶形式的聚合物颗粒，其中：
所述凝胶形式的聚合物颗粒的Dv,50大于1mm-7mm，和
所述载体流体包含小于50wt％环己烷，基于载体流体的总重量，或
载体流体包含一种或多种石蜡油，不含表面活性剂，并且基本上不含环己烷。
4.权利要求1-3任一项的方法，其中凝胶形式的聚合物颗粒的Dv,50大于或等于2mm。
5.权利要求1-3任一项的方法，其中凝胶形式的聚合物颗粒的Dv,50大于或等于4mm。
6.权利要求1或2的方法，其中单体组分是含一种或多种催化剂的含水混合物，其中所述一种或多种催化剂包括碳酸铵，碳酸氢铵，醋酸铵，氢氧化铵，或其任何混合物。
7.权利要求6的方法，其中单体组分是含一种或多种催化剂的含水混合物，和其中所述一种或多种催化剂包括醋酸铵、醋酸或其混合物。
8.权利要求1或2的方法，其中单体组分是含一种或多种催化剂的含水混合物，和其中一种或多种催化剂包括碱式盐，有机酸，或其任何混合物。
9.权利要求8的方法，其中含水混合物包含有机酸，其中有机酸是醋酸，甲酸，丙酸，马来酸，草酸，尿酸，乳酸，或其任何混合物。
10.权利要求1-3任何一项的方法，进一步包括搅拌该乳液或悬浮液。
11.权利要求1-3任何一项的方法，进一步包括加热该乳液或悬浮液到30℃-150℃的温度。
12.权利要求1或2的方法，其中在聚合过程中，单体组分的pH小于7。
13.权利要求1或2的方法，其中凝胶形式的聚合物颗粒的Dv,50为1mm-6mm。
14.权利要求1-3任何一项的方法，进一步包括在惰性氛围内，在500℃-2,400℃的温度下，加热凝胶形式的聚合物颗粒，生产热解颗粒。
15.权利要求14的方法，其中热解颗粒的总孔容大于0.5cm3/g和gerameter(GM)大于或等于21。
16.一种电极，它包括根据权利要求15的方法生产的活化的热解颗粒。
17.一种电能存储装置，它包括根据权利要求15的方法生产的活化的热解颗粒。
18.权利要求1-3任何一项的方法，其中载体流体在100kPa的压力下的沸点大于或等于81℃。
19.权利要求1-3任何一项的方法，进一步包括分离聚合物颗粒与载体流体，提供分离的凝胶形式的聚合物颗粒。
20.权利要求1或2的方法，其中在聚合过程中，单体组分的pH大于7。
21.权利要求1或2的方法，其中当单体组分聚合形成凝胶形式的聚合物颗粒时，乳液或悬浮液在大于或等于30℃的温度下。
22.权利要求1-3任何一项的方法，其中凝胶形式的聚合物颗粒的Dv,50为大于3mm-7mm。
23.权利要求1-3任何一项的方法，其中乳液或悬浮液进一步包括含氮的电化学改性剂。
24.权利要求1-3任何一项的方法，进一步包括在凝胶形式的聚合物颗粒的尺寸没有任何减少的情况下，干燥凝胶形式的聚合物颗粒。
25.权利要求1-3任何一项的方法，其中凝胶形式的聚合物颗粒的总孔容为0.01cm3/g至1.5cm3/g。
26.权利要求1-3任何一项的方法，进一步包括：
在惰性氛围内，在范围为500℃-2,400℃的温度下，加热凝胶形式的聚合物颗粒，生产热解颗粒；和
在含二氧化碳，一氧化碳，蒸汽，氧气，或其任何混合物的氛围内，在500℃-1,300℃的温度下活化热解颗粒，生产活化颗粒。
27.权利要求26的方法，其中活化颗粒的总孔容大于0.5cm3/g和gerameter(GM)大于或等于21。
28.权利要求26的方法，其中活化颗粒的总孔容大于1cm3/g和gerameter(GM)为9-21。
29.一种电极，它包括根据权利要求26的方法生产的活化的热解颗粒。
30.一种电能储存装置，它包括根据权利要求26的方法生产的活化的热解颗粒。
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Families Citing this family (70)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2100317B1 (en) 2006-11-15 2016-01-27 Energ2, Inc. Electric double layer capacitance device
HRP20241382T1 (hr) 2009-07-01 2024-12-20 Basf Mobile Emissions Catalysts Llc Ultračisti sintetički ugljični materijali
US9373838B2 (en) 2009-09-29 2016-06-21 Georgia Tech Research Corporation Electrodes, lithium-ion batteries, and methods of making and using same
US8654507B2 (en) 2010-09-30 2014-02-18 Energ2 Technologies, Inc. Enhanced packing of energy storage particles
US9440858B2 (en) * 2011-03-15 2016-09-13 University Of Kentucky Research Foudation Carbon particles
US20120262127A1 (en) 2011-04-15 2012-10-18 Energ2 Technologies, Inc. Flow ultracapacitor
EP2715840B1 (en) 2011-06-03 2015-05-27 Basf Se Carbon-lead blends for use in hybrid energy storage devices
CN104254560B (zh) * 2012-02-09 2017-09-22 佐治亚-太平洋化工品有限公司 制备聚合物树脂的方法和碳材料
WO2013120011A1 (en) 2012-02-09 2013-08-15 Energ2 Technologies, Inc. Preparation of polymeric resins and carbon materials
KR101949229B1 (ko) * 2012-02-09 2019-02-18 조지아-퍼시픽 케미칼즈 엘엘씨 겔 형태의 폴리머 미립자를 제조하는 방법
US10374221B2 (en) 2012-08-24 2019-08-06 Sila Nanotechnologies, Inc. Scaffolding matrix with internal nanoparticles
US9552930B2 (en) 2015-01-30 2017-01-24 Corning Incorporated Anode for lithium ion capacitor
CN110112377A (zh) 2013-03-14 2019-08-09 14族科技公司 包含锂合金化的电化学改性剂的复合碳材料
KR101758547B1 (ko) 2013-04-24 2017-07-26 헥시온 인코포레이티드 졸-겔 수지를 제조하는 방법
US9353208B2 (en) 2013-04-24 2016-05-31 Hexion Inc. Method for preparing a sol-gel resin
US10195583B2 (en) 2013-11-05 2019-02-05 Group 14 Technologies, Inc. Carbon-based compositions with highly efficient volumetric gas sorption
CN107074994B (zh) 2014-03-14 2021-12-14 14集团技术公司 无溶剂进行溶胶-凝胶聚合并由其产生可调节的碳结构的新方法
US20170029574A1 (en) * 2014-04-07 2017-02-02 Hutchinson Gelled, crosslinked and non-dried aqueous polymeric composition, aerogel and porous carbon for supercapacitor electrode and processes for preparing same
US20150329364A1 (en) * 2014-05-13 2015-11-19 Georgia-Pacific Chemicals Llc Activated carbon products and methods for making and using same
US9780386B2 (en) * 2014-08-08 2017-10-03 Samsung Electronics Co., Ltd. Composite for lithium air battery, method of preparing the composite, and lithium air battery employing positive electrode including the composite
US10068715B2 (en) * 2014-12-12 2018-09-04 Corning Incorporated Activated carbon and electric double layer capacitor thereof
US9607778B2 (en) 2015-01-30 2017-03-28 Corning Incorporated Poly-vinylidene difluoride anode binder in a lithium ion capacitor
US9911545B2 (en) * 2015-01-30 2018-03-06 Corning Incorporated Phenolic resin sourced carbon anode in a lithium ion capacitor
US9672992B2 (en) 2015-01-30 2017-06-06 Corning Incorporated Coke sourced anode for lithium ion capacitor
US9679704B2 (en) 2015-01-30 2017-06-13 Corning Incorporated Cathode for a lithium ion capacitor
WO2016160703A1 (en) 2015-03-27 2016-10-06 Harrup Mason K All-inorganic solvents for electrolytes
CN104835969B (zh) * 2015-05-27 2017-02-22 哈尔滨工业大学 一种制备高比表面积多孔电极的方法
CN104909365B (zh) * 2015-06-09 2017-12-19 中国科学院山西煤炭化学研究所 沥青球氧化不融化的促进方法
US10763501B2 (en) 2015-08-14 2020-09-01 Group14 Technologies, Inc. Nano-featured porous silicon materials
EP3836261A1 (en) 2015-08-28 2021-06-16 Group14 Technologies, Inc. Novel materials with extremely durable intercalation of lithium and manufacturing methods thereof
JP6605909B2 (ja) * 2015-10-09 2019-11-13 株式会社トーキン 電気二重層キャパシタ
WO2017083825A1 (en) * 2015-11-13 2017-05-18 David Mitlin Activated carbons from dairy products
KR101945594B1 (ko) * 2016-08-30 2019-02-07 재단법인 한국탄소융합기술원 탄화공정 제어를 통한 고비표면적 하드카본 기반 전극 활물질 제조방법 및 이에 의해 제조된 전극 활물질
US10707531B1 (en) 2016-09-27 2020-07-07 New Dominion Enterprises Inc. All-inorganic solvents for electrolytes
US20190326589A1 (en) * 2016-11-23 2019-10-24 Grst International Limited Method of preparing anode slurry for secondary battery
WO2018095283A1 (en) * 2016-11-23 2018-05-31 Grst International Limited Anode slurry for secondary battery
CN116978701A (zh) 2017-03-09 2023-10-31 14集团技术公司 含硅前体在多孔支架材料上的分解
CN107464700A (zh) * 2017-08-03 2017-12-12 淮安美泽龙电子材料有限公司 含有石墨烯分子结构的植物多酚树脂炭电极材料的制备
FR3071361B1 (fr) * 2017-09-15 2019-09-13 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Procede de fabrication d'une electrode pour accumulateur lithium-soufre utilisant du li2s comme materiau actif
CN108147390A (zh) * 2017-12-07 2018-06-12 西安交通大学 一种金属-天然多酚配合物纳米球及其纳米多孔金属/碳基复合材料及制备方法
CA3089585A1 (en) * 2018-01-24 2019-08-01 Energ2 Technologies, Inc. Methods for preparing carbon materials
WO2019148208A1 (en) 2018-01-29 2019-08-01 Georgia-Pacific Chemicals Llc Methods and systems for recovering terpene compositions from wood drying exhaust
US10897045B2 (en) * 2018-04-11 2021-01-19 Ut-Battelle, Llc Crosslinked functional binders and their use in silicon-containing anodes of lithium-ion batteries
GB2580033B (en) 2018-12-19 2021-03-10 Nexeon Ltd Electroactive materials for metal-Ion batteries
US12218341B2 (en) 2018-11-08 2025-02-04 Nexeon Limited Electroactive materials for metal-ion batteries
US12176521B2 (en) 2018-11-08 2024-12-24 Nexeon Limited Electroactive materials for metal-ion batteries
GB201818235D0 (en) 2018-11-08 2018-12-26 Nexeon Ltd Electroactive materials for metal-ion batteries
GB201818232D0 (en) * 2018-11-08 2018-12-26 Nexeon Ltd Electroactive materials for metal-ion batteries
CN109283278B (zh) * 2018-11-30 2021-10-01 北京林业大学 一种微量油茶种仁油脂含量和脂肪酸同时测定的方法
EP3900080A1 (en) 2018-12-21 2021-10-27 Nexeon Limited Process for preparing electroactive materials for metal-ion batteries
US10508335B1 (en) 2019-02-13 2019-12-17 Nexeon Limited Process for preparing electroactive materials for metal-ion batteries
CN115003485B (zh) * 2020-01-20 2024-04-16 优泊公司 成型体的制造方法和制造系统
JP7132258B2 (ja) * 2020-02-19 2022-09-06 グループ１４・テクノロジーズ・インコーポレイテッド 無溶媒中におけるゾル－ゲル重合のための新規方法、及びゾル－ゲル重合由来の可変炭素構造の作製
US10964940B1 (en) 2020-09-17 2021-03-30 Nexeon Limited Electroactive materials for metal-ion batteries
CN115699368A (zh) 2020-05-28 2023-02-03 昭和电工株式会社 锂离子二次电池用负极材料及其用途
WO2022016131A1 (en) * 2020-07-17 2022-01-20 Scientlce, Llc Anti-fouling and foul-releasing compositions and methods of making and using same
CN111945298A (zh) * 2020-08-06 2020-11-17 杨保成 一种多孔透气无纺布的制备方法
US11174167B1 (en) 2020-08-18 2021-11-16 Group14 Technologies, Inc. Silicon carbon composites comprising ultra low Z
US11639292B2 (en) 2020-08-18 2023-05-02 Group14 Technologies, Inc. Particulate composite materials
US11335903B2 (en) 2020-08-18 2022-05-17 Group14 Technologies, Inc. Highly efficient manufacturing of silicon-carbon composites materials comprising ultra low z
JP2023539001A (ja) 2020-08-25 2023-09-13 アスペン エアロゲルズ，インコーポレイティド ポリイミドビーズ材料及びその製造方法
CN112125306B (zh) * 2020-09-28 2022-05-06 烟台中科恩吉科创新产业园管理有限公司 一种活性炭及其制备方法
JP2023544717A (ja) 2020-09-30 2023-10-25 グループ１４・テクノロジーズ・インコーポレイテッド シリコン－カーボン複合材料の酸素含有量及び反応性制御のための不動態化の方法
CN114373924A (zh) * 2020-10-14 2022-04-19 天津工业大学 一种锂/钠离子电池用绿色酚醛树脂基硬碳负极材料及制备方法
WO2022086531A1 (en) * 2020-10-22 2022-04-28 Canon Kabushiki Kaisha Photocurable composition
EP4260386A1 (en) * 2020-12-08 2023-10-18 Applied Materials, Inc. Pre-lithiation and lithium metal-free anode coatings
CN112670494B (zh) * 2021-01-20 2023-06-20 广东工业大学 一种钒酸盐电极材料及其制备方法和应用
US20240120502A1 (en) 2021-02-26 2024-04-11 Mitsui Mining & Smelting Co., Ltd. Electrode catalyst, manufacturing method therefor, and fuel cell
CN116493011B (zh) * 2023-05-10 2024-10-29 四川大学 一种利用球形多孔纳米催化剂制备左旋多巴的方法
CN116553524B (zh) * 2023-07-04 2023-09-15 成都锂能科技有限公司 一种钠离子电池硬碳负极材料及其制备工艺、应用

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5908896A (en) * 1993-07-08 1999-06-01 The Regents Of The University Of California Organic aerogel microspheres
US20100092370A1 (en) * 2008-10-10 2010-04-15 Headwaters Technology Innovation, Llc Preparation of a carbon nanomaterial using a reverse microemulsion

Family Cites Families (40)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AR206127A1 (es) * 1973-10-04 1976-06-30 Dulux Australia Ltd Procedimiento para preparar perlas de resina de urea-formaldehido
JPS5343736B2 (zh) 1974-01-08 1978-11-22
US4206095A (en) 1977-03-14 1980-06-03 Union Carbide Corporation Process for producing particulate resoles from aqueous dispersion
GB9313501D0 (en) * 1993-06-30 1993-08-11 Nycomed Imaging As Improvements in or relating to polymer materials
US5583162A (en) * 1994-06-06 1996-12-10 Biopore Corporation Polymeric microbeads and method of preparation
US5670571A (en) * 1995-11-03 1997-09-23 Georgia-Pacific Resins, Inc. Process for producing a dispersed novolac resin and use in a binder system for thermal insulation
US5858055A (en) * 1997-10-07 1999-01-12 The Lubrizol Corporation Water-in-oil emulsion fertilizer compositions
JP2000239336A (ja) * 1999-02-25 2000-09-05 Sumitomo Durez Co Ltd 低密度球状フェノール樹脂硬化物
GB0019417D0 (en) * 2000-08-09 2000-09-27 Mat & Separations Tech Int Ltd Mesoporous carbons
WO2002102915A1 (en) * 2001-06-15 2002-12-27 Borden,Chemical, Inc. Novel phenol-aldehyde/wax emulsion adhesive
TWI315439B (en) * 2002-07-30 2009-10-01 Sipix Imaging Inc Novel microencapsulation processes and composition for electrophoretic displays
TWI299101B (en) 2003-01-30 2008-07-21 Sipix Imaging Inc High performance capsules for electrophoretic displays
JP2004315283A (ja) * 2003-04-15 2004-11-11 National Institute Of Advanced Industrial & Technology 多孔質カーボン粒子及びその製造方法
JP2005105090A (ja) * 2003-09-30 2005-04-21 Sumitomo Bakelite Co Ltd 球状フェノール樹脂及びその製造方法
EP1791691A4 (en) 2004-09-20 2010-06-23 Hexion Specialty Chemicals Res PARTICLES USED AS SUPPORTING AGENTS OR GRAFT GRAPPLES, METHODS OF MAKING AND USING SAME
US7723262B2 (en) 2005-11-21 2010-05-25 Energ2, Llc Activated carbon cryogels and related methods
US8304465B2 (en) 2006-01-18 2012-11-06 Lawrence Livermore National Security, Llc High strength air-dried aerogels
EP2100317B1 (en) 2006-11-15 2016-01-27 Energ2, Inc. Electric double layer capacitance device
US8293819B2 (en) 2006-11-24 2012-10-23 Canon Kabushiki Kaisha Method for producing particles and particles
US20080152577A1 (en) * 2006-12-21 2008-06-26 Addiego William P Ordered mesoporous carbons and method for manufacturing same
JP2008169269A (ja) 2007-01-10 2008-07-24 Hitachi Chem Co Ltd フェノール樹脂微小球の高次凝集体粒子、その製造方法、炭素微小球の高次凝集体粒子
US20100092830A1 (en) 2007-02-01 2010-04-15 National Institute Of Advanced Industrial Science Electrode catalyst for a fuel cell, and fuel cell using the same
US8058213B2 (en) 2007-05-11 2011-11-15 Georgia-Pacific Chemicals Llc Increasing buoyancy of well treating materials
US7642333B2 (en) * 2007-05-21 2010-01-05 Georgia-Pacific Chemicals Llc Anhydride and resorcinol latent catalyst system for improving cure characteristics of phenolic resins
PE20100438A1 (es) * 2008-06-05 2010-07-14 Georgia Pacific Chemicals Llc Composicion de suspension acuosa con particulas de materiales valiosos e impurezas
JP5376570B2 (ja) 2008-09-22 2013-12-25 産協企業有限股▲ふん▼公司 フェノール樹脂球形粒子の硬化物の製造方法
US20100256298A1 (en) 2009-04-03 2010-10-07 Champion Technologies, Inc. Preparation of Micro Gel Particle Dispersions and Dry Powders Suitable For Use As Fluid Loss Control Agents
US8293818B2 (en) * 2009-04-08 2012-10-23 Energ2 Technologies, Inc. Manufacturing methods for the production of carbon materials
HRP20241382T1 (hr) * 2009-07-01 2024-12-20 Basf Mobile Emissions Catalysts Llc Ultračisti sintetički ugljični materijali
JP2011084703A (ja) 2009-10-15 2011-04-28 Chan Sieh Enterprises Co Ltd 気泡を含むフェノール樹脂球形粒子硬化物及びその製造方法
EP2510569B1 (en) * 2009-12-11 2020-07-22 Basf Se Carbon materials comprising an electrochemical modifier
WO2011112992A1 (en) * 2010-03-12 2011-09-15 Energ2, Inc. Mesoporous carbon materials comprising bifunctional catalysts
KR101348865B1 (ko) * 2010-05-28 2014-01-07 울산대학교 산학협력단 젤화물질을 이용한 나노 구조 복합체의 제조방법
US8654507B2 (en) 2010-09-30 2014-02-18 Energ2 Technologies, Inc. Enhanced packing of energy storage particles
CN103370756B (zh) 2010-12-28 2018-05-11 巴斯福股份公司 包含增强的电化学特性的碳材料
WO2013120011A1 (en) * 2012-02-09 2013-08-15 Energ2 Technologies, Inc. Preparation of polymeric resins and carbon materials
KR101949229B1 (ko) * 2012-02-09 2019-02-18 조지아-퍼시픽 케미칼즈 엘엘씨 겔 형태의 폴리머 미립자를 제조하는 방법
CN104254560B (zh) * 2012-02-09 2017-09-22 佐治亚-太平洋化工品有限公司 制备聚合物树脂的方法和碳材料
KR101670310B1 (ko) * 2012-11-29 2016-10-28 조지아-퍼시픽 케미칼즈 엘엘씨 현탁 중합 또는 유화 중합을 사용한 페놀-포름알데히드 수지 비드의 제조 방법
CN110112377A (zh) * 2013-03-14 2019-08-09 14族科技公司 包含锂合金化的电化学改性剂的复合碳材料

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5908896A (en) * 1993-07-08 1999-06-01 The Regents Of The University Of California Organic aerogel microspheres
US20100092370A1 (en) * 2008-10-10 2010-04-15 Headwaters Technology Innovation, Llc Preparation of a carbon nanomaterial using a reverse microemulsion

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Publication number Publication date
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Granted publication date: 20170922

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