三聚氰胺樹脂碳基材料在電化學儲能中的應用

劉懷雙 范寶賓 馮海燕

山東華魯恒升化工股份有限公司 山東 德州 253000

引言

目前隨著各國生態環境的不斷惡化，傳統的能源出現枯竭的現象，因此，對于可再生能源的研究和開發來說是相當重要的。但是如果單純地只對風能、太陽能、地熱能等新型能源進行研究不僅需要耗費大量的研究時間，同時還無法確定其后期的使用效果，在此情況之下，需要研究出其他新型的能量資源。電化學儲能技術就是一項非常有前景的能量裝置，它是一種便攜式電子設備的動力裝置，在現階段通信網絡不斷普及的情況之下，已經成為人們日常生活中重要的組成部分，直接影響著人們后期的生活質量。當前對于電化學儲能技術的研究來說，主要還集中在超級電容器、鋰離子電池和其他各種電池方面，追其根源，主要還是電化學儲能技術中的電極材料發揮主要的性能。對于電極材料來說，它包括碳基材料、過渡金屬氧化物、導電聚合物等各種可存在大量能量的物質。通過比較以上3種電極材料可以確定，碳基材料的使用性能更加穩定，而且更加環保，利于管理。三聚氰胺樹脂就是碳基材料中的一種原材料，本文通過對三聚氰胺樹脂材料進行相應的分析和研究，希望可以幫助我國加快電機材料的研究進程，全面推動我國電化學儲能技術的發展，為后期人類各項事業的建設奠定基礎。

1 孔道結構對材料電化學性能的影響及控制手段

1.1 活化法

想要加深對三聚氰胺樹脂碳基原材料的研究力度，必須要對其孔道結構進行研究，確定孔道結構對電化學性能的影響。活化法是進行孔道結構研究的一種主要的研究方法，從廣義上來講，可以將活化法分為物理活化法和化學活化法兩種形式。物理活化法就是將原材料按照其性能將其進行高溫碳化處理，處理之后的原材料會形成各種各樣的孔道結構。為了能夠證明物理活化法的研究成果，部分學者采用物理活化法對三聚氰胺樹脂粉末進行高溫碳化處理，處理之后的三聚氰胺樹脂中出現各種微孔結構，通過微孔結構的性能，可以確定其電化學性能。但是對三聚氰胺樹脂粉末進行物理活化的過程中，可以發現其后期的電化學性能研究存在一定的缺陷，而且其孔道結構并沒有特別的研究價值。為了能夠提高孔道結構的研究力度，部分學者選擇使用三聚氰胺樹脂球對其孔道結構進行相應的研究，經過研究可以確定三聚氰胺樹脂球的電化學性能良好，非常符合現階段對電化學的性能要求。物理活化法與化學活化法最大的不同在于：經過化學活化法處理之后的三聚氰胺樹脂材料，不僅造孔效果良好，而且所消耗的時間較短，研究結果更加具有可靠性和參照性。為了三聚氰胺樹脂材料的活化效果明顯，在實驗研究開展的過程中，部分研究小組選擇使用碳酸鉀作為活化劑對三聚氰胺樹脂材料進行處理。從整個實驗研究結果中可以看出，使用碳酸鉀對三聚氰胺樹脂材料進行催化處理，其活化性能較為顯著，而且孔道結構也更加明顯，非常有利于整個實驗研究的開展，便于觀察孔道結構的內部性能。

1.2 模板炭化法

除了活化法之外，模板炭化法也是一種檢驗孔道結構的主要方法。與活化法相比，模板炭化法的有序性和導向性更強。通過在實驗研究的過程中加入不同的模板，可以有效控制材料的孔道結構和微觀結構，有利于對三聚氰胺樹脂原材料進行相應的孔道研究，便于實驗結果的測試和分析。經過模板炭化法處理之后的三聚氰胺樹脂材料，比容量更高，成孔效果更好。

1.3 混合聚合物炭化法

選擇使用模板炭化法，雖然可以加快孔道結構的形成速度，有利于整個實驗研究的正常開展，但是加入過多的模板會影響整個實驗研究的速度，而且還會給實驗研究帶來一定的成本壓力，不利于實際實驗研究的開展。在此情況之下，不少學者提出使用混合聚合物碳化法對三聚氰胺樹脂材料的孔道結構進行相應的控制，在高溫的情況之下，聚合物可以形成一個碳基機體框架，另一種不耐高溫的聚合物，在低溫的情況下會受熱分解，因此就形成了各種各樣的孔道結構。

2 以三聚氰胺為前驅體制備的碳基電極材料的應用

2.1 二次電池

使用三聚氰胺樹脂為原材料所制備的碳基材料，其孔隙效率較高，而且與氮原子相互摻雜之后，在電池使用的過程中，其儲存容量更高，而且還可以保證其良好的穩定性能，進而為能源的使用奠定良好的基礎。由于三聚氰胺樹脂材料在電池制作等方面發揮出的優良特性，使三聚氰胺作為現階段電極材料所制備的主要原材料之一。

2.1.1 三聚氰胺樹脂及其衍生物炭化材料。部分研究者為了能夠探究三聚氰胺樹脂材料的優良特性，選擇使用物理活化的方法，將苯酚-三聚氰胺-甲醛樹脂進行碳化處理，進而生產出可以用在鋰離子電池中的微孔活性材料，該材料的使用，不僅可以提高電池的電量，而且在后期使用過程中，穩定性較強，出現以上情況的主要原因在于，經過碳化處理之后的三聚氰胺樹脂材料，其表面積較大，微孔率較高，特別是經過碳化處理之后的材料中含有較高濃度的氮原子，為電極材料后期的使用提供了良好的容量基礎[1]。根據實驗研究可以確定，在鋰離子電池中，半電池在100mA/g的電流密度下獲得500mA·h/g的可逆比電容量；在鈉離子電池中， 50mA/g的電流密度下具有約150mA·h/g的可逆比容量。

在較高溫度的情況之下，三聚氰胺樹脂材料還可以釋放較多的氣體，進而使其內部形成空心結構，有利于鉀離子性能的展現，保證了鉀離子在空心結構中的穿透性能和穩定性能。在制備電極材料的過程當中，鉀離子作為陽極材料，三聚氰胺樹脂作為陰極材料，其活性與其他類型的電池相比更加穩定，為后期電池的研究提供了一定的基礎。

2.1.2 核-殼結構復合材料。除了對三聚氰胺樹脂材料進行研究以外，其他類型的電極材料也具有一定的性能，比如Si、 Fe3O4、Li4Ti5O12、LiFePO4等材料，都可以作為電極材料進行實驗研究和生產管理。但是在電極材料制作的過程當中，部分元素的電導性較差，離子的擴散速度較快，造成電極材料在使用過程中容易出現較大的不穩定性，嚴重影響了整個電極材料的生產制備和實驗研究。在此情況之下，部分研究者提出選擇使用三聚氰胺樹脂涂抹材料表面的形式，使其形成一個穩定的核—殼結構，進而保證各種元素的穩定性能。在三聚氰胺樹脂原材料使用的過程中，碳氮層具有一定的穩定性能，可以彌補部分揮發性較強的物質進行活動。同時還可以選擇使用聚氧乙烯-聚氧丙烯共聚物（F127）作為成孔劑，給電極材料的制備提供一定的穩定基礎。

2.2 超級電容器

超級電容器也屬于一種電化學儲能裝置，在使用過程中安全性更高，而且還具有循環功能，因此受到目前廣大社會人員的認可。在超級電容器制備的過程當中，仍然選擇使用三聚氰胺樹脂材料作為原材料，之后再進行合成富氮摻雜的形式，使其形成穩定的碳基電極材料，除此之外，超級電容器還可以作為一種偽電容，為生產建設提供一定的保障。

2.2.1 三聚氰胺樹脂與無機物復合材料。為了保證三聚氰胺樹脂材料在超級電容器制備的過程中能夠發揮特殊的作用，部分研究者提出選擇使用無機復合材料與三聚氰胺樹脂材料進行復合的形式，提高三聚氰胺樹脂材料制備電極材料的穩定性能[2]。部分研究者在植酸交聯的三聚氰胺-甲醛樹脂炭化的基礎上，合成了氮摻雜分級多孔碳，在三聚氰胺樹脂與無機物復合材料混合的過程中，加入植酸可以保證碳骨架中的空間和穩定性，使碳骨架更加堅固，使整個電極材料能夠表現出較好的電化學性能[3]。通過實驗研究，可以確定以此方法制備的電極材料比容量可以達到在1.0A/g時比容量為271F/g，以及即使在經過500次循環之后，電容保持率仍然在約100%左右。為了減少后期生產制造過程中無機物復合材料的使用量，在實驗研究過程中，研究者提出使用KOH作為活化劑處理三聚氰胺脲-甲醛樹脂，經過此種處理方法之后的電極材料，其表面積更高，孔容量更多，電極材料的性能也更強。通過這種方法，可以用來制作多孔碳組裝的超級電容器，根據其性能，可以將其制作成一個發光二極管，該發光二極管的穩定性更強，使用壽命更長，非常符合現階段的生產需求。

2.2.2 三聚氰胺樹脂與石墨烯復合材料。部分研究者通過實驗研究發現，將三聚氰胺樹脂球/氧化石墨烯進行復合之后，再經過600℃高溫熱解炭化后，可以獲得石墨烯片包裹碳球的獨特三維網絡結構，在這種情況之下，所生產的電極原材料中的氮原子數量更多，穩定性更強，化學性能與之前相比也更加的穩定。比如在生產建設過程中使用最多的WANG等材料，主要是以三聚氰胺-甲醛樹脂為主要載體，通過加熱分解的作用，使整個電極材料的孔道增加[4]。根據試驗研究結果可以確定，1A/g的電流密度下可提供296 F/g的高比容量。

3 結束語

綜上所述，使用三聚氰胺樹脂材料進行電極材料的制備，可以大大提高電極材料后期的使用安全性和使用穩定性，在三聚氰胺樹脂材料制備電極材料的基礎之上，所生產出來的二次電池、超級電容器等相應的電化學儲能設備，受到越來越多人的關注和使用，現階段已經成為電化學儲能設備行業中的熱點和關注點。在三聚氰胺樹脂材料進行電子材料生產制備的過程當中，其實際生產成本較低，含有大量的氮元素，非常有利于后期電器材料的使用，而且在制備過程中電極材料所表現出來的優勢較為明顯，是現階段很多種制備技術都無法達到的。在三聚氰胺樹脂材料作為主要原材料進行電極材料制備的過程中，通過多種手段相互結合的方法，使整個三聚氰胺樹脂原材料可以發揮出其最大的性能[5]。比如在選擇使用活化法對三聚氰胺數值材料進行制備的過程中，雖然成本較低，但是其孔道的生成效果不佳，直接影響電極材料后期的使用效果。選擇使用模板炭化法進行生產制備的過程中，雖然可以提高制孔效果，但是會使整個生產的成本提高，不利于實際的生產建設。使用混合聚合物碳化法的方法進行電極材料制備的過程中，其孔道的生成效果受到嚴重的影響。三聚氰胺樹脂材料作為電極材料的主要原材料來說，其發展前景非常光明，但是在實際生產建設過程中，其生產規模受到嚴重的影響，后續還需要國家繼續加強對該方面的研究和建設。在以后使用三聚氰胺樹脂原材料作為原材料進行電極材料制備的過程中，更加注重生產成本和孔道結構等方面的內容，國家應該加大對此方面的研究力度，不斷推動我國電能儲存行業的發展。