三聚氰胺树脂碳基材料在电化学储能中的应用

刘怀双 范宝宾 冯海燕

山东华鲁恒升化工股份有限公司 山东 德州 253000

引言

目前随着各国生态环境的不断恶化，传统的能源出现枯竭的现象，因此，对于可再生能源的研究和开发来说是相当重要的。但是如果单纯地只对风能、太阳能、地热能等新型能源进行研究不仅需要耗费大量的研究时间，同时还无法确定其后期的使用效果，在此情况之下，需要研究出其他新型的能量资源。电化学储能技术就是一项非常有前景的能量装置，它是一种便携式电子设备的动力装置，在现阶段通信网络不断普及的情况之下，已经成为人们日常生活中重要的组成部分，直接影响着人们后期的生活质量。当前对于电化学储能技术的研究来说，主要还集中在超级电容器、锂离子电池和其他各种电池方面，追其根源，主要还是电化学储能技术中的电极材料发挥主要的性能。对于电极材料来说，它包括碳基材料、过渡金属氧化物、导电聚合物等各种可存在大量能量的物质。通过比较以上3种电极材料可以确定，碳基材料的使用性能更加稳定，而且更加环保，利于管理。三聚氰胺树脂就是碳基材料中的一种原材料，本文通过对三聚氰胺树脂材料进行相应的分析和研究，希望可以帮助我国加快电机材料的研究进程，全面推动我国电化学储能技术的发展，为后期人类各项事业的建设奠定基础。

1 孔道结构对材料电化学性能的影响及控制手段

1.1 活化法

想要加深对三聚氰胺树脂碳基原材料的研究力度，必须要对其孔道结构进行研究，确定孔道结构对电化学性能的影响。活化法是进行孔道结构研究的一种主要的研究方法，从广义上来讲，可以将活化法分为物理活化法和化学活化法两种形式。物理活化法就是将原材料按照其性能将其进行高温碳化处理，处理之后的原材料会形成各种各样的孔道结构。为了能够证明物理活化法的研究成果，部分学者采用物理活化法对三聚氰胺树脂粉末进行高温碳化处理，处理之后的三聚氰胺树脂中出现各种微孔结构，通过微孔结构的性能，可以确定其电化学性能。但是对三聚氰胺树脂粉末进行物理活化的过程中，可以发现其后期的电化学性能研究存在一定的缺陷，而且其孔道结构并没有特别的研究价值。为了能够提高孔道结构的研究力度，部分学者选择使用三聚氰胺树脂球对其孔道结构进行相应的研究，经过研究可以确定三聚氰胺树脂球的电化学性能良好，非常符合现阶段对电化学的性能要求。物理活化法与化学活化法最大的不同在于：经过化学活化法处理之后的三聚氰胺树脂材料，不仅造孔效果良好，而且所消耗的时间较短，研究结果更加具有可靠性和参照性。为了三聚氰胺树脂材料的活化效果明显，在实验研究开展的过程中，部分研究小组选择使用碳酸钾作为活化剂对三聚氰胺树脂材料进行处理。从整个实验研究结果中可以看出，使用碳酸钾对三聚氰胺树脂材料进行催化处理，其活化性能较为显著，而且孔道结构也更加明显，非常有利于整个实验研究的开展，便于观察孔道结构的内部性能。

1.2 模板炭化法

除了活化法之外，模板炭化法也是一种检验孔道结构的主要方法。与活化法相比，模板炭化法的有序性和导向性更强。通过在实验研究的过程中加入不同的模板，可以有效控制材料的孔道结构和微观结构，有利于对三聚氰胺树脂原材料进行相应的孔道研究，便于实验结果的测试和分析。经过模板炭化法处理之后的三聚氰胺树脂材料，比容量更高，成孔效果更好。

1.3 混合聚合物炭化法

选择使用模板炭化法，虽然可以加快孔道结构的形成速度，有利于整个实验研究的正常开展，但是加入过多的模板会影响整个实验研究的速度，而且还会给实验研究带来一定的成本压力，不利于实际实验研究的开展。在此情况之下，不少学者提出使用混合聚合物碳化法对三聚氰胺树脂材料的孔道结构进行相应的控制，在高温的情况之下，聚合物可以形成一个碳基机体框架，另一种不耐高温的聚合物，在低温的情况下会受热分解，因此就形成了各种各样的孔道结构。

2 以三聚氰胺为前驱体制备的碳基电极材料的应用

2.1 二次电池

使用三聚氰胺树脂为原材料所制备的碳基材料，其孔隙效率较高，而且与氮原子相互掺杂之后，在电池使用的过程中，其储存容量更高，而且还可以保证其良好的稳定性能，进而为能源的使用奠定良好的基础。由于三聚氰胺树脂材料在电池制作等方面发挥出的优良特性，使三聚氰胺作为现阶段电极材料所制备的主要原材料之一。

2.1.1 三聚氰胺树脂及其衍生物炭化材料。部分研究者为了能够探究三聚氰胺树脂材料的优良特性，选择使用物理活化的方法，将苯酚-三聚氰胺-甲醛树脂进行碳化处理，进而生产出可以用在锂离子电池中的微孔活性材料，该材料的使用，不仅可以提高电池的电量，而且在后期使用过程中，稳定性较强，出现以上情况的主要原因在于，经过碳化处理之后的三聚氰胺树脂材料，其表面积较大，微孔率较高，特别是经过碳化处理之后的材料中含有较高浓度的氮原子，为电极材料后期的使用提供了良好的容量基础[1]。根据实验研究可以确定，在锂离子电池中，半电池在100mA/g的电流密度下获得500mA·h/g的可逆比电容量；在钠离子电池中， 50mA/g的电流密度下具有约150mA·h/g的可逆比容量。

在较高温度的情况之下，三聚氰胺树脂材料还可以释放较多的气体，进而使其内部形成空心结构，有利于钾离子性能的展现，保证了钾离子在空心结构中的穿透性能和稳定性能。在制备电极材料的过程当中，钾离子作为阳极材料，三聚氰胺树脂作为阴极材料，其活性与其他类型的电池相比更加稳定，为后期电池的研究提供了一定的基础。

2.1.2 核-壳结构复合材料。除了对三聚氰胺树脂材料进行研究以外，其他类型的电极材料也具有一定的性能，比如Si、 Fe3O4、Li4Ti5O12、LiFePO4等材料，都可以作为电极材料进行实验研究和生产管理。但是在电极材料制作的过程当中，部分元素的电导性较差，离子的扩散速度较快，造成电极材料在使用过程中容易出现较大的不稳定性，严重影响了整个电极材料的生产制备和实验研究。在此情况之下，部分研究者提出选择使用三聚氰胺树脂涂抹材料表面的形式，使其形成一个稳定的核—壳结构，进而保证各种元素的稳定性能。在三聚氰胺树脂原材料使用的过程中，碳氮层具有一定的稳定性能，可以弥补部分挥发性较强的物质进行活动。同时还可以选择使用聚氧乙烯-聚氧丙烯共聚物（F127）作为成孔剂，给电极材料的制备提供一定的稳定基础。

2.2 超级电容器

超级电容器也属于一种电化学储能装置，在使用过程中安全性更高，而且还具有循环功能，因此受到目前广大社会人员的认可。在超级电容器制备的过程当中，仍然选择使用三聚氰胺树脂材料作为原材料，之后再进行合成富氮掺杂的形式，使其形成稳定的碳基电极材料，除此之外，超级电容器还可以作为一种伪电容，为生产建设提供一定的保障。

2.2.1 三聚氰胺树脂与无机物复合材料。为了保证三聚氰胺树脂材料在超级电容器制备的过程中能够发挥特殊的作用，部分研究者提出选择使用无机复合材料与三聚氰胺树脂材料进行复合的形式，提高三聚氰胺树脂材料制备电极材料的稳定性能[2]。部分研究者在植酸交联的三聚氰胺-甲醛树脂炭化的基础上，合成了氮掺杂分级多孔碳，在三聚氰胺树脂与无机物复合材料混合的过程中，加入植酸可以保证碳骨架中的空间和稳定性，使碳骨架更加坚固，使整个电极材料能够表现出较好的电化学性能[3]。通过实验研究，可以确定以此方法制备的电极材料比容量可以达到在1.0A/g时比容量为271F/g，以及即使在经过500次循环之后，电容保持率仍然在约100%左右。为了减少后期生产制造过程中无机物复合材料的使用量，在实验研究过程中，研究者提出使用KOH作为活化剂处理三聚氰胺脲-甲醛树脂，经过此种处理方法之后的电极材料，其表面积更高，孔容量更多，电极材料的性能也更强。通过这种方法，可以用来制作多孔碳组装的超级电容器，根据其性能，可以将其制作成一个发光二极管，该发光二极管的稳定性更强，使用寿命更长，非常符合现阶段的生产需求。

2.2.2 三聚氰胺树脂与石墨烯复合材料。部分研究者通过实验研究发现，将三聚氰胺树脂球/氧化石墨烯进行复合之后，再经过600℃高温热解炭化后，可以获得石墨烯片包裹碳球的独特三维网络结构，在这种情况之下，所生产的电极原材料中的氮原子数量更多，稳定性更强，化学性能与之前相比也更加的稳定。比如在生产建设过程中使用最多的WANG等材料，主要是以三聚氰胺-甲醛树脂为主要载体，通过加热分解的作用，使整个电极材料的孔道增加[4]。根据试验研究结果可以确定，1A/g的电流密度下可提供296 F/g的高比容量。

3 结束语

综上所述，使用三聚氰胺树脂材料进行电极材料的制备，可以大大提高电极材料后期的使用安全性和使用稳定性，在三聚氰胺树脂材料制备电极材料的基础之上，所生产出来的二次电池、超级电容器等相应的电化学储能设备，受到越来越多人的关注和使用，现阶段已经成为电化学储能设备行业中的热点和关注点。在三聚氰胺树脂材料进行电子材料生产制备的过程当中，其实际生产成本较低，含有大量的氮元素，非常有利于后期电器材料的使用，而且在制备过程中电极材料所表现出来的优势较为明显，是现阶段很多种制备技术都无法达到的。在三聚氰胺树脂材料作为主要原材料进行电极材料制备的过程中，通过多种手段相互结合的方法，使整个三聚氰胺树脂原材料可以发挥出其最大的性能[5]。比如在选择使用活化法对三聚氰胺数值材料进行制备的过程中，虽然成本较低，但是其孔道的生成效果不佳，直接影响电极材料后期的使用效果。选择使用模板炭化法进行生产制备的过程中，虽然可以提高制孔效果，但是会使整个生产的成本提高，不利于实际的生产建设。使用混合聚合物碳化法的方法进行电极材料制备的过程中，其孔道的生成效果受到严重的影响。三聚氰胺树脂材料作为电极材料的主要原材料来说，其发展前景非常光明，但是在实际生产建设过程中，其生产规模受到严重的影响，后续还需要国家继续加强对该方面的研究和建设。在以后使用三聚氰胺树脂原材料作为原材料进行电极材料制备的过程中，更加注重生产成本和孔道结构等方面的内容，国家应该加大对此方面的研究力度，不断推动我国电能储存行业的发展。