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(tài)環(huán)境的不斷惡化，傳統(tǒng)的能源出現(xiàn)枯竭的現(xiàn)象，因此，對(duì)于可再生能源的研究和開發(fā)來說是相當(dāng)重要的。但是如果單純地只對(duì)風(fēng)能、太陽能、地?zé)崮艿刃滦湍茉催M(jìn)行研究不僅需要耗費(fèi)大量的研究時(shí)間，同時(shí)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(xué)儲(chǔ)能技術(shù)就是一項(xiàng)非常有前景的能量裝置，它是一種便攜式電子設(shè)備的動(dòng)力裝置，在現(xiàn)階段通信網(wǎng)絡(luò)不斷普及的情況之下，已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪兄匾慕M成部分，直接影響著人們后期的生活質(zhì)量。當(dāng)前對(duì)于電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的研究來說，主要還集中在超級(jí)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(xué)儲(chǔ)能技術(shù)中的電極材料發(fā)揮主要的性能。對(duì)于電極材料來說，它包括碳基材料、過渡金屬氧化物、導(dǎo)電聚合物等各種可存在大量能量的物質(zhì)。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(wěn)定，而且更加環(huán)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(duì)三聚氰胺樹脂材料進(jìn)行相應(yīng)的分析和研究，希望可以幫助我國加快電機(jī)材料的研究進(jìn)程，全面推動(dòng)我國電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，為后期人類各項(xiàng)事業(yè)的建設(shè)奠定基礎(chǔ)。

1 孔道結(jié)構(gòu)對(duì)材料電化學(xué)性能的影響及控制手段

1.1 活化法

想要加深對(duì)三聚氰胺樹脂碳基原材料的研究力度，必須要對(duì)其孔道結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，確定孔道結(jié)構(gòu)對(duì)電化學(xué)性能的影響?；罨ㄊ沁M(jìn)行孔道結(jié)構(gòu)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(xué)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(jìn)行高溫碳化處理，處理之后的原材料會(huì)形成各種各樣的孔道結(jié)構(gòu)。為了能夠證明物理活化法的研究成果，部分學(xué)者采用物理活化法對(duì)三聚氰胺樹脂粉末進(jìn)行高溫碳化處理，處理之后的三聚氰胺樹脂中出現(xiàn)各種微孔結(jié)構(gòu)，通過微孔結(jié)構(gòu)的性能，可以確定其電化學(xué)性能。但是對(duì)三聚氰胺樹脂粉末進(jìn)行物理活化的過程中，可以發(fā)現(xiàn)其后期的電化學(xué)性能研究存在一定的缺陷，而且其孔道結(jié)構(gòu)并沒有特別的研究?jī)r(jià)值。為了能夠提高孔道結(jié)構(gòu)的研究力度，部分學(xué)者選擇使用三聚氰胺樹脂球?qū)ζ淇椎澜Y(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的研究，經(jīng)過研究可以確定三聚氰胺樹脂球的電化學(xué)性能良好，非常符合現(xiàn)階段對(duì)電化學(xué)的性能要求。物理活化法與化學(xué)活化法最大的不同在于：經(jīng)過化學(xué)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(shí)間較短，研究結(jié)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(shí)驗(yàn)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(duì)三聚氰胺樹脂材料進(jìn)行處理。從整個(gè)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果中可以看出，使用碳酸鉀對(duì)三聚氰胺樹脂材料進(jìn)行催化處理，其活化性能較為顯著，而且孔道結(jié)構(gòu)也更加明顯，非常有利于整個(gè)實(shí)驗(yàn)研究的開展，便于觀察孔道結(jié)構(gòu)的內(nèi)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(yàn)孔道結(jié)構(gòu)的主要方法。與活化法相比，模板炭化法的有序性和導(dǎo)向性更強(qiáng)。通過在實(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)，有利于對(duì)三聚氰胺樹脂原材料進(jìn)行相應(yīng)的孔道研究，便于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的測(cè)試和分析。經(jīng)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(jié)構(gòu)的形成速度，有利于整個(gè)實(shí)驗(yàn)研究的正常開展，但是加入過多的模板會(huì)影響整個(gè)實(shí)驗(yàn)研究的速度，而且還會(huì)給實(shí)驗(yàn)研究帶來一定的成本壓力，不利于實(shí)際實(shí)驗(yàn)研究的開展。在此情況之下，不少學(xué)者提出使用混合聚合物碳化法對(duì)三聚氰胺樹脂材料的孔道結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的控制，在高溫的情況之下，聚合物可以形成一個(gè)碳基機(jī)體框架，另一種不耐高溫的聚合物，在低溫的情況下會(huì)受熱分解，因此就形成了各種各樣的孔道結(jié)構(gòu)。

2 以三聚氰胺為前驅(qū)體制備的碳基電極材料的應(yīng)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(chǔ)存容量更高，而且還可以保證其良好的穩(wěn)定性能，進(jìn)而為能源的使用奠定良好的基礎(chǔ)。由于三聚氰胺樹脂材料在電池制作等方面發(fā)揮出的優(yōu)良特性，使三聚氰胺作為現(xiàn)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(yōu)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(jìn)行碳化處理，進(jìn)而生產(chǎn)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(wěn)定性較強(qiáng)，出現(xiàn)以上情況的主要原因在于，經(jīng)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(jīng)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(chǔ)[1]。根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(jìn)而使其內(nèi)部形成空心結(jié)構(gòu)，有利于鉀離子性能的展現(xiàn)，保證了鉀離子在空心結(jié)構(gòu)中的穿透性能和穩(wěn)定性能。在制備電極材料的過程當(dāng)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(wěn)定，為后期電池的研究提供了一定的基礎(chǔ)。

2.1.2 核-殼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。除了對(duì)三聚氰胺樹脂材料進(jìn)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和生產(chǎn)管理。但是在電極材料制作的過程當(dāng)中，部分元素的電導(dǎo)性較差，離子的擴(kuò)散速度較快，造成電極材料在使用過程中容易出現(xiàn)較大的不穩(wěn)定性，嚴(yán)重影響了整個(gè)電極材料的生產(chǎn)制備和實(shí)驗(yàn)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(gè)穩(wěn)定的核—?dú)そY(jié)構(gòu)，進(jìn)而保證各種元素的穩(wěn)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(wěn)定性能，可以彌補(bǔ)部分揮發(fā)性較強(qiáng)的物質(zhì)進(jìn)行活動(dòng)。同時(shí)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(wěn)定基礎(chǔ)。

2.2 超級(jí)電容器

超級(jí)電容器也屬于一種電化學(xué)儲(chǔ)能裝置，在使用過程中安全性更高，而且還具有循環(huán)功能，因此受到目前廣大社會(huì)人員的認(rèn)可。在超級(jí)電容器制備的過程當(dāng)中，仍然選擇使用三聚氰胺樹脂材料作為原材料，之后再進(jìn)行合成富氮摻雜的形式，使其形成穩(wěn)定的碳基電極材料，除此之外，超級(jí)電容器還可以作為一種偽電容，為生產(chǎn)建設(shè)提供一定的保障。

2.2.1 三聚氰胺樹脂與無機(jī)物復(fù)合材料。為了保證三聚氰胺樹脂材料在超級(jí)電容器制備的過程中能夠發(fā)揮特殊的作用，部分研究者提出選擇使用無機(jī)復(fù)合材料與三聚氰胺樹脂材料進(jìn)行復(fù)合的形式，提高三聚氰胺樹脂材料制備電極材料的穩(wěn)定性能[2]。部分研究者在植酸交聯(lián)的三聚氰胺-甲醛樹脂炭化的基礎(chǔ)上，合成了氮摻雜分級(jí)多孔碳，在三聚氰胺樹脂與無機(jī)物復(fù)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(wěn)定性，使碳骨架更加堅(jiān)固，使整個(gè)電極材料能夠表現(xiàn)出較好的電化學(xué)性能[3]。通過實(shí)驗(yàn)研究，可以確定以此方法制備的電極材料比容量可以達(dá)到在1.0A/g時(shí)比容量為271F/g，以及即使在經(jīng)過500次循環(huán)之后，電容保持率仍然在約100%左右。為了減少后期生產(chǎn)制造過程中無機(jī)物復(fù)合材料的使用量，在實(shí)驗(yàn)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(jīng)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(qiáng)。通過這種方法，可以用來制作多孔碳組裝的超級(jí)電容器，根據(jù)其性能，可以將其制作成一個(gè)發(fā)光二極管，該發(fā)光二極管的穩(wěn)定性更強(qiáng)，使用壽命更長(zhǎng)，非常符合現(xiàn)階段的生產(chǎn)需求。

2.2.2 三聚氰胺樹脂與石墨烯復(fù)合材料。部分研究者通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，將三聚氰胺樹脂球/氧化石墨烯進(jìn)行復(fù)合之后，再經(jīng)過600℃高溫?zé)峤馓炕?，可以獲得石墨烯片包裹碳球的獨(dú)特三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在這種情況之下，所生產(chǎn)的電極原材料中的氮原子數(shù)量更多，穩(wěn)定性更強(qiáng)，化學(xué)性能與之前相比也更加的穩(wěn)定。比如在生產(chǎn)建設(shè)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(gè)電極材料的孔道增加[4]。根據(jù)試驗(yàn)研究結(jié)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(jié)束語

綜上所述，使用三聚氰胺樹脂材料進(jìn)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(wěn)定性，在三聚氰胺樹脂材料制備電極材料的基礎(chǔ)之上，所生產(chǎn)出來的二次電池、超級(jí)電容器等相應(yīng)的電化學(xué)儲(chǔ)能設(shè)備，受到越來越多人的關(guān)注和使用，現(xiàn)階段已經(jīng)成為電化學(xué)儲(chǔ)能設(shè)備行業(yè)中的熱點(diǎn)和關(guān)注點(diǎn)。在三聚氰胺樹脂材料進(jìn)行電子材料生產(chǎn)制備的過程當(dāng)中，其實(shí)際生產(chǎn)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(xiàn)出來的優(yōu)勢(shì)較為明顯，是現(xiàn)階段很多種制備技術(shù)都無法達(dá)到的。在三聚氰胺樹脂材料作為主要原材料進(jìn)行電極材料制備的過程中，通過多種手段相互結(jié)合的方法，使整個(gè)三聚氰胺樹脂原材料可以發(fā)揮出其最大的性能[5]。比如在選擇使用活化法對(duì)三聚氰胺數(shù)值材料進(jìn)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(jìn)行生產(chǎn)制備的過程中，雖然可以提高制孔效果，但是會(huì)使整個(gè)生產(chǎn)的成本提高，不利于實(shí)際的生產(chǎn)建設(shè)。使用混合聚合物碳化法的方法進(jìn)行電極材料制備的過程中，其孔道的生成效果受到嚴(yán)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(fā)展前景非常光明，但是在實(shí)際生產(chǎn)建設(shè)過程中，其生產(chǎn)規(guī)模受到嚴(yán)重的影響，后續(xù)還需要國家繼續(xù)加強(qiáng)對(duì)該方面的研究和建設(shè)。在以后使用三聚氰胺樹脂原材料作為原材料進(jìn)行電極材料制備的過程中，更加注重生產(chǎn)成本和孔道結(jié)構(gòu)等方面的內(nèi)容，國家應(yīng)該加大對(duì)此方面的研究力度，不斷推動(dòng)我國電能儲(chǔ)存行業(yè)的發(fā)展。