[發明專利]一種利用原位自催化實現石墨化碳包覆的氰胺化鐵材料及其應用

有效

• 申請號: 202110498121.3
• 申請日: 2021-05-08
• 公開（公告）號: CN113224302B
• 公開（公告）日: 2022-08-05
• 發明（設計）人: 李嘉胤;錢程;沈歡妍;黃劍鋒;曹麗云;胡云飛;郭鵬輝;羅曉敏
• 申請（專利權）人: 陜西科技大學
• 主分類號: H01M4/62
• 分類號: H01M4/62;H01M4/58;H01M4/136;H01M10/054
• 代理公司: 西安眾和至成知識產權代理事務所(普通合伙) 61249
• 代理人: 強宏超

本發明公開了一種利用原位自催化實現石墨化碳包覆的氰胺化鐵材料，氰胺化鐵材料外部包覆有石墨化碳，氰胺化鐵材料外部包覆的石墨化碳由氰胺化鐵中的鐵和碳原位自催化形成，石墨化碳包覆厚度為1?5nm，所述氰胺化鐵材料的顆粒大小為150?350nm；本發明還保護一種含有上述的石墨化碳包覆的氰胺化鐵材料的鉀離子電池負極及含有上述鉀離子電池負極的鉀離子電池；由于該技術使得自身碳從自身氰胺化鐵顆粒中析出到表面形成石墨化碳，使得形成的化學鍵緊密結合，提高產物的結構穩定性和材料的導電性，并且提高了電極材料與電解液界面結構的穩定性，使電池負極材料結構更加穩定，充放電容量高且倍率性能極佳。

技術領域

本發明屬于復合材料技術領域，涉及復合電極材料，具體涉及一種利用原位自催化實現石墨化碳包覆的氰胺化鐵材料及其應用。

背景技術

近年來，由于受鋰資源的制約，使得鋰離子電池已無法滿足大規模儲能的應用需求，尋找可以替代鋰電池的儲能設備成為儲能領域的研究熱點。于是研究者們將目光轉向鋰的替代者，如鈉、鎂、鋁、鉀、鋅等；其中，鈉和鉀的儲量豐富，與鋰屬于同一主族，化學性質與鋰相似，因此可以采用類似于鋰離子電池的制造方法。目前，室溫鈉離子充放電電池有望在大規模儲能，特別是智能電網等領域中得到應用。而鉀離子電池相對于鈉離子電池又具有4點優勢：1)鉀的標準電極電位為–2.93V，與鋰接近–3.04V，高于鈉–2.71V，使得鉀離子電池可能具有更高的能量密度；2)鉀離子的半徑較大，溶劑化離子半徑小，電解液的電導率較高，具有更好動力學性能；3)鉀和鋁不生成合金，因此可以使用更輕質、便宜的鋁作為負極的集流體；4)鉀離子電池的電解質鹽(KPF₆)比相應的鈉鹽(NaPF₆)更便宜。上述優點促使鉀離子電池成為鈉離子電池之后又一個研究熱點，近年來發展迅速。但是同樣地，由于鉀離子尺寸較大較難直接嵌入許多鋰離子電池電極材料以實現電化學儲鉀的過程，極大地限制了這類電池的應用前景。因此，如何兼顧鉀離子電池電極材料的高儲鉀容量和快速穩定充放電，近年來已成為眾多學者的研究熱點方向，而調控鉀離子電池的充放電機制、探索新的材料結構體系則被認為是解決上述問題的關鍵。

氰胺化鐵化合物因其低而平的充放電電位平臺、高度可逆的反應特性、高的電化學反應活性與比容量大等特點，已成為一種非常有潛力的電池負極材料。然而，高的反應活性使得氰胺化鐵材料在電化學反應過程中其結構完全重排時產生嚴重破壞，從而導致循環性能較差。尤其是半徑更大的鉀離子嵌入時氰胺化鐵的結構破壞相對于鈉離子嵌入時更為嚴重，容量衰減也更為劇烈。因此，需采取一定的手段穩定氰胺化鐵的結構，緩解鉀離子嵌入和脫出時發生的體積膨脹，使其得以成為一種優良的鉀離子電池負極材料。

碳材料通常具有優良導電性和結構穩定性，因此其經常作為復合材料的組成之一為其他活性材料提供支持。因此，在此前研究的基礎上若能同時形成原位自還原形成碳包覆結構，得到原位碳化包覆的的氰胺化鐵材料。將有望有效提升氰胺化鐵在鉀離子電池中的電化學穩定性。因此該復合結構的成功制備可拓展鉀離子電池負極材料新的材料體系，促進高性能鉀離子電池負極材料的探索工作。

發明內容

為了克服上述現有技術的缺陷，本發明的目的在于提供一種利用原位自催化實現石墨化碳包覆的氰胺化鐵材料及其應用，使材料結構更加穩定，充放電容量高且倍率性能極佳。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案是：

一種利用原位自催化實現石墨化碳包覆的氰胺化鐵材料，氰胺化鐵材料外部包覆有石墨化碳。

進一步的，所述的氰胺化鐵材料外部包覆的石墨化碳由氰胺化鐵中的鐵和碳原位自催化實現。

優選的，所述氰胺化鐵材料的石墨化碳包覆厚度為1-5nm。

優選的，所述氰胺化鐵材料的顆粒大小為150-350nm。

進一步的，本發明提供上述利用原位自催化實現石墨化碳包覆的氰胺化鐵材料的制備方法：