[发明专利]一种复合铁碳二亚胺电池负极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种复合铁碳二亚胺电池负极材料及其制备方法，该方法通过铁源和碳源首先采用溶剂热法进行限域制能，使碳能有效的包覆在铁盐表面，再通过固相反应使铁盐转化为FeNCN，从而得到碳复合铁碳二亚胺材料；通过该方法制得的碳复合铁碳二亚胺电池负极材料，由铁碳二亚胺和碳层组成，因铁碳二亚胺的外部包覆有碳层，使得该负极材料在钠离子电池使用过程中，铁碳二亚胺被碳层限制而难以产生大的体积变化，有效解决过渡金属碳二亚胺体积膨胀的问题，进而提升材料在充放电过程中的导电性和结构稳定性，增强了电池的反应活性，使得该材料具有优异的钠离子存储性能，充放电容量高且倍率性能佳。

【技术领域】

本发明属于复合材料合成领域，具体涉及一种复合铁碳二亚胺电池负极材料及其制备方法。

【背景技术】

锂离子电池为现在常用的电池，但是锂资源在地球的储量相对较低，价格昂贵成为继续发展锂离子电池的一个瓶颈。因为迫切需要寻找一种储量丰富，性质类似的元素来取代锂元素。钠与锂为同一主族的元素，钠在地球的储量较高，并且分布广泛。由于钠离子电池具有能量密度高，使用寿命长，环境友好等优点，最近几年来成为了研究热点，并成功实现了商业化。近年来大量的科研工作者在钠离子电池的研究上投入了大量的精力，钠离子电池近年来也取得了迅速的发展。

然而，钠元素与锂元素的半径相差较大，因此体积膨胀成为制约钠离子电池发展的一个主要因素。过渡金属二亚胺化合物因其低而平的充放电电位平台、高度可逆的反应特性与容量大等特点，已引起科学工作者的广泛关注。

碳二亚胺过渡金属盐(MNCN，M为过渡金属)是一类具有高充放电容量潜力的钠离子电池负极材料，然而该材料由于合成制备条件要求极为苛刻，较难直接得到该材料，更难以得到该材料的复合结构，因而显著限制了该材料的应用。碳材料通常具有优良导电性和结构稳定性，因此其经常作为复合材料的组成之一为其他活性材料提供支持。若能在FeNCN的合成中与碳材料同步进行复合，则有望解决上述提出的问题。因此，如何在合成FeNCN的同时形成与其复合的碳材料是一个重要的研究内容。

【发明内容】

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种复合铁碳二亚胺电池负极材料及其制备方法。该方法通过限域制备能有效将碳包覆在产物表面，再配合碳材料复合则能有效解决过渡金属碳二亚胺体积膨胀的问题并增强其导电性，增强了电池的反应活性，使电池结构更加稳定，从而提高电池的倍率与循环性能。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种碳复合铁碳二亚胺电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，将铁源和碳源按照质量比1：(1-2)混合后，将混合物A通过热溶剂法进行限域合成反应，将反应产物离心、干燥后制得过程产物B；

步骤2，过程产物B和尿素通过固相反应，生成碳复合铁碳二亚胺电池负极材料，其化学结构式为FeNCN@C。

本发明的进一步改进在于：

优选的，所述热溶剂法的步骤为：将混合物A和乙醇按照比例(2-3)g：(50-70)mL混合后在均向反应器中进行反应，反应温度为200℃，反应时间为12-36h。

优选的，铁源为有机酸铁盐或无机过渡金属盐，有机酸铁盐包括柠檬酸铁、草酸铁、甲酸铁和乙酸铁；无机过渡金属盐包括氯化铁，硝酸铁和硫酸铁。

优选的，碳源为蔗糖、壳聚糖、葡萄糖、三聚氰胺或草酸铵中的任一种。

优选的，步骤1中，离心转速为8000r/min，离心3-6次，每次离心时间为3-8min。

优选的，步骤1中，反应产物离心后的离心产物干燥温度为60-80℃。

优选的，步骤2中，将过程产物B和尿素按照质量比1：(1.5-3)混合进行固相反应。