[发明专利]一种利用原位自催化实现石墨化碳包覆的氰胺化铁材料及其应用

说明书

本发明公开了一种利用原位自催化实现石墨化碳包覆的氰胺化铁材料，氰胺化铁材料外部包覆有石墨化碳，氰胺化铁材料外部包覆的石墨化碳由氰胺化铁中的铁和碳原位自催化形成，石墨化碳包覆厚度为1‑5nm，所述氰胺化铁材料的颗粒大小为150‑350nm；本发明还保护一种含有上述的石墨化碳包覆的氰胺化铁材料的钾离子电池负极及含有上述钾离子电池负极的钾离子电池；由于该技术使得自身碳从自身氰胺化铁颗粒中析出到表面形成石墨化碳，使得形成的化学键紧密结合，提高产物的结构稳定性和材料的导电性，并且提高了电极材料与电解液界面结构的稳定性，使电池负极材料结构更加稳定，充放电容量高且倍率性能极佳。

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，涉及复合电极材料，具体涉及一种利用原位自催化实现石墨化碳包覆的氰胺化铁材料及其应用。

背景技术

近年来，由于受锂资源的制约，使得锂离子电池已无法满足大规模储能的应用需求，寻找可以替代锂电池的储能设备成为储能领域的研究热点。于是研究者们将目光转向锂的替代者，如钠、镁、铝、钾、锌等；其中，钠和钾的储量丰富，与锂属于同一主族，化学性质与锂相似，因此可以采用类似于锂离子电池的制造方法。目前，室温钠离子充放电电池有望在大规模储能，特别是智能电网等领域中得到应用。而钾离子电池相对于钠离子电池又具有4点优势：1)钾的标准电极电位为–2.93V，与锂接近–3.04V，高于钠–2.71V，使得钾离子电池可能具有更高的能量密度；2)钾离子的半径较大，溶剂化离子半径小，电解液的电导率较高，具有更好动力学性能；3)钾和铝不生成合金，因此可以使用更轻质、便宜的铝作为负极的集流体；4)钾离子电池的电解质盐(KPF₆)比相应的钠盐(NaPF₆)更便宜。上述优点促使钾离子电池成为钠离子电池之后又一个研究热点，近年来发展迅速。但是同样地，由于钾离子尺寸较大较难直接嵌入许多锂离子电池电极材料以实现电化学储钾的过程，极大地限制了这类电池的应用前景。因此，如何兼顾钾离子电池电极材料的高储钾容量和快速稳定充放电，近年来已成为众多学者的研究热点方向，而调控钾离子电池的充放电机制、探索新的材料结构体系则被认为是解决上述问题的关键。

氰胺化铁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、高的电化学反应活性与比容量大等特点，已成为一种非常有潜力的电池负极材料。然而，高的反应活性使得氰胺化铁材料在电化学反应过程中其结构完全重排时产生严重破坏，从而导致循环性能较差。尤其是半径更大的钾离子嵌入时氰胺化铁的结构破坏相对于钠离子嵌入时更为严重，容量衰减也更为剧烈。因此，需采取一定的手段稳定氰胺化铁的结构，缓解钾离子嵌入和脱出时发生的体积膨胀，使其得以成为一种优良的钾离子电池负极材料。

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。因此，在此前研究的基础上若能同时形成原位自还原形成碳包覆结构，得到原位碳化包覆的的氰胺化铁材料。将有望有效提升氰胺化铁在钾离子电池中的电化学稳定性。因此该复合结构的成功制备可拓展钾离子电池负极材料新的材料体系，促进高性能钾离子电池负极材料的探索工作。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种利用原位自催化实现石墨化碳包覆的氰胺化铁材料及其应用，使材料结构更加稳定，充放电容量高且倍率性能极佳。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种利用原位自催化实现石墨化碳包覆的氰胺化铁材料，氰胺化铁材料外部包覆有石墨化碳。

进一步的，所述的氰胺化铁材料外部包覆的石墨化碳由氰胺化铁中的铁和碳原位自催化实现。

优选的，所述氰胺化铁材料的石墨化碳包覆厚度为1-5nm。

优选的，所述氰胺化铁材料的颗粒大小为150-350nm。

进一步的，本发明提供上述利用原位自催化实现石墨化碳包覆的氰胺化铁材料的制备方法：