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制造技术

本发明专利技术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；本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术属于复合材料
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺陷，本专利技术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，本专利技术采用的技术方案是：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，本专利技术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：步骤一：按质量比3:5将草酸铵铁盐与尿素混合，研磨使其充分混合，得到混合物A；步骤二：在惰气气氛中，先以30℃/min的升温速率升到160℃，保温1h，然后以5℃/min的升温速率升到600℃，加热结束后程序停止，待温度降至室温条件下取出，得到产物B，即为氰胺化铁；步骤三：取上述产物B进行二次烧结，先以5-10℃/min快速升温到400℃，再降低升温速率，以1-5℃/min升温到500-550℃，保温0min-60min，后程序停止，自然降温至室温，得到产物C，即为石墨化碳包覆的氰胺化铁。优选的，所述的步骤一的研磨方法为采用研钵研磨20min。优选的，所述步骤二的反应均在100sccm的流动氩气或氮气气氛中进行。优选的，所述步骤三的反应在100sccm的流动氩气、氮气或氢气气氛中进行。优选的，所述的步骤二和步骤三的反应器为高温管式炉。本专利技术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。本专利技术还保护一种含有上述钾离子电池负极的钾离子电池。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术的原位自催化实现石墨化碳包覆的氰胺化铁材料利用氰胺化铁和氰胺化铁中的碳自还原形成氮掺杂的石墨化碳，在前期利用管式炉快速升温从而包覆在氰胺化铁表面，而内部结构稳定不变，当氰胺化铁被石墨化碳包覆时，可以减少电极材料与电解液的直接接触，减少材料与电解液的副反应，降低界面膜的电阻，表面的石墨化碳提高了材料的导电性，并且提高了电极材料与电解液界面结构的稳定性，改善电池循环性能；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，大大提高产物的结构稳定性；所得产物具有极高的钾离子存储性能，提高电池的倍率与循环性能。附图说明图1为实施例1产物的XRD图谱图2为实施例1产物的TEM图图3为实施例1产物的TEM图图4为实施例1产物制备的电池负极材料的循环性能测试图图5为实施例1产物制备的电池负极材料的倍率性能图图6为实施例2所得产物的EM图图7为实施例2产物制备的电池负极材料的循环性能测试图图8为对比例1所得产物的TEM图图9为对比例1产物制备的电池负极材料的循环性能测试图图10为对比例2制备的电池负极材料的循环性能测试图具体实施方式实施例1：步骤一：取1g草酸铵铁盐和1.67g尿素，在玻璃研钵里混合研磨20min，得到混合物A；步骤二：将混合物A转移至石英坩埚中，并将石英坩埚置于管式炉中，在100sccm的流动氩气气氛中，先以30℃/min的升温速率升到160℃，保温1h，然后以5℃/min的升温速率升到600℃，冷却后取出，得到产物B；步骤三：取上述产物B在100sccm的流动氩气气氛中进行二次烧结，先以10℃/min升温到400℃，再降低升温速率，以5℃/min升温到550℃，保温30min，冷却后取出，得到产物C，即为石墨化碳包覆的氰胺化铁。采用日本理学D/max2000PCX-射线衍射仪分析实施例1产物C，实施例1所得产物的XRD见附图1；将该样品在扫描电镜下进行观察，如图2所示；图3为该样品的20nmTEM图；从图2和图3可以看出石墨化碳包覆在氰胺化铁表面，结合紧密且均匀，包覆厚度约为3nm，颗粒尺寸约为200nm，材料的结构由多面体逐渐趋向于球形。将实施例1所得的产物制备成纽扣式钾离子电池，具体的封装步骤如下：将活性粉，导电剂(SuperP)，导电石墨，粘接剂(羧甲基纤维素CMC)，聚丙烯酸(PAA)按照质量比为8:0.5:0.5:0.5:0.5的配比研磨均匀后，制成浆料，用涂本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用原位自催化实现石墨化碳包覆的氰胺化铁材料，其特征在于，氰胺化铁材料外部包覆有石墨化碳。/n

【技术特征摘要】
1.一种利用原位自催化实现石墨化碳包覆的氰胺化铁材料，其特征在于，氰胺化铁材料外部包覆有石墨化碳。


2.如权利要求1所述的利用原位自催化实现石墨化碳包覆的氰胺化铁材料，其特征在于，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形成。


3.如权利要求2所述的利用原位自催化实现石墨化碳包覆的氰胺化铁材料，其特征在于，所述氰胺化铁材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：李嘉胤，钱程，沈欢妍，黄剑锋，曹丽云，胡云飞，郭鹏辉，罗晓敏，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61