[发明专利]碳化二亚胺类化合物及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及电化学电源领域，具体地，涉及碳化二亚胺类化合物及其制备方法和应用以及一种电极材料、一种锂离子电池和一种锂离子电容器。

背景技术

在全球能源供应不可持续和环境问题的驱使下，绿色可再生能源技术应运而生，并在近些年得到长足发展，与此对应的能源存储和管理也相应地成为实际需求不可避免的技术需求。就目前实际的市场应用而言，锂离子电池和超级电容的应用具有不可替代的地位，而且市场需求还在不断扩张，比如处于移动终端的智能电子设备和电动汽车都需要具备可观的能量密度来保持续航历程和时间的实际需求。快速充电对于生活节奏加快的大众来说尤为重要。因此，对于锂离子电池负极材料而言，在大电流下具有高容量及高循环稳定性非常关键。

目前商业化应用的锂离子电池负极材料主要为石墨，其理论容量只有372mA·h/g，而且使用过程中电解液溶剂分子的嵌入使其发生不可逆的剥离，从而大幅度降低了材料的容量可逆性。而另一种锂离子电池负极材料—过渡金属氧化物，则由于导电性差以及反应中部分产物的循环不可逆使其在电池中的循环稳定性非常差。

对于锂离子电容器，负极材料的工作电压位置对于设计宽工作电压窗口的完整电容器非常关键，比如钛酸锂的对锂电位为1.5V，从而使得电容器的最高工作电压只有2.8V。

为了进一步满足锂离子电池和对锂离子电容器对负极材料的要求，有必要开发出新的具有高比容量和高循环稳定性的负极材料。

目前，关于碳化二亚胺类化合物(也可记为MNCN，M为过渡金属)的报道还较少，在已有的报道中，MNCN的制备方法都比较繁琐，且制备过程中对条件的要求非常苛刻，例如，碳化二亚胺锰(MnNCN)材料的制备过程需要将ZnNCN和ZnCl₂在260℃下熔融，加入氯化锰后在500℃的条件下蒸发副产物才能得到目标产物。同样地，对于碳化二亚胺铁(FeNCN)，则需要使用氨气脱气处理的蒸馏水在无氧环境中配制前驱体溶液，在舒伦克瓶中通过向硫酸亚铁氨([(NH₄)₂Fe(SO₄)₂]·6H₂O)水溶液中通浓氨水先获取氨亚铁络合物([Fe(NH₃)₆]²⁺)，再加入氰胺(H₂NCN)溶液和浓氨水反应，最后真空去除多余的氨，得到FeNCN产物。鉴于已有制备方法的繁琐和条件的苛刻，对MNCN的应用研究较少，且MNCN常用作半导体材料，少见将其用于锂离子电池和锂离子电容器的负极材料的报道。

发明内容

本发明的目的是克服现有的MNCN材料制备过程繁琐、锂离子电池和锂离子电容器负极材料的比容量低、循环稳定性差等缺陷，提供一种碳化二亚胺类化合物及其制备方法和应用以及一种电极材料、一种锂离子电池和一种锂离子电容器。

为了实现上述目的，本发明提供了一种碳化二亚胺类化合物的制备方法，其中，该制备方法包括：

(1)使三聚氰胺和含金属元素的盐进行溶剂热反应；

(2)对步骤(1)得到的反应产物进行固液分离并将得到的固相在惰性气氛中进行煅烧；

其中，金属元素选自Mn、Fe、Co、Ni和Cu元素中的至少一种。

本发明提供的方法与现有技术公开的方法相比，生产成本低，方法简单易控，过程简便，易于实现工业化批量生产，并且反应无副产物。

本发明还提供了由上述方法制备得到的碳化二亚胺类化合物。

通过XRD表征分析，将本发明提供的方法制备得到的碳化二亚胺类化合物XRD图与标准MNCN材料XRD图对比，确定本发明提供的方法制备得到的碳化二亚胺类化合物具有MNCN的结构。

本发明的发明人在研究过程中发现将碳化二亚胺类化合物作为负极材料应用到锂离子电池和锂离子电容器中，能够使得锂离子存储反应过程中化学键断裂和生成的能量降低，进而可以保证电极储能反应中可逆性的提升和对锂电位的降低。因此，本发明还提供了碳化二亚胺类化合物在电极材料中的应用，所述碳化二亚胺类化合物具有由MN₆八面体组成的二维层面，且该二维层面通过C原子层连接形成交替层结构，其中，M选自Mn、Fe、Co、Ni和Cu元素中的至少一种。