[发明专利]氮硫双掺杂石墨烯复合硅硼碳氮陶瓷复合材料、制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种氮硫双掺杂石墨烯复合硅硼碳氮陶瓷复合材料、制备方法及应用，属于陶瓷基复合材料制备技术领域，具体包括氮硫双掺杂石墨烯和硅硼碳氮，氮硫双掺杂石墨烯和硅硼碳氮在600～1000℃高温下分别热解转换成陶瓷粉末，然后按照质量比1:10的比例混合并通过球磨法处理结合。本发明制备的陶瓷复合材料具有叠层网络结构，能够在电化学循环过程中避免出现因脱嵌锂而引起的分层，合成的陶瓷复合材料在450mA/g电流密度下，经800次循环后，可逆容量仍然维持在785mAh/g，其库伦效率和容量保持率均高达99％，因此，合成的陶瓷复合材料循环过程中性能稳定，表现出优异的循环性能，因而，在锂离子电池领域具有潜在的应用价值。

技术领域

本发明属于陶瓷基复合材料制备技术领域，具体涉及一种氮硫双掺杂石墨烯复合硅硼碳氮的陶瓷复合材料、制备方法及应用。

背景技术

锂离子电池的发展一直备受关注，但市场上现有的石墨烯材料作为电池电极其电容量十分有限(在100mA/g的电流密度下电容量大约为370mAh/g)。人们已经研究了许多具有改性结构的前体以改善阳极材料的性能，而硅基聚合物陶瓷(PDC)材料是一种比较好的候选材料(理论电容量在4000mAh/g左右)。但是硅基电极在充放电的过程会发生体积的膨胀，导致其表面破碎从而使其量迅速降低。这限制了硅基正极材料的广泛应用。使用双掺杂的石墨烯(NSGs)可以有效提升电极的性能，这是由于掺杂石墨烯中杂原子的协同作用。对石墨烯片的掺杂方法有两种，一种是对石墨烯前体用带有活性杂原子的物质处理如硼烷、氨、离子液体和三苯基膦。另一种方法是让杂原子和石墨烯进行高温热转化，使得杂原子进入到碳骨架中。但是这些方法会使处理过的石墨烯发生聚集现象从而降低其性能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种氮硫双掺杂石墨烯复合硅硼碳氮的陶瓷复合材料、制备方法及应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种氮硫双掺杂石墨烯复合硅硼碳氮的陶瓷复合材料，包括氮硫双掺杂石墨烯和硅硼碳氮，氮硫双掺杂石墨烯和硅硼碳氮在600～1000℃高温下分别热解转换成陶瓷粉末，然后按照质量比1:10的比例混合并通过球磨法处理结合。

优选地，陶瓷复合材料具有叠层网络结构。

优选地，本发明的另一技术方案是提供上述一种氮硫双掺杂石墨烯复合硅硼碳氮的陶瓷复合材料的制备方法，包括如下步骤：

S1、硅硼碳氮的合成：

将三氯化硼(BCl₃)加入到反应容器中冷却至-80～-75℃，在氩气流和搅拌条件下加入甲基二氯硅烷(CH₃SiCl₂)、二苯基二氯硅烷((C₆H₅)₂Cl₂Si)、六甲基二硅胺烷((CH₃)₃SiNHSi(CH₃)₃)，升温至室温，继续搅拌，并升温至60～70℃反应1～2h，继续升温至90～110℃反应2～3h，然后升温至240～260℃反应3～4h，反应结束后，真空干燥脱除溶剂，即得到硅硼碳氮(SiBCN)，其中BCl₃与CH₃SiCl₂、(C₆H₅)₂Cl₂Si、(CH₃)₃SiNHSi(CH₃)₃的摩尔比为1:1:1:4.9；

S2、氮硫双掺杂石墨烯的合成：