[发明专利]一种硅基材料中硅含量和氧含量的测试方法及测试装置

说明书

本发明公开了一种硅基材料中硅含量和氧含量的测试方法及测试装置，涉及材料、新能源领域。测试方法包括将硅基材料和反应溶液先后放入密闭反应器中，通过压力传感器监测密闭反应器中气体的压力变化，根据密闭反应器内腔的容积、温度和气体压力变化，利用气态方程得到气体摩尔数，进而根据硅基材料和反应溶液的化学反应方程式得到反应消耗的未氧化的硅含量，随后根据硅基材料初始质量得到完全氧化的硅含量，根据硅基材料的化学式得到其氧含量，进而得到硅基材料的硅氧比例。本发明利用气体压力与硅基材料成分敏感的特性，实现了低成本、高精度的硅基材料中硅、氧含量测试。

技术领域

本发明涉及材料、新能源领域，尤其涉及一种硅基材料中硅含量和氧含量的测试方法及测试装置。

背景技术

硅基材料因其具有理论比容量高、工作电位低、原料储量丰富且廉价易得等优点，最有可能成为下一代商业化的锂离子电池负极材料。然而，硅基材料中未完全氧化的硅的含量对其电化学性能起着关键作用，其中，低氧化程度的硅基材料比容量高、循环稳定性差；高氧化程度的硅基材料循环稳定性好但电化学活性低、导电性差。因此，定量分析硅基材料的硅氧比对生产和科研都十分重要。

目前，定量分析硅基材料中的氧含量最常用的仪器是氧氮氢联合测定仪，该仪器将待测的硅基材料样品放入石墨坩埚，经过超高温加热和蒸发后释放出二氧化碳气体，通过气体吸附仪对产生的气体进行定量分析。整个过程非常耗时并且装置也极其昂贵，仅有部分科研机构和高校有条件做这项测试。此外，二次离子质谱法、带电离子活化分析法、高能粒子辐照结合红外吸收光谱等也被用于测试硅基材料中的硅、氧含量。这些测试方法或多或少都存在装置昂贵、定标困难、制样困难和测试精度低等问题。因此，开发一种快速、低成本和高精度的硅基材料硅、氧含量测试手段及装置，对于硅基材料的科研和生产具有极其重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，并提供一种硅基材料中硅含量和氧含量的测试方法及测试装置。

下面首先对本发明测试方法的原理进行说明：

本发明默认SiO_x(0≤x≤2)的氧模型是均匀分布的，热力学氧化能可将SiO_x分为Si和SiO₂。本发明基于硅基材料SiO_x(0≤x≤2)中未完全氧化的硅能与酸、碱或有机溶液反应产生气体，而且气体产生量与硅、氧含量敏感的特性，利用压力变化推测硅基材料中的硅含量、氧含量与硅氧比。

例如，硅和氢氧化钾溶液反应，反应方程式见(1-1)，每1mol硅反应后会产生2mol氢气。而二氧化硅和氢氧化钾溶液反应后没有气体产生，反应方程式见(1-2)。

2KOH+Si+H₂O→K₂SiO₃+2H₂↑ (1-1)

2KOH+SiO₂→K₂SiO₃+H₂O (1-2)

或者完全氧化的二氧化硅与酸溶液在反应后产生气体，例如二氧化硅和氢氟酸反应，反应方程式见(1-3)，每1mol二氧化硅反应后会产生1mol四氟化硅气体。而未氧化的硅和氢氟酸则没有化学反应。

SiO₂+HF→SiF₄↑+H₂O (1-3)

通过测试产生气体的压力，利用克拉伯龙方程式(见1-4)计算出产生气体的量，从而推导出所测硅基材料中的未完全氧化的硅与氧化的硅的比例，最后得到所测硅基材料SiO_x的X值。

△PV＝nRT (1-4)

其中，△P为测试的气体压力变化，V为反应内腔的体积，n为气体摩尔数 (待测)，R为常量，T为反应温度。