[發明專利]一種硅基材料中硅含量和氧含量的測試方法及測試裝置

在審

• 申請號: 202210818408.4
• 申請日: 2022-07-12
• 公開（公告）號: CN115015030A
• 公開（公告）日: 2022-09-06
• 發明（設計）人: 汪雷;祝洪良;陳靜;汪樂
• 申請（專利權）人: 海寧硅泰科技有限公司
• 主分類號: G01N7/18
• 分類號: G01N7/18
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 傅朝棟;張法高

本發明公開了一種硅基材料中硅含量和氧含量的測試方法及測試裝置，涉及材料、新能源領域。測試方法包括將硅基材料和反應溶液先后放入密閉反應器中，通過壓力傳感器監測密閉反應器中氣體的壓力變化，根據密閉反應器內腔的容積、溫度和氣體壓力變化，利用氣態方程得到氣體摩爾數，進而根據硅基材料和反應溶液的化學反應方程式得到反應消耗的未氧化的硅含量，隨后根據硅基材料初始質量得到完全氧化的硅含量，根據硅基材料的化學式得到其氧含量，進而得到硅基材料的硅氧比例。本發明利用氣體壓力與硅基材料成分敏感的特性，實現了低成本、高精度的硅基材料中硅、氧含量測試。

技術領域

本發明涉及材料、新能源領域，尤其涉及一種硅基材料中硅含量和氧含量的測試方法及測試裝置。

背景技術

硅基材料因其具有理論比容量高、工作電位低、原料儲量豐富且廉價易得等優點，最有可能成為下一代商業化的鋰離子電池負極材料。然而，硅基材料中未完全氧化的硅的含量對其電化學性能起著關鍵作用，其中，低氧化程度的硅基材料比容量高、循環穩定性差；高氧化程度的硅基材料循環穩定性好但電化學活性低、導電性差。因此，定量分析硅基材料的硅氧比對生產和科研都十分重要。

目前，定量分析硅基材料中的氧含量最常用的儀器是氧氮氫聯合測定儀，該儀器將待測的硅基材料樣品放入石墨坩堝，經過超高溫加熱和蒸發后釋放出二氧化碳氣體，通過氣體吸附儀對產生的氣體進行定量分析。整個過程非常耗時并且裝置也極其昂貴，僅有部分科研機構和高校有條件做這項測試。此外，二次離子質譜法、帶電離子活化分析法、高能粒子輻照結合紅外吸收光譜等也被用于測試硅基材料中的硅、氧含量。這些測試方法或多或少都存在裝置昂貴、定標困難、制樣困難和測試精度低等問題。因此，開發一種快速、低成本和高精度的硅基材料硅、氧含量測試手段及裝置，對于硅基材料的科研和生產具有極其重要的意義。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術存在的不足，并提供一種硅基材料中硅含量和氧含量的測試方法及測試裝置。

下面首先對本發明測試方法的原理進行說明：

本發明默認SiO_x(0≤x≤2)的氧模型是均勻分布的，熱力學氧化能可將SiO_x分為Si和SiO₂。本發明基于硅基材料SiO_x(0≤x≤2)中未完全氧化的硅能與酸、堿或有機溶液反應產生氣體，而且氣體產生量與硅、氧含量敏感的特性，利用壓力變化推測硅基材料中的硅含量、氧含量與硅氧比。

例如，硅和氫氧化鉀溶液反應，反應方程式見(1-1)，每1mol硅反應后會產生2mol氫氣。而二氧化硅和氫氧化鉀溶液反應后沒有氣體產生，反應方程式見(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與酸溶液在反應后產生氣體，例如二氧化硅和氫氟酸反應，反應方程式見(1-3)，每1mol二氧化硅反應后會產生1mol四氟化硅氣體。而未氧化的硅和氫氟酸則沒有化學反應。

SiO₂+HF→SiF₄↑+H₂O (1-3)

通過測試產生氣體的壓力，利用克拉伯龍方程式(見1-4)計算出產生氣體的量，從而推導出所測硅基材料中的未完全氧化的硅與氧化的硅的比例，最后得到所測硅基材料SiO_x的X值。

△PV＝nRT (1-4)

其中，△P為測試的氣體壓力變化，V為反應內腔的體積，n為氣體摩爾數 (待測)，R為常量，T為反應溫度。