一种硅基材料碳包覆完整度的测试方法

技术领域

本发明属于材料检测技术领域，具体涉及一种硅基材料碳包覆完整度的测试方法。

背景技术

随着便携式电子产品和新能源交通工具的快速发展，人们对负极材料的要求越来越高。相较于传统石墨负极材料，硅基负极材料具有能量密度高、循环性能好以及安全性高等优点，因此硅基负极材料越来越受到各界的关注。

但是硅基材料存在较大的体积膨胀等问题，为了解决此问题，目前采用较多的是对硅基材料进行碳包覆处理，可以有效降低体积膨胀。

虽然碳包覆可以有效降低体积膨胀，但是如何表征碳包覆的完整度和均匀性是一个新的难题。目前，表征硅基材料表面碳包覆完整度的方法主要包括有：SEM、TEM、拉曼光谱等。但是这些表征方法，存在过程复杂，成本高，且只能对小部分材料进行检测，不具有代表性等问题，因此需要一种简单易操作且低成本的测试方法用以表征碳包覆的完整度。

发明内容

本发明的目的在于满足实际需求，提供一种硅基材料碳包覆完整度的测试方法，该方法可以简单方便的对硅基材料的碳包覆完整度进行测试。

本发明提供了一种硅基材料碳包覆完整度的测试方法，所述方法包括：

将第一质量的强碱性材料以及第二质量的测试硅基材料置于反应罐进行反应，并获取检测装置输出的第一电流信息；

将第一质量的强碱性材料以及对比材料置于反应罐进行反应，并获取检测装置输出的对比电流信息；

基于所述第一电流信息和所述对比电流信息绘制测试图像，其中，所述测试图像中的横坐标为电流采集时间，纵坐标为电流强度；

基于所述测试图像中所述测试硅基材料对应的峰面积和峰电流值、所述对比材料对应的峰面积和峰电流值以及所述第二质量和对比材料的质量，计算所述测试硅基材料的碳包覆完整度。

优选地，所述对比材料包括纯碳材料和无碳包覆的对比硅基材料；基于所述测试图像中所述测试硅基材料对应的峰面积和峰电流值、所述对比硅基材料对应的峰面积和峰电流值、所述纯碳材料对应的峰面积和峰电流值、所述第二质量、所述对比硅基材料的第三质量以及所述纯碳材料的第四质量，计算所述测试硅基材料的碳包覆完整度；其中，

所述测试硅基材料对应的峰面积为：以所述纯碳材料对应的曲线为基线，所述测试硅基材料对应曲线与所述基线围成的面积；

所述对比硅基材料对应的峰面积为：以所述纯碳材料对应的曲线为基线，所述对比硅基材料对应曲线与所述基线围成的面积；

所述纯碳材料对应的峰面积为0。

优选地，在满足t＝12000/(T*v)±0.5的情况下，通过以下公式计算所述测试硅基材料的碳包覆完整度：

其中，C为所述测试硅基材料的碳包覆完整度；S

优选地，所述将第一质量的强碱性材料以及第二质量的测试硅基材料置于反应罐进行反应，包括：

称取第一质量的强碱性材料置于蒸馏水中并搅拌冷却，得到强碱混合液；

称取第二质量的测试硅基材料置于蒸馏水和乙醇的混合溶液并搅拌冷却，得到硅基材料混合液；

将所述强碱混合液和所述硅基材料混合液混合均匀，得到测试分散液，将所述测试分散液置于反应罐中进行反应；

所述将第一质量的强碱性材料以及对比材料置于反应罐进行反应，并获取检测装置输出的对比电流信息，包括：

称取第一质量的强碱性材料置于蒸馏水中并搅拌冷却，得到强碱混合液；

称取第三质量的对比硅基材料置于蒸馏水和乙醇的混合溶液并搅拌冷却，得到对比硅基材料混合液；

将所述强碱混合液和所述对比硅基材料混合液混合均匀，得到对比硅基材料分散液，将所述对比硅基材料分散液置于反应罐中进行反应；

称取第一质量的强碱性材料置于蒸馏水中并搅拌冷却，得到强碱混合液；

称取第四质量的纯碳材料置于蒸馏水和乙醇的混合溶液并搅拌冷却，得到纯碳材料混合液；

将所述强碱混合液和所述纯碳材料混合液混合均匀，得到纯碳材料分散液，将所述纯碳材料分散液置于反应罐中进行反应。

优选地，所述第一质量为0.1mol、所述用于溶解强碱性材料的蒸馏水的体积为40mL、所述测试硅基材料的第二质量的范围为1g-5g、用于分散所述测试硅基材料和对比材料的蒸馏水的体积为40mL以及用于分散所述测试硅基材料和对比材料的乙醇的体积为20mL、所述对比硅基材料的第三质量的范围为1g-5g、所述纯碳材料的第四质量的范围为1g-5g。

优选地，所述反应罐内发生的化学反应为：

优选地，所述反应罐与加热装置、载气控制装置、检测装置相连接；其中，所述检测装置中包括氢气传感器，所述氢气传感器基于反应生成的氢气量输出电流信息。

优选地，所述加热装置设置加热温度范围为60℃～90℃，加热时长范围为0.5h～5h；所述载气的载气流速范围为50sccm～1000sccm。

优选地，所述载气控制装置向所述反应罐输送的载气为惰性气体。

优选地，所述强碱性材料为氢氧化钠、氢氧化锂、氢氧化钾中的任意一种。

与现有技术相比，本申请具有的优点和积极效果是：

根据本发明实施例提供的硅基材料碳包覆完整度的测试方法，将强碱性材料和测试硅基材料以及将强碱性材料和对比材料置于反应罐进行反应，利用化学法反应生成氢气，然后通过检测装置检测化学反应生成的氢气，也就是说本发明提供的测试方法无需高温烧结，操作简单安全。此外，本发明提供的测试方法通过检测装置检测氢气，以电流信息来反映生成的氢气的量，然后生成测试图像，基于测试图像中测试硅基材料对应的峰面积和峰电流值、对比材料对应的峰面积和峰电流值以及所述第二质量和对比材料的质量，计算测试硅基材料的碳包覆完整度，能够直观的表现出碳包覆完整度结果，测试结果准确度更高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种硅基材料碳包覆完整度的测试方法的流程示意图；

图2本发明实施例提供的第一种测试图像的示意图；

图3本发明实施例提供的第二种测试图像的示意图；

图4本发明实施例提供的第三种测试图像的示意图；

图5本发明实施例提供的第四种测试图像的示意图；

图6本发明实施例提供的第五种测试图像的示意图；

图7本发明实施例提供的第六种测试图像的示意图。

本领域技术人员容易理解的是：这些附图仅仅用于说明的目的，而并非意在对本发明的保护范围组成限制。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。

第一实施例，请参阅图1，图1为本发明实施例提供的一种硅基材料碳包覆完整度的测试方法的流程示意图，该测试方法包括步骤101-步骤104。

步骤101、将第一质量的强碱性材料以及第二质量的测试硅基材料置于反应罐进行反应，并获取检测装置输出的第一电流信息。

具体的，反应罐内发生的化学反应为：

反应罐与加热装置、载气控制装置、检测装置相连接；其中，检测装置中包括氢气传感器，氢气传感器基于反应生成的氢气量输出电流信息。当反应罐内开始进行化学反应时，立即依次开启检测装置、载气控制装置、加热装置，然后获取检测装置输出的第一电流信息，本实施例利用电流信息来反映生成氢气的量。

步骤102、将第一质量的强碱性材料以及对比材料置于反应罐进行反应，并获取检测装置输出的对比电流信息。

上述步骤101结束之后，将反应罐清洗干净，然后将第一质量的强碱性材料以及对比材料置于反应罐进行反应。与上述步骤101相似，当反应罐内开始进行化学反应时，立即依次开启检测装置、载气控制装置、加热装置，然后获取检测装置输出的对比电流信息。

由以上可知，本实施例将强碱性材料和测试硅基材料以及将强碱性材料和对比材料置于反应罐进行反应，利用化学法反应生成氢气，然后通过检测装置检测化学反应生成的氢气，也就是说本发明提供的测试方法无需高温烧结，操作简单安全。

另外，本实施例无需使用昂贵的实验设备及仪器，成本低，经济环保。

步骤103、基于第一电流信息和对比电流信息绘制测试图像。

其中，测试图像中的横坐标为电流采集时间，纵坐标为电流强度，第一电流信息和对比电流信息在测试图像中为一条曲线。

步骤104、基于测试图像中测试硅基材料对应的峰面积和峰电流值、对比材料对应的峰面积和峰电流值以及第二质量和对比材料的质量，计算测试硅基材料的碳包覆完整度。

由此，本实施例通过检测装置检测氢气，能够精准检测氢气，以电流信息来反映生成的氢气的量，并生成测试图像，通过峰面积比较碳包覆的完整度，直观的表现出碳包覆完整度结果，测试结果准确度更高。

第二实施例，上述第一实施例中的对比材料包括纯碳材料和无碳包覆的对比硅基材料；进而基于测试图像中测试硅基材料对应的峰面积和峰电流值、对比硅基材料对应的峰面积和峰电流值、纯碳材料对应的峰面积和峰电流值、第二质量、对比硅基材料的第三质量以及纯碳材料的第四质量，计算测试硅基材料的碳包覆完整度。

具体的，测试硅基材料对应的峰面积为：以纯碳材料对应的曲线为基线，测试硅基材料对应曲线与基线围成的面积；对比硅基材料对应的峰面积为：以纯碳材料对应的曲线为基线，对比硅基材料对应曲线与基线围成的面积。

例如，请参阅图2，纯碳材料对应的曲线为基线，因此纯碳材料对应的峰面积为0，又因为纯碳材料未发生上文的化学反应，即检测装置未检测到生成的氢气，因此纯碳材料对应的峰电流值为正值。测试硅基材料对应的峰面积为图2中直线与基线围成的面积，对比硅基材料对应的峰面积为图2中虚线与基线围成的面积。因为测试硅基材料和对比硅基材料均发生上文的化学反应，即检测装置检测到生成的氢气，因此测试硅基材料和对比硅基材料对应的峰电流值均为负值，又因为对比硅基材料为无碳包覆的硅基材料，也就是更容易发生上文的化学反应，即检测装置能够检测到更多的氢气量，因此，对比硅基材料对应的峰电流值的绝对值大于测试硅基材料对应的峰电流值的绝对值。

在满足t＝12000/(T*v)±0.5的情况下，基于氢气生成量与峰面积以及电流值呈正相关的关系，构造以下公式计算测试硅基材料的碳包覆完整度：

其中，C为测试硅基材料的碳包覆完整度；S

上述公式中引入的质量参数可以将峰面积归一化，即计算得到的碳包覆完整度与参与反应的材料质量无关。

加热装置设置加热温度范围为60℃～90℃，加热时长范围为0.5h～5h；载气的载气流速范围为50sccm～1000sccm，载气为氮气、氩气中的至少一种惰性气体。作为一个实例，当将加热温度设置为70℃，载气流速设置为200sccm时，可以将加热时长设置为1h±0.5h，即满足t＝12000/(T*v)±0.5的情况，以能够保证电流达到稳定状态，进而可以基于上述公式准确得计算测试硅基材料的碳包覆完整度。

第三实施例，在第一实施例中，将第一质量的强碱性材料以及第二质量的测试硅基材料置于反应罐进行反应的步骤可以通过以下步骤A-步骤C实现。

步骤A、称取第一质量的强碱性材料置于蒸馏水中并搅拌冷却，得到强碱混合液。

例如，上述的强碱性材料为氢氧化钠、氢氧化锂、氢氧化钾中的任意一种。在25℃±5℃下，将0.1mol的强碱性材料置于40ml的蒸馏水中并搅拌冷却至25℃±5℃，得到强碱混合液。

步骤B、称取第二质量的测试硅基材料置于蒸馏水和乙醇的混合溶液并搅拌冷却，得到硅基材料混合液。

例如，可以将1g-5g的试硅基材料置于40ml的蒸馏水和20ml的乙醇的混合溶液并搅拌冷却，得到硅基材料混合液。

步骤C、将强碱混合液和硅基材料混合液混合均匀，得到分散液，将分散液置于反应罐中进行反应。

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，基于上述各个实施例并根据具体实现方式，对本发明作进一步详细的说明。

第四实施例。

首先将反应罐与加热装置、载气控制装置、检测装置相连接。

在25℃下，称取4g强碱性材料氢氧化钠置于40mL蒸馏水中，搅拌、冷却至常温(25℃)，得到强碱混合液；然后称取4.02g碳包覆(3.0％)的测试硅基材料1置于40mL蒸馏水和20mL乙醇的混合溶液中，搅拌均匀，得到硅基材料混合液；最后将强碱混合液和硅基材料混合液混匀，形成测试分散液，将测试分散液置于反应罐中密闭。

同时开启加热装置、载气控制装置和检测装置。将加热装置的加热温度设置为70℃，加热时长为1h，载气的载气流速范围为200sccm，然后获取检测装置采集的电流信息。

将反应罐清洗干净，在25℃下，称取4g强碱性材料氢氧化钠置于40mL蒸馏水中，搅拌、冷却至常温(25℃)，得到强碱混合液；然后称取1.00g无碳包覆的对比硅基材料置于40mL蒸馏水和20mL乙醇的混合溶液中，搅拌均匀，得到对比硅基材料混合液；最后将强碱混合液和对比硅基材料混合液混匀，形成对比硅基材料分散液，将对比硅基材料分散液置于反应罐中密闭。

同时开启加热装置、载气控制装置和检测装置。将加热装置的加热温度设置为70℃，加热时长为1h，载气的载气流速范围为200sccm，然后获取检测装置采集的第一对比电流信息。

将反应罐清洗干净，在25℃下，称取4g强碱性材料氢氧化钠置于40mL蒸馏水中，搅拌、冷却至25℃，得到强碱混合液；然后称取4.01g纯碳材料置于40mL蒸馏水和20mL乙醇的混合溶液中，搅拌均匀，得到纯碳材料混合液；最后将强碱混合液和纯碳材料混合液混匀，形成纯碳材料分散液，将纯碳材料分散液置于反应罐中密闭。

同时开启加热装置、载气控制装置和检测装置。将加热装置的加热温度设置为70℃，加热时长为1h，载气的载气流速范围为200sccm，然后获取检测装置采集的第二对比电流信息。

基于电流信息和对比电流信息绘制如图2所示的测试图像。根据以下公式计算测试硅基材料1的碳包覆完整度。

其中，C

第五实施例。

第五实施例与第四实施例相比，将4g碳包覆(3.0％)的测试硅基材料1改为采用3g碳包覆(1.5％)的测试硅基材料2，第五实施例与第四实施例的测试步骤完全相同，最后得到如图3所示的测试图像，并且根据以下公式计算测试硅基材料2的碳包覆完整度。

其中，C

第六实施例。

第六实施例与第四实施例相比，将4g碳包覆(3.0％)的测试硅基材料1改为采用4g碳包覆(3.0％)的测试硅基材料3，测试硅基材料3与测试硅基材料1的区别为碳包覆的工艺方法不同，第六实施例与第四实施例的测试步骤完全相同，最后得到如图5所示的测试图像，并且根据以下公式计算测试硅基材料3的碳包覆完整度。

其中，C

首先参阅图2和图4，当检测碳包覆(3.0％)的测试硅基材料1对应的反应生成的氢气时，起始阶段反应未开始，检测装置检测不到氢气，电流呈正值；当反应开始时，检测装置检测到氢气，电流快速下降，制造为负值；随着反应持续发生，反应罐中的氢气被载气带出并导入检测装置，电流呈持续且快速下降，直至第一个阶段的最低点，此时由于碳包覆的碳壳层阻隔了碱液与内部SiO

当检测纯碳材料对应的反应生成的氢气时，由于没有反应发生，无氢气生成，因此电流基本维持在一个较稳定的正值。

当对比硅基材料对应的反应生成的氢气时，由于没有碳壳层的阻碍，反应罐内的反应相对持续稳定，氢气传感器所检测到的氢气量呈先增多后减少的趋势，因此电流呈先降低再升高，直至趋向于一个稳定的数值。

请参阅图4，当碳含量更高时，碳包覆的碳壳层相对更完整，进而反应产生的氢气相对更少，因此碳包覆(3.0％)的测试硅基材料1对应的峰面积小于碳包覆(1.5％)的测试硅基材料2的峰面积。

请参阅图2、图5和图6，当相同的碳含量去包覆硅基材料，但是包覆工艺不同时，碳壳层的完整程度也会有差异，上述测试方法可以非常清晰直观的反应不同材料的碳包覆完整度。

通过上述测试方法得到的数据可以如表1所示。

表1：硅基材料碳包覆完整度的测试方法的数据表。

根据表1可以看出：碳包覆(3.0％)的硅基材料样品1的碳包覆完整度为94.98％，碳包覆(1.5％)的硅基材料样品2的碳包覆完整度为93.32％，采用不同包覆工艺的碳包覆(3.0％)的硅基材料样品3的碳包覆完整度为95.94％，测试分析结果符合样品的特性，即可以说明本发明的测试方法的准确度较高。

对比例。

首先将反应罐与加热装置、载气控制装置、检测装置相连接。

在25℃下，称取4g强碱性材料氢氧化钠置于40mL蒸馏水中，搅拌、冷却至25℃，得到强碱混合液；然后称取4.02g碳包覆(3.0％)的测试硅基材料1置于40mL蒸馏水和20mL乙醇的混合溶液中，搅拌均匀，得到硅基材料混合液；最后将强碱混合液和硅基材料混合液混匀，形成分散液，将分散液置于反应罐中密闭。

同时开启加热装置、载气控制装置和检测装置。将加热装置的加热温度设置为70℃，加热时长为1h，载气的载气流速范围为200sccm，然后获取检测装置采集70℃对应的电流信息。

然后将反应罐清洗干净，在常温(25℃±5℃)下，称取4g强碱性材料氢氧化钠置于40mL蒸馏水中，搅拌、冷却至常温(25℃±5℃)，得到强碱混合液；然后称取4.02g碳包覆(3.0％)的测试硅基材料1置于40mL蒸馏水和20mL乙醇的混合溶液中，搅拌均匀，得到硅基材料混合液；最后将强碱混合液和硅基材料混合液混匀，形成分散液，将分散液置于反应罐中密闭。

同时开启加热装置、载气控制装置和检测装置。将加热装置的加热温度设置为30℃，加热时长为1h，载气的载气流速范围为200sccm，然后获取检测装置采集30℃对应的电流信息。

基于70℃对应的电流信息和30℃对应的电流信息绘制如图7所示的测试图像。从图7中可以看出：当加热温度为30℃时，反应罐内的反应相对较慢，电流的下降和上升趋势相对更缓慢，测得电流峰面积偏小，实验误差较大；因此加热温度需要适当高一点，60℃～90℃效果较佳。另外，为了更全面地得出碳包覆完整度的情况，加热时间需要控制在一定范围内，至少要达到电流稳定时间，因此可根据样品材料的性质控制加热时间在0.5h～5h。

以上仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本申请作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。