生物基导电材料及其制备方法与流程

本技术涉及生物质材料，具体涉及一种生物基导电材料及其制备方法。

背景技术：

1、生物质是自然界存在最多、分布最广的一类重要的有机化合物，主要由碳、氢、氧所组成。随着全球范围内煤和石油资源的消耗和污染问题的日益严重，人们寻找一种可再生的、洁净能源的需求越来越迫切。相比于化石能源，生物质能源具有分布广、总量大、无污染、可再生的特点。同时生物质资源因其可再生性及丰富的碳含量为生物基导电材料的发展提供了充足的原料来源。但一般生物质碳材料的导电性较差，想获得好的导电性往往要经过高温炭化等，生产成本较高。

2、改变材料导电性的方法有很多种，包括材料参杂，界面修饰等。材料掺杂是一种常用的改变材料导电性的方法。在掺杂过程中，材料中引入了一些外部杂质，这些杂质可以增加材料的自由载流子浓度，从而提高材料的导电性能。掺杂的杂质可以是阴离子或阳离子，例如硼、铁、磷等。掺杂的优点是操作简单，成本低，而且可以实现大面积均匀掺杂，从而获得较高的导电性能。其缺点是掺杂可能会导致材料晶格结构的破坏，使得材料的机械性能和稳定性下降。界面修饰是一种通过改变材料表面与周围环境之间的相互作用，来调节材料导电性的方法。例如，通过在材料表面修饰一层导电性良好的材料，可以提高材料的导电性能。界面修饰的优点是可以在不改变材料本身结构的情况下，实现导电性的调节。但是，该方法通常需要制备复杂的材料，成本较高。

3、因此，如何制备得导电性良好的生物基导电材料是目前亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的上述技术问题之一，本技术提供了一种生物基导电材料及其制备方法。本技术提供的方法利用微波电磁场效应与生物质材料作用，通过高选择性碳包覆使生物基导电材料的导电性得到了显著提升。

2、第一方面，本技术提供了一种生物基导电材料，其包括生物质与碳源的反应产物，其中，所述碳源选自石脑油、c6-c16的烷烃、聚c2-c8烯烃中的一种或多种。

3、在一些实施方式中，所述生物质包括糖类生物质和纤维素类生物质中的一种或多种。

4、在一些实施方式中，所述糖类生物质包括单糖类生物质和多糖类生物质中的一种或多种。在一些实施方式中，所述糖类生物质包括萄糖、蔗糖、麦芽糖、海藻糖、松二糖、乳果糖、麦芽酮糖、淀粉、琼脂糖、葡甘露聚糖、菊糖、甲壳素、壳聚糖、低聚果糖、低聚半乳糖和低聚甘露糖中的一种或多种。

5、在一些实施方式中，所述纤维素类生物质包括树干、树枝、木屑、锯末、玉米秸秆、稻草、甘蔗渣、麦秸、豆荚、棉秆、芒草和竹子中的一种或多种。

6、在一些实施方式中，所述碳源选自重质石脑油和/或轻质石脑油。本技术对石脑油的组成并无特别要求，本领域中常规使用的石脑油均适用于本技术。

7、在一些实施方式中，所述碳源选自c6-c16的直链或支链烷烃中的一种或多种。在一些实施方式中，所述碳源选自c6-c12的直链烷烃。在一些实施方式中，所述碳源选自正己烷、正庚烷、正辛烷、正壬烷或正癸烷中的一种或多种。

8、在一些实施方式中，所述碳源选自聚c2-c6烯烃中的一种或多种。在一些实施方式中，所述碳源选自聚乙烯、聚丙烯或聚丁烯中的一种或多种。

9、在一些实施方式中，聚c2-c6烯烃分子量范围为5000-5,000,000g/mol(0.5万-500万g/mol)，例如为1万g/mol、5万g/mol、10万g/mol、15万g/mol、20万g/mol、25万g/mol、30万g/mol、35万g/mol、40万g/mol、45万g/mol、50万g/mol、70万g/mol、100万g/mol、150万g/mol、200万g/mol、250万g/mol、300万g/mol、350万g/mol、400万g/mol或450万g/mol。在一些实施方式中，所述聚c2-c6烯烃分子量范围为30,000-50,000g/mol。

10、在第二方面，本技术提供了一种生物基导电材料的制备方法，其包括使生物质与碳源在微波处理下进行反应，其中，所述碳源选自石脑油、c6-c16的烷烃、聚c2-c8烯烃中的一种或多种。

11、本技术的发明人经过漫长的研究发现，微波提供的场效应相较于加热效应对特殊的反应起到更加决定性的因素，而这其中合适的反应体系、条件和与不同材料的相互作用而体现出的特有性质成为控制反应产物，选择性，收率的重要因素。本技术针对生物质材料在微波处理条件下进行特定碳源的包覆，在低温条件下实现了生物基导电材料导电性的显著提高。

12、在一些实施方式中，所述生物质的质量为m g，所述微波处理的功率为n w，其中，m:n为1:1至1:80，例如为1:5、1:10、1:15、1:20、1:25、1:26、1:27、1:28、1:29、1:30、1:31、1:32、1:33、1:34、1:35、1:36、1:37、1:38、1:39、1:40、1:41、1:42、1:43、1:44、1:45、1:46、1:47、1:48、1:49、1:40、1:41、1:42、1:43、1:44、1:45、1:46、1:47、1:48、1:49、1:60、1:61、1:62、1:63、1:64、1:65、1:66、1:67、1:68、1:69、1:70、1:71、1:72、1:73、1:74、1:75、1:76、1:77、1:78、1:79或它们之间的任意值。在一些实施方式中，m:n为1:35至1:60。

13、在一些实施方式中，n为800、1000、1500、2000、2500、3000、3500、4000、4500、5000、5500、6000、6500、7000、7500、8000、8500、9000、9500、10000、11000、12000、13000、15000、17000、20000、23000、25000、27000、30000或它们之间的任意值。在一些实施方式中，所述微波处理的功率n w满足：n大于或等于3000。在一些实施方式中，n大于或等于3500。在一些实施方式中，3500≤n≤6000。

14、在一些实施方式中，所述生物质包括糖类生物质和纤维素类生物质中的一种或多种。

15、在一些实施方式中，所述糖类生物质包括单糖类生物质和多糖类生物质中的一种或多种。在一些实施方式中，所述糖类生物质包括萄糖、蔗糖、麦芽糖、海藻糖、松二糖、乳果糖、麦芽酮糖、淀粉、琼脂糖、葡甘露聚糖、菊糖、甲壳素、壳聚糖、低聚果糖、低聚半乳糖和低聚甘露糖中的一种或多种。

16、在一些实施方式中，所述纤维素类生物质包括树干、树枝、木屑、锯末、玉米秸秆、稻草、甘蔗渣、麦秸、豆荚、棉秆、芒草和竹子中的一种或多种。

17、在一些实施方式中，所述碳源选自重质石脑油和/或轻质石脑油。本技术对石脑油的组成并无特别要求，本领域中常规使用的石脑油均适用于本技术。

18、在一些实施方式中，所述碳源选自c6-c16的直链或支链烷烃中的一种或多种。在一些实施方式中，所述碳源选自c6-c12的直链烷烃。在一些实施方式中，所述碳源选自正己烷、正庚烷、正辛烷、正壬烷或正癸烷中的一种或多种。

19、在一些实施方式中，所述碳源选自聚c2-c6烯烃中的一种或多种。在一些实施方式中，所述碳源选自聚乙烯、聚丙烯或聚丁烯中的一种或多种。

20、在一些实施方式中，聚c2-c6烯烃分子量范围为5000-5,000,000g/mol(0.5万-500万g/mol)，例如为1万g/mol、5万g/mol、10万g/mol、15万g/mol、20万g/mol、25万g/mol、30万g/mol、35万g/mol、40万g/mol、45万g/mol、50万g/mol、70万g/mol、100万g/mol、150万g/mol、200万g/mol、250万g/mol、300万g/mol、350万g/mol、400万g/mol或450万g/mol。在一些实施方式中，所述聚c2-c6烯烃分子量范围为30,000-50,000g/mol。

21、在一些实施方式中，基于生物质的质量，所述碳源的质量含量为10％-200％，例如为15％、25％、30％、40％、55％、60％、70％、80％、90％、100％、110％、120％、130％、140％、150％、160％、170％、180％、190％或它们之间的任意值。在一些实施方式中，所述碳源的质量含量为20％-150％。在一些实施方式中，所述碳源的质量含量为50％-100％。

22、在一些实施方式中，反应在标准大气压、氧气含量低于5000ppm的环境下进行，例如所述反应在惰性氛围下进行。本技术中，惰性氛围为氮气氛围或氩气氛围。

23、在一些实施方式中，所述反应的温度为200℃-800℃，例如为230℃、250℃、270℃、300℃、320℃、350℃、370℃、400℃、420℃、450℃、470℃、500℃、530℃、550℃、570℃、600℃、630℃、650℃、670℃、700℃、730℃、750℃、770℃或它们之间的任意值。在一些实施方式中，反应的温度为200℃-500℃。在一些实施方式中，反应的温度为400℃-700℃。

24、在一些实施方式中，所述反应在微波反应器中进行。在一些实施方式中，所述微波反应器中设置有微波源来提供微波。在一些实施方中，所述微波源包括磁控管或固态源。在一些实施方式中，所述微波处理使用的频率为2.45ghz或915mhz。

25、在一些实施方式中，所述正极材料的制备方法包括以下步骤：

26、m1：将生物质原料与碳源混合均匀后，投入微波反应器中；

27、m2：接入保护气(氮气或氩气)并检查反应体系密闭性，检查完毕后采用保护气进行洗气，排尽管反应体系内空气；

28、m3：反应体系洗气完成后，在保护气的存在下，开启微波反应器进行反应。

29、在一些实施方式中，所述方法还包括m4：反应完成后，进行取料，对物料进行抽样电阻率测试，根据电阻率数值，对样品重复步骤m1到m3，直到物料电阻率达到要求。

30、第三方面，本技术提供了第一方面所述的生物基导电材料或第二方面所述的制备方法制备的生物基导电材料在二次电池中的应用。

31、在一些实施方式中，所述应用为在二次电池负极材料中的应用。

32、在一些实施方式中，二次电池的负极材料包括本技术的第一方面所述的生物基导电材料或第二方面所述的制备方法制备的生物基导电材料。

33、本技术的有益技术效果：

34、本技术由于与传统的加热方式在机理上的本质区别，能在较低温度条件下进行碳化处理。碳化产物具有高导电性，高结构性等特点。