美國萊斯大學利用紅紫素生產(chǎn)環(huán)保鋰電池

本刊付甜甜

來自美國萊斯大學的研究人員最近用紅紫素為原材料制備出了環(huán)保型鋰電池。萊斯大學的阿拉瓦里拉雷迪博士(Arava Leela Mohana Reddy)說，鋰電池每消耗或者產(chǎn)生一度電，就會產(chǎn)生72 kg(159磅)的二氧化碳。而茜草或其他生物質(zhì)則有助于從大氣中消除二氧化碳。如果能采用這些生物質(zhì)制備出電池，那么未來的電池便會更加無毒環(huán)保，且易處理。雷迪博士的實驗室、紐約市立學院和美國陸軍研究實驗室聯(lián)合發(fā)現(xiàn)，紅紫素和其他顏色分子生物具有巨大的潛力，可作為電池材料一個更環(huán)保的替代品。

紅紫素是從茜草根部提取出的一種染料，可用來染布?？茖W家發(fā)現(xiàn)紅紫素還可用來創(chuàng)造可持續(xù)發(fā)展的、無毒的可充電鋰離子電池。這就意味著以后鋰電池的材料可以簡單地生長，而不是開采。

“幸運的是天然成分的紅紫素和其他一些類似的植物具備制作電池電極的特性。例如，紅紫素的分子六元(芳族的)環(huán)富含并善于傳遞電子的羰基和羥基，這些芳香系統(tǒng)的分子很容易與鋰離子結(jié)合?！奔~約市立大學化學系教授喬治·約翰解釋說。

通過研究，雷迪博士發(fā)現(xiàn)，紅紫素和其他一些生物染料能夠被制成更加節(jié)能環(huán)保的電極。這是由于染料中所含的羰基和羥基分子群能夠?qū)щ姟?/p>

紅紫素電極的制作方法

制作紅紫素電極的方法很簡單，可在常溫下進行。僅需要將紅紫素溶解于甲醇里，再加入少量鋰鹽。當溶液從濃黃色變成粉色，就說明鋰離子已經(jīng)吸附在紅紫素上了，這時只要濾掉溶液，電極就完成了。具體制作方法為：將1.2 g，10mmol的醋酸鋰溶解在10 m L甲醇中，將2.56 g，10 mmol的紅紫素溶解在100 m L甲醇中，然后將醋酸鋰溶液滴加到紅紫素溶液中。在加入LiOAc溶液的過程中，紅黃色的紅紫素溶液變成了粉紅色，把所得粉紅色溶液劇烈攪拌10分鐘。將反應混合物中的溶劑除去，再在真空下干燥固體產(chǎn)物，得到1:1比例的化學鋰化紅紫素（CLP）。然后采用類似的步驟，通過兩次增加LiOAc的摩爾當量可以制備出1∶2比例的CLP。

利用植物材料制作鋰離子電池的前景

目前，工廠制造鋰電陰極的材料還是鋰鈷氧化物（LiCoO2）。但是開采鈷礦并將其與鋰元素融合則需要超高的溫度。電池技術(shù)中所用的鈷礦大概占世界各地鈷礦產(chǎn)量的30%。鈷礦非常昂貴，天然的供應是有限的。從礦石中提取原料，轉(zhuǎn)化成電化學活性物質(zhì)，需要使用大量的能源，但是能源日益稀少。另外，鋰離子電池的回收已成為一個非常具有挑戰(zhàn)性的過程，因為它涉及到在高溫下釋放大量的二氧化碳。目前，鋰離子電池技術(shù)的整個制作過程不但昂貴而且浪費能源，這樣長期下去是不可行的。因此，鋰離子電池行業(yè)需要環(huán)境友好型的綠色有機電極來傳承下去。

在發(fā)展清潔能源時最根本的挑戰(zhàn)是確定用于制作電池成品的原材料有可持續(xù)的能源供應并且能夠保護環(huán)境。能源儲存是能量轉(zhuǎn)換存儲傳遞鏈的一個重要組成部分。在各種電化學儲能選項中，鋰離子電池因為它們可逆的電化學和優(yōu)越的質(zhì)量和體積能量存儲能力已引起了各界極大的關(guān)注。

利用植物材料制作電池是一個新的方法。我們已經(jīng)聽說過一種植物病毒，這種電池能夠使鋰離子電池的壽命提高10倍甚至更長的時間，還有海藻也可以給電池提升綠色動力。這預示著未來的任何電池技術(shù)都將依賴于材料的發(fā)展，而不是開采，這是一片對于電池世界而言有著良好、廣闊發(fā)展前景的領(lǐng)域。

紅紫素背景

紅紫素是一種典型的媒介染料。早在3 500年前，紅紫素就在中亞、埃及、歐洲和中國被用作紅色染料。第一次煮茜草的根會出現(xiàn)鮮艷的橙色、紅色和粉紅色。1804年英國的喬治·菲爾德發(fā)現(xiàn)用明礬水溶液處理紅紫素后，紅紫素會發(fā)生色淀，變?yōu)椴蝗艿墓腆w染料，從而延長了它作為染料的使用壽命。用其他金屬鹽代替明礬，可以得到其他顏色的染料。1826年，法國的皮埃爾·讓確認了茜草根含有兩種染料，即紅紫素（又名茜紅素和羥基紅紫素）。這種曾在過去被作為天然植物染料用于制作熱艷紅的紡織品的材料現(xiàn)今通過最新技術(shù)，可用來制備新型的“綠色”環(huán)保型鋰離子電池。

紅紫素的理化性質(zhì)：紅紫素為棕黃色粉末，熔點為290℃，沸點為430℃。微溶于水，溶于丙酮、甲醇、乙醇(沸騰下)、堿和溶纖素，微溶于苯、四氯化碳、甲苯、二甲苯、吡啶、二硫化碳和冰乙酸，不溶于乙醇(冷)、斯淘特溶劑，溶于堿液呈藍紫色，遇濃硫酸呈黃光紅色，稀釋后產(chǎn)生紅光黃色沉淀，遇氫氧化鈉為紫色。