美国莱斯大学利用红紫素生产环保锂电池

本刊付甜甜

来自美国莱斯大学的研究人员最近用红紫素为原材料制备出了环保型锂电池。莱斯大学的阿拉瓦里拉雷迪博士(Arava Leela Mohana Reddy)说，锂电池每消耗或者产生一度电，就会产生72 kg(159磅)的二氧化碳。而茜草或其他生物质则有助于从大气中消除二氧化碳。如果能采用这些生物质制备出电池，那么未来的电池便会更加无毒环保，且易处理。雷迪博士的实验室、纽约市立学院和美国陆军研究实验室联合发现，红紫素和其他颜色分子生物具有巨大的潜力，可作为电池材料一个更环保的替代品。

红紫素是从茜草根部提取出的一种染料，可用来染布。科学家发现红紫素还可用来创造可持续发展的、无毒的可充电锂离子电池。这就意味着以后锂电池的材料可以简单地生长，而不是开采。

“幸运的是天然成分的红紫素和其他一些类似的植物具备制作电池电极的特性。例如，红紫素的分子六元(芳族的)环富含并善于传递电子的羰基和羟基，这些芳香系统的分子很容易与锂离子结合。”纽约市立大学化学系教授乔治·约翰解释说。

通过研究，雷迪博士发现，红紫素和其他一些生物染料能够被制成更加节能环保的电极。这是由于染料中所含的羰基和羟基分子群能够导电。

红紫素电极的制作方法

制作红紫素电极的方法很简单，可在常温下进行。仅需要将红紫素溶解于甲醇里，再加入少量锂盐。当溶液从浓黄色变成粉色，就说明锂离子已经吸附在红紫素上了，这时只要滤掉溶液，电极就完成了。具体制作方法为：将1.2 g，10mmol的醋酸锂溶解在10 m L甲醇中，将2.56 g，10 mmol的红紫素溶解在100 m L甲醇中，然后将醋酸锂溶液滴加到红紫素溶液中。在加入LiOAc溶液的过程中，红黄色的红紫素溶液变成了粉红色，把所得粉红色溶液剧烈搅拌10分钟。将反应混合物中的溶剂除去，再在真空下干燥固体产物，得到1:1比例的化学锂化红紫素（CLP）。然后采用类似的步骤，通过两次增加LiOAc的摩尔当量可以制备出1∶2比例的CLP。

利用植物材料制作锂离子电池的前景

目前，工厂制造锂电阴极的材料还是锂钴氧化物（LiCoO2）。但是开采钴矿并将其与锂元素融合则需要超高的温度。电池技术中所用的钴矿大概占世界各地钴矿产量的30%。钴矿非常昂贵，天然的供应是有限的。从矿石中提取原料，转化成电化学活性物质，需要使用大量的能源，但是能源日益稀少。另外，锂离子电池的回收已成为一个非常具有挑战性的过程，因为它涉及到在高温下释放大量的二氧化碳。目前，锂离子电池技术的整个制作过程不但昂贵而且浪费能源，这样长期下去是不可行的。因此，锂离子电池行业需要环境友好型的绿色有机电极来传承下去。

在发展清洁能源时最根本的挑战是确定用于制作电池成品的原材料有可持续的能源供应并且能够保护环境。能源储存是能量转换存储传递链的一个重要组成部分。在各种电化学储能选项中，锂离子电池因为它们可逆的电化学和优越的质量和体积能量存储能力已引起了各界极大的关注。

利用植物材料制作电池是一个新的方法。我们已经听说过一种植物病毒，这种电池能够使锂离子电池的寿命提高10倍甚至更长的时间，还有海藻也可以给电池提升绿色动力。这预示着未来的任何电池技术都将依赖于材料的发展，而不是开采，这是一片对于电池世界而言有着良好、广阔发展前景的领域。

红紫素背景

红紫素是一种典型的媒介染料。早在3 500年前，红紫素就在中亚、埃及、欧洲和中国被用作红色染料。第一次煮茜草的根会出现鲜艳的橙色、红色和粉红色。1804年英国的乔治·菲尔德发现用明矾水溶液处理红紫素后，红紫素会发生色淀，变为不溶的固体染料，从而延长了它作为染料的使用寿命。用其他金属盐代替明矾，可以得到其他颜色的染料。1826年，法国的皮埃尔·让确认了茜草根含有两种染料，即红紫素（又名茜红素和羟基红紫素）。这种曾在过去被作为天然植物染料用于制作热艳红的纺织品的材料现今通过最新技术，可用来制备新型的“绿色”环保型锂离子电池。

红紫素的理化性质：红紫素为棕黄色粉末，熔点为290℃，沸点为430℃。微溶于水，溶于丙酮、甲醇、乙醇(沸腾下)、碱和溶纤素，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)、斯淘特溶剂，溶于碱液呈蓝紫色，遇浓硫酸呈黄光红色，稀释后产生红光黄色沉淀，遇氢氧化钠为紫色。