能源学人
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目前，硅碳负极材料作为商业化石墨的替代品即将登上历史的舞台，但若想要更大幅度提高锂离子电池的能量密度，高比容量正极材料仍是主要影响因素。近日，韩国浦项科技大学Moon Jeong Park等人利用一种天然的衍生橙红色染料——指甲花醌（2-羟基-1,4-萘醌）作为锂离子电池正极材料。同时，作者还引入相类似结构的萘醌和甲萘醌作为对比，来说明指甲花醌的结构和性能。
图1.指甲花醌，萘醌和甲萘醌的化学结构图(a)，HOMO–LUMO能量图(b)和不同的分子排列结构图(c)
图2. (a)指甲花醌，萘醌和甲萘醌单晶体的光学显微镜图；(b) 指甲花醌的SEM和SAED图，说明指甲花醌具有高结晶度的三斜晶结构
电导率测试结果表明，指甲花醌的电导率高达1.01×10−8 S/m, 远远高于萘醌（2.36×10−9 S/m） 和甲萘醌（8.98×10−10 S/m）。作者采用典型的循环伏安测试，通过峰电流Ip和扫速v0.5的关系得到：指甲花醌具有最高的锂离子扩散系数DLi（氧化反应锂离子扩散系数为6.32×10-8 cm2/s；还原反应锂离子扩散系数1.09×10-7 cm2/s）。这一数值对于萘醌来说是2.43×10−8和2.43×10−8 cm2/s，对于甲萘醌是1.74×10−9和1.66×10−9 cm2/s。
图3.(a)基于阳极和阴极扫描结果，使用Randles–Sevcik方程计算Li+在两电极的离子扩散系数；(b) 采用GDL集流体有机正极的制备示意图；(c) 指甲花醌，萘醌和甲萘醌作为锂电正极材料的首次充放电曲线图
作者组装了半电池测试了三者的储锂性能：在1.9-3.0V电压范围内和0.2C（54mA/g）的电流密度下，指甲花醌的容量高达280mAh/g，这一容量达到了其理论比容量的99%。远远高于萘醌（190mAh/g）和甲萘醌（130 mAh/g）的比容量。此外，其质量比能量更是高达664Wh/kg，这不仅高于萘醌（475Wh/kg），还高于目前商业化的LiCoO2（520Wh/kg）。在0.5C倍率下循环1000次后，指甲花醌的比容量为277mAh/g，容量保持率为99%，库伦效率>99%。
图4. (a)指甲花醌，萘醌和甲萘醌三者的倍率性能曲线；(b)在1.9-3.0V电压范围内和0.5C倍率下，指甲花醌的寿命循环和库伦效率曲线
指甲花醌被用为染发和纹身的染料已经有5000多年的历史了。相信在未来的绿色电极材料领域，它将会开启新篇章。
指甲花醌从指甲花的叶子中提取（Witch公司）。将40g的指甲花放置到烧杯中加入1L去离子水，剧烈搅拌过夜。然后，加热烧杯至75℃保温4h，直至溶液颜色变为褐色。随后，加入NaHCO3（≥99.5%,Sigma-Aldrich），过滤溶液，并用0.1 MHCl进行酸化。紧接着，用乙醚对滤液萃取三次后再用柱层析法进一步纯化。最后，真空干燥萃取液可得到指甲花醌粉末。
Joungphil Lee, Moon Jeong Park*, Tattooing Dye as a Green Electrode Material for Lithium Batteries, Adv. Energy Mater. 2017, 1602279 (DOI: 10.1002/aenm.201602279)
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