本發(fā)明涉及電池儲能，具體為一種鋰-硝酸鋰電池的設計制備及應用。

背景技術(shù)：

1、電化學儲能系統(tǒng)憑借其安全、穩(wěn)定、環(huán)境友好、適用范圍廣等優(yōu)勢已經(jīng)成為各國重大科技發(fā)展計劃的熱點之一。在目前的儲能系統(tǒng)中，鋰離子電池憑借其長循環(huán)壽命，長期以來是使用最為廣泛的電能存儲系統(tǒng)，并且現(xiàn)階段其理論能量密度有望超過500wh/kg。鋰離子電池也被稱作搖椅電池，鋰離子在電池體系內(nèi)反復地在正負極之間進行鋰的嵌入和插入。其中負極主要包括嵌入型石墨、合金型硅電極以及金屬鋰；，金屬鋰(l?i)因其超高的理論容量(3,860mah?g-1)、最低的電化學氧化還原電位(-3.04v?vs.she)和低密度(0.534gcm-3)，被認為是在高能可充電電池中替代石墨負極的終極負極材料。為了發(fā)揮鋰金屬電池的優(yōu)勢，電池正極材料的選擇也尤為關(guān)鍵。目前為止正極主要有鈷酸鋰、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、富鎳層狀氧化物已經(jīng)用于鋰離子電池。鋰金屬負極(lma)還可以與元素硫和氣態(tài)氧等轉(zhuǎn)換型正極配對，構(gòu)建鋰硫(l?i-s)和鋰空氣(l?i-o2)電池。除了天然豐富的硫和空氣具有低成本優(yōu)勢外，這些轉(zhuǎn)化型正極比起脫嵌型的過渡金屬化合物正極具有更高的能量密度。但是硫及其放電產(chǎn)物(l?i2s或l?i2s2)因低導電性和絕緣性，難以直接作用于正極材料，導致硫活性物質(zhì)利用率降低。其次，單質(zhì)硫和放電產(chǎn)物l?i2s因體積密度不同，循環(huán)過程中正極體積膨脹(～80％)嚴重。此外，可溶性多硫化物的穿梭效應和自放電行為嚴重，導致電池容量快速衰減，并且鋰硫電池能量密度也受限制于硫正極含量。而鋰空氣電池屬于開放體系，目前的研究還幾本處于輸入純o2的研究階段，倘若輸入的是空氣，那么空氣中的其他成分，將對正極材料帶來目前不可知的影響，特別是水蒸氣的影響。

2、在過去的研究中，有一部分電極材料放電會出遠遠超過其理論容量，產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因主要是電解質(zhì)衍生物的形成和分解，金屬的界面電子存儲以及含鋰物質(zhì)的氧化還原反應。比如碳酸鈷放電完成后會生成金屬鈷和碳酸鋰，而金屬鈷會進一步使得碳酸鋰分解生成碳化鋰和氧化鋰。這種鋰鹽氧化還原反應會提供巨大的容量，因此如果基于新型儲能機制，設計出一種突破傳統(tǒng)鋰離子電池，一種密閉且不受正極質(zhì)量限制的新型鋰電池將會給電化學儲能技術(shù)帶來革命性的突破。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于，針對現(xiàn)有的鋰電池存在的本征限制，基于硝酸鋰氧化還原原理，設計一種鋰-硝酸鋰電池，該電池正極無活性物質(zhì)，只有導電碳等，電解液中的硝酸鋰發(fā)揮離子傳導作用，其中的硝酸根作為活性物質(zhì)進行電子存儲與釋放，該電池遠遠超過現(xiàn)有商業(yè)鋰電池容量，有望為市場提供全新的儲能技術(shù)。

2、具體地，本公開的發(fā)明方案如下所述：

3、在本公開的第一方面，本申請實施例提供全新的鋰-硝酸鋰電池，其特征在于，所述電池負極為金屬鋰，電解液為硝酸鋰溶液，正極涂敷導電碳的集流體，隔膜為玻璃纖維，可以直接組裝紐扣電池或者軟包電池運行。

4、所述硝酸鋰溶液鋰鹽為硝酸鋰，溶劑為二甲基亞砜，二甲醚，乙酸乙酯，二甲基甲酰胺，二甲基乙酰胺的一種或多種；

5、所述導電碳為單壁碳納米管、乙炔碳黑、導電石墨、石墨烯的一種或多種；

6、所述集流體為碳紙、碳布、鋁網(wǎng)、泡沫鎳中的一種；

7、所述涂敷所采用的粘結(jié)劑為溶解在n-甲基吡咯烷酮中的聚偏二氟乙烯。

8、本發(fā)明通過大量試驗，發(fā)現(xiàn)由金屬鋰-硝酸鋰溶液-導電正極所組裝的電池具有非常優(yōu)異的電化學性能。經(jīng)測試，本發(fā)明的電池在100ma?g-1的電流密度下，最大放電容量可以達到19mah?cm-2；其中放電產(chǎn)物為亞硝酸鋰和氧化鋰；當容量設置為1mah?cm-2的限定容量，該電池可以穩(wěn)定循環(huán)100周，并且放電中值電壓可以穩(wěn)定在1.5v左右。

9、優(yōu)選的方案，在所述的硝酸鋰電解液中，硝酸鋰的體積摩爾濃度為1mol/l～5mol/l。

10、優(yōu)選的方案，在所述的硝酸鋰電解液中，所用溶劑為二甲基亞砜。

11、優(yōu)選的方案，所述正極導電碳為單壁碳納米管。

12、優(yōu)選的方案，所述正極集流體為碳紙。

13、本發(fā)明還提供了上述里鋰硝酸鋰電池的應用實例。所述鋰硝酸鋰電池負極為金屬鋅，電解液為3mo?l/l的硝酸鋰二甲基亞砜溶液，正極為碳紙集流體，所述里硝酸鋰電池適用于大型儲能電站，如風能、潮汐能等清潔能源的電網(wǎng)調(diào)峰。

14、本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果：

15、1.本發(fā)明提供的鋰硝酸鋰電池具有超高的容量，超過常規(guī)商用鋰電池數(shù)十倍。

16、2.本發(fā)明所采用的硝酸鋰電解液具有低成本，易于配比，原料來源廣泛，適用于工業(yè)化生產(chǎn)。

17、3.本發(fā)明提供的鋰硝酸鋰電池，組裝簡便，直接使用封閉式紐扣電池即可，相較于高容量開放式的鋰空氣電池，鋰硝酸鋰電池對環(huán)境要求更低，具有更廣泛的應用范圍。

技術(shù)特征：

1.一種鋰硝酸鋰電池，其特征在于，采用硝酸鋰溶液作為電解液所述電池負極為金屬鋰，電解液為硝酸鋰溶液，正極涂敷導電碳的集流體，隔膜為玻璃纖維。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰硝酸鋰電池，其特征在于，電解液溶劑為二甲基亞砜，二甲醚，乙酸乙酯，二甲基甲酰胺，二甲基乙酰胺的一種或多種。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰硝酸鋰電池，其特征在于，所述硝酸鋰電解液鋰鹽濃度為1mo?l/l-5mo?l/l。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰硝酸鋰電池，其特征在于，所述導電碳為單壁碳納米管、乙炔碳黑、導電石墨、石墨烯的一種或多種。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰硝酸鋰電池，其特征在于，所述集流體為碳紙、碳布、鋁網(wǎng)、泡沫鎳中的一種。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰硝酸鋰電池，其特征在于，所述正極所用粘結(jié)劑為溶解在n-甲基吡咯烷酮中的聚偏二氟乙烯，其和導電碳按照質(zhì)量比1：4-1：6比例進行混合，最后涂敷在集流體上即可。

7.如權(quán)利要求1所述的鋰硝酸鋰電池或如權(quán)利要求2-6任一項所述的一種鋰硝酸鋰電池電解液、正極的制備方法在新能源行業(yè)領域的應用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種鋰硝酸鋰電池，屬于鋰離子電池技術(shù)領域。具體為一種基于硝酸根離子氧化還原機制的新型電池，該電池無需正極活性物質(zhì)，硝酸鋰可作為離子傳導，又能發(fā)揮存儲電子功能；該電池遠遠超過現(xiàn)有商業(yè)鋰電池容量，有望為市場提供全新的儲能技術(shù)。

技術(shù)研發(fā)人員：陳人杰,胡正強,張鳳玲,李麗,吳鋒
受保護的技術(shù)使用者：北京理工大學
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/28