DOI: 10.1016/j.cej.2023.142627

锂（Li）金属电池因其高能量密度而成为一种很有前途的下一代储能系统，但阻碍其商业化的是锂负极的安全隐患，尤其是在高电流密度下。在此，本文报道了一种通过设计3D纳米纤维TiO_2-x@Li负极复合材料和原位聚合离子导电凝胶电解质来构建高效准固态锂电池（QSSLBs）的可行策略。3D纳米纤维Li负极显示出稳定且小的成核势垒，并且可以在10mA/cm²的高电流密度下稳定运行（>1600h）。当与LiFePO4的高负载正极相匹配时，QSSLBs表现出优异的长期循环稳定性（>500次循环）和高倍率性能（>1C）。此外，原位聚合策略可以与商业层压制造相结合，以生产63-Ah级LiFePO₄||石墨软包电池，其具有较高的初始库仑效率、在0.3C下的大能量密度、在0.25-2C范围内的优异倍率性能，以及在0.3和1C下的长期循环性能，显示出潜在的商业前景。

图1.3D纳米纤维TiO_2-x@Li负极和集成式QSSLBs的制备。（a）使用溶胶-凝胶静电纺丝，然后煅烧合成柔性TiO₂ NF膜的示意图。（b）在实验室中制造的典型柔性TiO₂ NF膜。（c）使用热轧制造3D纳米纤维TiO_2-x@Li负极的示意图。（d）在室温下原位聚合DOL以形成高离子导电性QSE。（e）显示包含多相传导路径的集成式QSSLB。

图2.3D纳米纤维TiO_2-x@Li负极的表征。（a）白色TiO₂ NF、（b）黑色TiO_2-x NF和（c）3D纳米纤维TiO_2-x@Li负极的表面形态和数字照片。（d）白色TiO₂ NFs、黑色TiO_2-x NFs和TiO_2-x@Li负极的XRD图谱。（e）白色TiO₂和（f）黑色TiO_2-x NFs的高分辨率TEM图像。白色TiO₂和黑色TiO_2-x NFs中（g）O1s和（h）Ti2p的XPS光谱。（i）白色TiO₂和黑色TiO_2-x NFs的拉曼光谱。

图3.3D纳米纤维TiO_2-x@Li负极的电化学性能。（a）纳米纤维TiO_2-x@Li负极的Li电镀和剥离示意图，以及（b-d）新鲜TiO₂ NF框架和电镀/剥离框架的相应表面形态。（e）对称电池在10mA/cm²下的长期循环稳定性。（f）对称电池在不同电流密度下的电压平台。（g）对称TiO_2-x@Li电池的阻抗。（h）与LFP正极相匹配的纳米纤维负极和纯锂金属负极在0.2C下的长循环性能。

图4.钮扣式QSSLBs的电化学性能。（a）制备的DME/DOL/LiPF6/LiTFSI新鲜混合溶液和6小时后相应QSE凝胶的光学图像。（b-c）集成负极-电解质膜的横截面和表面形态。（d）TiO_2-x@Li//QSE//LFP和Li//QSE//LFP在0.2C下的充电/放电曲线和（e）循环性能。TiO_2-x@Li//QSE//LFP在（f）0.5C和（g）1C下循环的长期循环性能。

图5.63Ah级QSSLBs的电化学性能。（a）制造的63Ah级LFP软包电池的照片。（b）软包电池的初始充放电电压分布和（c）倍率性能。软包细胞在（d）0.3C和（e）1C下的长期循环性能。