锂离子电池已经对我们的日常生活产生了深远的影响,但传统的基于石墨负极的锂离子电池的能量密度有限,难以满足日益增长的便携式电子产品、电动汽车和梯次储能市场的需求。因此,基于锂金属负极的下一代高能量密度二次电池体系（例如Li-S,Li-O₂电池）展现出良好的发展空间。锂金属负极由于具有极高的理论比容量（3860mAh/g）、极低的标准电势（-3.040 V vs.标准氢电极）及低密度（0.534 g/cm³）而被誉为电池负极材料研究领域的“圣杯”。然而,锂金属负极的高反应活性和锂枝晶生长所导致的低库伦效率、短循环寿命和高安全隐患等问题,严重地制约了锂金属负极在实际电池体系的应用前景。因此,如何有效抑制锂枝晶的生长,构建高安全长寿命的锂金属负极是在高能锂二次电池体系的研发与应用中迫切需要解决的关键科学问题。通过构筑三维集流体降低循环充放电过程中的有效电流密度从而延缓锂枝晶生长是一种提升锂金属负极性能的有效策略。商品化泡沫金属材料（例如泡沫镍、泡沫铜等）由于具有三维互连多孔结构以及优良的导电性而被广泛用作电催化与超级电容器等领域中的三维集流体,但将其用作锂金属负极的集流体时却由于孔径过大、骨架表面电流分布不均等因素引起锂不均匀沉积,容易导致锂枝晶生长和死锂形成。此外,铜或镍材料的本征憎锂性也使锂的成核势垒较大,也容易诱发锂枝晶生长。考虑到锂沉积/剥离是一个表面过程,因此,如何对泡沫金属材料表面进行改性以提升基于其的锂金属负极的性能是一个关键问题。在本论文中,我们针对商品化泡沫镍材料开发了一种表面工程策略:首先在泡沫镍骨架表面通过电化学沉积法修饰一层金纳米颗粒,然后通过锂化形成AuLi₃颗粒,形成AuLi₃颗粒修饰的泡沫镍（AuLi₃@Ni foam）。研究结果表明,与裸Ni foam相比,AuLi₃@Ni foam具有较强的亲锂性,能够显著降低锂成核能垒,提高锂沉积的均匀性,有效抑制锂枝晶的生长,提升锂金属负极性能。在Li|Li对称电池中,基于AuLi₃@Ni foam集流体的锂金属负极可以稳定循环740 h,Li-AuLi₃@Ni foam||LiFePO₄全电池在1C倍率下循环500次后,容量保持率为43.5%,库伦效率为99.2%。该结果表明商品化泡沫镍集流体表面亲锂性改善在促进锂无枝晶均匀沉积中的重要性。在此基础上,我们进一步构建AuLi₃在泡沫镍骨架表面的微纳结构:首先通过电化学沉积法在泡沫镍骨架表面沉积金锡合金（AuSn@Ni foam）,然后通过化学去合金法除锡,从而在泡沫镍骨架表面形成纳米多孔金（NPG@Ni foam）,最后通过锂化过程形成纳米多孔AuLi₃（NPAuLi₃）,获得纳米多孔AuLi₃修饰的泡沫镍（NPAuLi₃@Ni foam）。研究结果表明,与裸Ni foam相比,NPAuLi₃@Ni foam不仅具有更强的亲锂性,而且具有更大的比表面积,兼具降低锂成核能垒与有效电流密度功能,并能缓冲锂沉积/剥离过程中的体积变化,从而有效提升锂金属负极性能。在Li|Li-NPAuLi₃@Ni foam对称电池中,基于NPAuLi₃@Ni foam集流体的电极可稳定运行2000 h而不发生短路;Li-NPAuLi₃@Ni foam||LiFePO₄全电池在1 C倍率下循环500后,容量保持率为74%,库伦效率高达99.53%。该结果表明针对泡沫镍集流体骨架表面亲锂修饰层的微纳结构构筑可进一步提升基于其的锂金属负极的电化学性能。本论文研究工作能够为锂金属负极用高性能三维集流体的设计与开发提供指导与借鉴,对高能锂二次电池领域的发展具有一定的促进作用。