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本文围绕高能量密度锂电池负极材料出发,按从材料设计、可控制备与表征到电化学性能表征的研究思路,探究高能量密度锂电池负极材料的优化策略。文中研究热释应力优化Fe2O3纳米线、蛋壳状多孔Fe2N@C结构、同质核壳MnO2纳米线、液态金属作为电解液添加剂沉积得到的锂金属负极等电极材料的制备、表征与电化学性能,取得一些有意义的研究结果:（1）采用一种氧化还原法制备了一维纳米结构α-Fe2O3电极材料。此方法通过控制Fe2+与MnOOH中间的氧化还原反应,将氧化还原反应控制在MnOOH纳米线表面,进一步辅助高温热处理,可控的得到分级结构的α-Fe2O3纳米线。作为锂电池半电池正极材料,在800°C烧结获得的梯状α-Fe2O3纳米结构在电压区间为0.01-3 V,电流密度为100 mA g-1下具有超高可逆的比容量,其高达1200 mAh g-1,并且具有优异的快速充放电能力与超长的循环性能,在高电流密度5 A g-1下1200次充放电循环后,每圈容量衰减率仅为0.056%。通过XRD精修和透射电子显微镜表征发现热处理引起界面原子重排,晶界减少,晶格内应力大大缓解,缺陷密度明显减小,晶粒间接触得到改善,稳定了电极/电解液界面,极大促进了电荷转移。非原位电镜表征表明α-Fe2O3-800能够承受充放电过程中的体积变化而不产生结构破裂,表面形成薄且稳定的固态电解质界面膜。（2）通过控制Fe2O3晶体转化为体积更小的Fe2N晶体,同时辅助聚多巴胺碳化,利用自限制的、阴离子交换方法来获得蛋壳状多孔Fe2N@C微米盒子;蛋壳状多孔Fe2N@C微米盒子可抵抗空气氧化,保持Fe2N内核在空气中稳定;设计良好的Fe2N@C电极循环过程中显示非常小的体积膨胀（9%）。在100 mA g-1的电流密度下,实现了与硅负极相当的1030 mAh cm-3的高可逆体积容量（容量计算基于锂化后的电极体积）,同时获得了优异的高倍率循环性能,在10 A g-1的电流密度下,2500次循环后仍保持91%的容量保持率。这种具有足够内部空间和良好机械稳定性的多孔蛋壳状结构可有效缓冲在循环过程中电极材料的体积变化引起的结构内应力。同时,固态电解质界面层主要形成于在微米盒子的超薄碳层外壳的外部,体积膨胀小,因此在循环期间结构不会破坏。（3）利用原子层沉积辅助烧结法合成了新型同质核壳Ti-MnO2纳米线电极材料,并发现在该系统中,MnO2纳米线中形成表面梯度掺杂Ti,Ti在晶体结构中取代Mn,打开[MnO6]八面体并产生氧空位,从而形成梯度的钛掺杂表面的MnO2外壳。新型同质核壳Ti-MnO2纳米线材料展现出优异的储锂性能,在200 mA g-1下实现了2.3 mAh cm-2的高可逆面积比容量,仅经过30次循环就能达到>99.5%的库仑效率,在3 mg cm-2的高质量负载水平下,在10 A g-1的高倍率下,3000次循环后,保持了高达742 mAh g-1的高可逆比容量。在锂化过程中,富含钛的外壳显示较小的体积变化,而富含锰的内核显示较大的体积变化。通过这种方式实现了从内核到外壳的梯度体积膨胀,这有效地释放了循环过程中纳米线的内应力,并避免了电极的粉化。此外,表面重掺杂Ti能够避免Mn金属粗化,减小转换反应过程中形成的金属粒径并改善转化反应的可逆性。新型同质核壳Ti-MnO2纳米线材料的锌离子电池电极材料的电化学性能。在小电流密度100 mA g-1下实现了260 mAh g-1的高可逆比容量;在大电流密度1 A g-1下能实现4000圈循环,其单圈容量衰减率仅为0.02%。钛掺杂及其衍生的氧空位会在α-MnO2通道中诱发内建电场,提高了Ti-MnO2纳米线中Zn2+和H+离子的扩散系数和电荷转移电阻,加速离子/电子迁移速率,提升锌电池的倍率性能和循环稳定性,从而实现了高倍率和长寿命的Zn/MnO2电池。（4）通过采用液态金属GaInSn作为电解液添加剂,并探讨了不同浓度的添加剂对电解液的影响。Li-Li对称电池的倍率性能研究表面,原始的商业化电解液无法承受大的电流密度(大于5 mA cm-2),产生了巨大的极化电势。而添加了液态合金GaInSn作为添加剂的电解液后,其电势依然稳定在150 mV。在电流密度为5 mA cm-2,面积比容量为1 mAh cm-2条件下,添加了液态合金GaInSn的电解液后的Li-Li对称电池在循环1400 h后极化电势依然保持低于300 mV。加入液态合金GaInSn作为电解液添加剂后电解液在锂金属表面形成的固态电解质界面膜有机成分与无添加的商业化电解液相一致,但是无机成分增加了Ga。加入了Ga在锂金属表面,容易和金属锂形成合金,采用表面液态合金界面,因此能抑制锂枝晶的生长。面积比容量在2 mAh cm-2以上的条件下进行了Li-LiFePO4电池测试,加入液态合金GaInSn作为电解液添加剂后,其库伦效率显著提升,在前320圈其库伦效率保持在99%以上,在2500圈后其库伦效率依然保持在98%以上。在2500圈循环后加入液态合金GaInSn作为电解液添加剂的锂金属电池容量依然保持在103 mAh g-1。