人们对于便携电子设备、电力交通以及电网存储的需求不断增加，高能量密度可充电池成为必要的研究焦点。由于金属锂本身具有的吸引人的性质，包括超高的理论比容量（3860mAhg-1，相当于石墨比容量的十倍之多）和最低的还原电位(-3.04V相对于标准氢电极)，金属锂被视为最理想的锂二次电池负极材料。同时，金属锂的使用也将打开高容量的非嵌锂正极材料（比如空气、硫、硒等）的应用之门。然而，金属锂作为负极存在一些问题，其中最为关键的就是不可控的锂枝晶的生长，不仅会带来安全隐患，而且会导致低的库伦效率和不断衰减的循环性能。为了解决金属锂负极存在的问题，推动高能量密度可充锂电池的发展，我们在本论文中主要开展了下面四部分工作:　　(1)基于中空碳纤维的高容量金属锂负极研究　　为了获得高能量密度的电池，我们需要高面容量的负极。然而，锂负极在高面容量下会有更严重的枝晶问题。在这部分工作中，我们制备了一种轻质、柔性、自支撑的三维中空碳纤维，作为金属锂集流体，可以显著改善锂的沉积行为和电化学性能。一方面，这种三维中空碳纤维具有较高的电活性表面积，大大降低了局部电流密度。另一方面，锂可以被限制在纤维间的孔隙以及中空纤维的内部，有助于抑制锂枝晶的生长。因此，三维中空碳纤维表现出非常高的锂沉积/析出库伦效率(≈99.5％)，较大的锂沉积面容量，超长的循环寿命（＞1200小时），同时能够保持超低的过电位(＜20mV)。匹配LiFePO4正极组装的全电池表现出良好的循环性能和较小的电压极化。我们希望通过这个工作来启发其他关于高容量锂三维集流体的设计，改善金属锂负极的沉积行为。　　(2)基于梯状碳纳米阵列的稳定的金属锂负极研究　　锂枝晶的生长是金属锂负极面临的头号难题。锂的生长形貌关键取决于初始的锂成核行为。不均匀的锂成核会导致不可控的锂枝晶生长，严重阻碍金属锂电池的实际应用。在这个工作中，我们在3D导电骨架上设计并制备了排列规整的梯状碳纳米阵列，这种有序的纳米结构可以均匀化锂离子流并减小局部电流密度，进而调控锂均匀地成核，抑制锂枝晶的生长。得益于这种良好的锂沉积行为，在较高的锂沉积面容量4mA h cm-2下，这种具有独特纳米结构的集流体依然能够保持约99％的库伦效率200圈。此外，组装的对称电池表现出超长的循环寿命1000小时和非常低的电压弛豫（在2mA cm-2的电流密度下为25mV）。我们的工作说明了纳米尺度的界面设计可能是一种调控锂成核行为的有潜力的方法。　　(3)基于轻质的氮掺杂碳泡沫的高性能金属锂负极研究　　锂的成核行为高度依赖于锂沉积基底的性质，不同结构或是化学组分的基底会导致迥然不同的成核行为，进而导致不同的锂生长形貌。在这个工作中，我们合成了一种轻质的原位氮掺杂碳泡沫，诱导均匀的锂成核/生长，从而实现在初始锂沉积阶段就抑制锂枝晶的目的。碳泡沫上大量的含氮官能团可以诱导锂核纳米颗粒均匀地生长，初始生成的锂核种子层又可以调控后续锂平整地生长。由于锂枝晶被有效地抑制，大大提高了电池的可逆性，锂可以在氮掺杂碳泡沫中以非常高的库伦效率～99.6％可逆地沉积/析出。此外，由于碳泡沫非常轻的质量（沉积10mA hcm-2Li时，金属锂复合电极中碳泡沫的质量占比为20％），金属锂复合负极可以发挥出高达3140mAh g-1的比容量。组装的对称电池具有非常优异的循环稳定性（＞1200小时）和很低的过电位(在3mA cm-2的电流密度下，小于25mV)。即使使用超高的电流密度10mA cm-2，碳泡沫依然能够保持非常低的过电位62mV。　　(4)基于无机-有机复合保护层的金属锂负极研究　　由于金属锂自身非常活泼，一旦与电解液接触，便会发生反应在锂的表面生成一层固体电解质层(SEI)。而这层SEI的机械强度和柔韧性不足以抵挡锂沉积/析出过程中反复的体积变化，很容易破裂。SEI裂缝处暴露的锂会吸引更强的锂离子流，继而引发锂枝晶的生长。新鲜的锂会与电解液反应再生成SEI。SEI反复的破坏/重修会消耗大量的电解液和锂，导致较低的库伦效率。在这个工作中，我们在无机物上接枝上碳碳双键官能团，然后与含有碳碳双键的单体进行交联聚合，得到分布均匀的无机-有机复合保护膜。这种复合膜兼具无机物的机械强度和有机物的柔韧性，可以较好地保护锂金属，减少锂与电解液间的副反应，显著改善了锂的沉积/析出库伦效率。