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电动汽车、电力交通和大规模智能电网需求的持续增长,极大地推动了锂离子电池向高能量密度、长循环寿命方向发展。锂金属负极由于具有超高的理论比容量（3860m Ah/g）,最低的氧化还原电位（-3.04 V,相对于标准氢电极）和小的重量密度（0.53g/cm3）,是突破目前商业电池能量密度瓶颈的关键,因此近年来受到了极大的关注。此外,基于锂金属负极的锂-硫电池和锂-空气电池能量密度可超过500 Wh/kg。尽管锂金属负极具有以上诸多优点,但目前在实际应用中还存在一些难以克服的障碍,特别是锂枝晶的生长,会导致刺穿隔膜而产生严重的安全问题。此外,由于体积效应,部分锂枝晶从基体中脱离,成为失去电化学活性的“死锂”,导致电阻增大,容量衰减加快,循环性变差。因此,针对上述问题,本论文的主要研究内容是通过构建稳定的锂/电解液界面和设计三维电极结构,抑制锂枝晶的生长,实现锂离子的均匀沉积,提高锂金属负极的电化学性能。主要研究内容和结果如下:为提升锂金属负极的库伦效率和安全性能,在醚基电解液中引入适量（2 wt.%）的碘化锂（Li I）作为功能添加剂,实现无枝晶锂沉积。该添加剂可诱导电解液溶剂聚合,在锂金属表面原位形成富含弹性低聚物的固体电解质（SEI）膜。其次,电解液中的Li I增强了原位形成的SEI膜的离子传导性,加速了锂离子（Li+）的迁移,促进了锂离子在锂/电解液界面的均匀沉积,抑制了锂枝晶的生长。通过引入最优量的Li I到电解液中,在2 m A/cm2电流密度下,Li||Li对称电池稳定循环了1200 h,过电位约为～250 m V。在0.5 m A/cm2电流密度下,Li||Cu电池在循环200圈后,其库伦效率仍高达98.1%,显著延长了锂负极的循环寿命。此外,制备的Li||Se全电池的循环稳定性得到明显改善,电池极化得到显著降低。为了抑制界面间的副反应和锂枝晶的生长,开发了一种简便易行的离子液体1-丁基-2,3-二甲基咪唑四氟硼酸盐（Bdmim BF4）浸泡法,通过锂金属表面Li2O/Li OH与离子液体水解产生的氟离子在锂金属原位构建形成一层稳定且致密的人造氟化锂（Li F）保护膜。经Li F修饰的锂金属负极在1 m A/cm2电流密度下,Li||Li对称电池实现了700 h以上的循环寿命,过电位低至～22 m V。当电流密度提升至5 m A/cm2时,Li||Li对称电池依然可以稳定循环100 h。在充放电循环过程中,高机械强度和电化学稳性的Li F层阻止了锂金属负极/电解液界面间的副反应,消除了锂枝晶的生长。在1 m A/cm2电流密度下,Li||Cu非对称电池经200次循环后,库伦效率仍有98.1%。此外,将氟化锂保护的锂金属负极与Li Ni0.6Co0.2Mn0.2O2（NCM）正极材料相结合时,所制备的全电池具有更高的放电比容量和更佳的循环稳定性。为进一步提升锂金属负极在高电流密度、大沉积容量下的循环性能,通过简单的滴涂法在锂金属表面构筑了一种由悬垂型聚环氧乙烷（PEO）链段和脲醛-嘧啶酮（UPy）组成。当该共聚物包覆在锂金属表面时,共聚物中嘧啶酮可与锂发生自发的反应,原位形成具有自稳定、自愈合特性的超分子共聚物保护层Li PEO-UPy,从而显著增强了对金属锂的保护性能,并适应界面巨大的体积变化。Li PEO-UPy层中的PEO链段为锂离子的传输提供了扩散途径,同时PEO极性片段与电解液中的Li+之间的静电作用能够延缓并均一化锂金属表面的锂离子通量。因此,超薄的Li PEO-UPy聚合物保护层（～70 nm）有助于实现稳定的无枝晶锂沉积。在超高电流密度下（20 m A/cm2）能够稳定实现4000次锂电镀/剥离;在高沉积容量下（10 m Ah/cm2）,能够稳定循环1000 h。此外,在锂利用率为14.8%时,Li||NCM全电池的循环寿命得到了明显改善。为提升铜箔与金属锂的亲和性,促进锂的均匀沉积,通过简单的溶剂法及后续预锂化处理设计了Li Zn/Li2O纳米棒阵列修饰的铜箔,作为先进集流体用于锂金属的沉积。Li Zn/Li2O阵列优异的亲锂性能够引导锂沿着纳米棒方向沉积,其增大的比表面积降低了局部电流密度,三维阵列框架结构能够有效缓冲循环过程中锂金属的体积变化。因此,Li Zn/Li2O@Cu复合电极,在5 m A/cm2电流密度下,经200次循环后,其库伦效率高仍有93.3%,实现了无枝晶的锂沉积。在1 m Ah/cm2沉积容量下,Li||Li对称电池获得了800 h以上的稳定循环,过电位仅为～56.4 m V。此外,在锂利用率高达25.5%时,组装的Li||Li Fe PO4全电池的循环寿命得到了显著提升。