以锂和钠为代表的碱金属负极具有极高的质量比容量(Li:3860 mAh g-1,Na:1166 mA h g-1)、极低的相对电极电势(Li:-3.040 V vs.标准氢电极,Na:-2.714 V vs.标准氢电极),且能够与高容量正极如硫、空气、层状化合物等匹配,因而有十分可观的发展前景。然而,电化学反应出现的金属离子沉积不均匀以及无限制的体积膨胀等行为,由此产生的枝晶等一系列问题,一直限制碱金属负极的实用化。根据已有的大量改良工作,使用三维纳米材料优化电极结构能够十分有效的减少枝晶带来的问题。这是因为三维混合导电网络可以极大促进电化学反应过程中的电荷传输效率,促进电荷的均匀分布,同时以三维孔隙大量容纳沉积金属,从而缓和体积膨胀带来的问题。基于这些参数要求,三维纳米材料应当是良好的电子导体、与碱金属良好浸润并且结构稳定。碳纳米材料具有多种迥异的结构和独特的力学性质、良好的电子电导,同时很容易修饰各种活性材料以实现与碱金属的浸润,因而是理想的优化碱金属负极的材料。本论文以此为出发点,通过多种技术手段构筑具有不同特性的三维碳材料及其复合材料,并将这些材料与碱金属负极进行匹配,构筑了具有极高的面容量、理想的倍率性能和长循环寿命复合负极。所取得的主要研究成果总结如下:1:利用一种具有极高的韧性和弹性的三维碳纳米管(CNT)网络材料与金属锂复合构筑集流体。CNT网络具有完整连续的表观结构、1.1E5 S m-1的电子电导率、27 M Pa的拉伸强度,面密度仅有0.68 mg cm-2。最为重要的是,该网络的初始厚度仅12 μm,压实厚度仅3.2μm,但可以随着金属锂沉积的厚度增加而同步的弹性膨胀至115μm;当锂完全拔出后,该网络厚度会回缩至<40 μm。因此,当将CNT网络用作金属锂负极集流体时,CNT与金属锂始终维持可靠的电接触,保证沉积的金属锂的可循环性;沉积的金属锂都被紧密禁锢在CNT网络内部,表面始终没有金属锂的苔藓或枝晶结构,避免了枝晶导致的问题。因此,该负极能够承受10 mA cm-2的电流密度和10 mA h cm-2的循环容量稳定循环超过1000圈。由于CNT网络理想的弹性变形能力,整个负极内部的碳所占质量比极低,使该复合负极可以达到2870 mAh g-1的循环质量比容量。2:利用CNT网络的憎钠特性,在该网络一侧溶液反应法负载与金属钠良好浸润的金属银纳米颗粒(ANPs)。这种厚度5 μm的薄膜材料与金属钠表面有良好的贴附性,因此可以作为保护金属钠负极的缓冲层材料。在银纳米颗粒的诱导作用下,沉积的金属钠会在缓冲层与金属钠的接触界面形核生长,从而规避由于金属钠顶端生长造成的枝晶问题。该薄膜的拉伸强度达73 M Pa,能够承受金属钠沉积过程中体积膨胀带来的剧烈变形应力。薄膜的孔隙可以容纳不规则生长的金属钠。这种梯度CNT缓冲层包覆的金属钠负极能够承受8 mA cm-2的电流密度和8mA h cm-2的循环容量稳定循环超过500圈,而电极表面平整无钠枝晶或苔藓状形貌。3:通过静电分步纺丝法,构筑同时具有梯度石墨化程度以及梯度与碱金属浸润性的高分子纤维网络。该网络一侧为纯聚丙烯腈,另一侧为钴银共掺杂聚丙烯腈。低温碳化处理后,钴掺杂能够极大促进聚丙烯腈的石墨化,银则可以极大提高碳基底与碱金属的浸润性。将该梯度网络作为碱金属负极梯度集流体使用时,双梯度特性使碱金属负极的顶端生长现象受到明显抑制。最终,梯度网络与金属钠复合的负极能够承受4 mA cm-2的电流密度和8 mA h cm-2的循环容量稳定循环超过300 h.