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传统的石墨负极材料的理论比容量只有372 m Ah g–1,难以满足高能量密度电池发展的需要。而锂金属具有氧化还原电位最低（相对于标准氢电极为–3.040V）,理论比容量高(～3860 m Ah g–1)、密度低(～0.59 g cm–3)等优点而受到了广泛的关注。将金属锂作为负极材料,再与理想的正极材料（比如三元材料、硫单质或氧气等）匹配可以得到高能量密度的锂金属电池。然而,金属锂负极材料在充放电过程中会发生不均匀沉积从而引起枝晶生长,造成锂的粉化和体积膨胀。同时,在充放电过程中暴露出来的新鲜锂又会与电解液发生副反应形成不稳定的SEI膜,造成电解液的进一步分解。此外,锂硫电池金属锂负极还存在严重的由于多硫化锂的“穿梭效应”导致的腐蚀问题。因此,锂金属电池普遍具有循环性能差、安全性低的缺点。对此,本研究从表面保护和构建三维集流体两个方面对锂金属负极材料进行优化,以达到抑制锂枝晶生长,稳定锂/电解液界面的目的。已开展的研究内容如下:1.锂离子导电的有机/无机复合保护层用于锂硫电池锂负极的保护。采用具有良好锂离子导电性的Li1.5Al0.5Ge1.5（PO4）3粉末与聚偏氟乙烯粘结剂进行复合,在锂负极表面构建复合保护层（CPL）。将Li1.5Al0.5Ge1.5（PO4）3粉末作为活性填料引入,可以减轻CPL对锂离子传输的影响,从而有效地降低界面极化。与此同时,CPL不仅可以抑制锂枝晶的生长,而且能够阻挡可溶性的多硫化锂对锂负极的腐蚀作用。采用CPL保护的锂负极可以明显提升锂硫电池的电化学性能。在无硝酸锂添加剂的电解液中,0.5 C倍率条件下循环100次,采用保护后的锂负极组装的锂硫电池仍保持832.1 m Ah g–1的比容量和92%的平均库伦效率。2.柔性的碳微管骨架用于引导均匀的锂沉积行为。在高温条件下对纯棉布进行碳化处理,可制备出轻质且具有中空结构的柔性碳微管骨架（FCMS）。将其作为锂负极三维集流体时可以有效地降低局部电流密度,缓解金属锂负极在循环过程中的体积效应。另外,FCMS上稳定的锂离子嵌入行为可以降低锂沉积时的成核势垒,并提升金属锂沉积/溶解的库伦效率。更重要的是,由于电子的传导比锂离子的传输更快,所以金属锂的沉积/溶解反应主要发生在FCMS的上表层,而下表层的FCMS在循环的过程中则可以充当柔软的导电“气垫”,动态地释放锂沉积过程中产生的内应力,从而达到抑制锂枝晶生长的目的。通过电沉积法将金属锂负载到柔性的碳微管骨架中可以得到高性能的复合锂负极（Li@FCMS）。采用Li@FCMS复合锂负极与磷酸铁锂正极匹配的全电池在0.5 C条件下可稳定循环250次。3.Zn O纳米阵列修饰的泡沫镍作为锂负极可锂化的三维集流体。利用籽晶辅助生长法在泡沫镍表面制备Zn O纳米阵列,形成可锂化的三维集流体（ZMNF）。Zn O纳米阵列的引入可以有效地降低锂沉积的过电位,并诱导均匀的锂沉积。此外,通过Li-Zn合金化和毛细管作用,ZMNF可以与熔融的金属锂发生良好的润湿,并形成含有Li-Zn合金中间层的锂金属复合负极（Li@LZMNF）。这种Li-Zn合金中间层和金属锂具有良好的亲和性,可以明显地降低金属锂的成核势垒,并有利于金属锂沿着三维导电骨架进行均匀的成核和生长。锂优先沉积在这种可锂化的三维骨架上能够有效地减少体相锂枝晶的形成。将Li@LZMNF复合锂负极与磷酸铁锂正极组装成全电池,在1 C的倍率下循环450次后仍然可以保持高达147 m Ah g–1的放电比容量。4.原位制备离子/电子混合导电骨架及其复合锂负极。巧妙地通过化学法制备了铜箔支撑的Cu3P纳米线（Cu3P@Cu）,并将其作为锂金属负极的三维集流体。通过原位光学显微镜观察证明了混合导电的放电产物Li3P和Cu的形成,在电化学锂化的Cu3P@Cu箔上可以实现非枝晶状锂的沉积。与此同时,基于对Cu3P和金属锂在高温下反应的Gibbs自由能的计算,设计了利用Cu3P纳米线和熔融锂之间的化学反应,成功地在高温下原位制备了包含离子/电子混合导电骨架（MIECS）的复合锂负极（Li@MIECS）。形成的Li3P和Cu-Li合金混合导电骨架与金属锂表现出了良好的亲和性,并且可以调节三维集流体表面的电荷/离子分布,从而诱导均匀的锂溶解/沉积行为。将Li@MIECS复合锂负极应用到磷酸铁锂为正极的全电池中,在1 C倍率条件下稳定循环700次,可维持高达146m Ah g-1的放电比容量。