锂离子电池因其较高的比容量、高工作电压、优异的循环寿命等特点,广泛应用于便携式电子设备和大型储能电站等领域。近年来,随着新能源汽车的飞速发展,锂离子电池愈来愈成为当代最重要的储能器件,这也对电池的能量密度和安全性提出了更高的要求。目前,商业化电池主要以安全性较好的石墨碳材料作为电池负极材料,在电池稳定性方面具有其他材料无法比拟的优势。然而,近年来的电动汽车的着火自燃等危害事件依然困扰着大众对新能源汽车动力电池的信心,这主要归因于石墨负极在动力电池高负荷运作下的枝晶生长。此外,目前的电池容量已经接近石墨负极材料的理论比容量(372 mAh g^-1),与2020年锂离子电池比容量预期目标(300 Wh kg^-1)还存在较大差距。其中,金属锂负极作为锂离子电池负极发展的最终目标,具有最高的理论比容量(3861 mAh g^-1)。然而,解决其不均匀锂沉积导致的枝晶生长问题是金属锂负极的长期目标,同时也是实现高能量密度电池的重要突破口。针对锂离子电池的容量和安全问题,本论文从锂离子电池负极材料出发,总结了商业化石墨负极表面的锂沉积特性,分析了电池运作过程中导致电池失效和安全问题的原因所在;其次,制备出高比容量、高安全性的金属锂负极,并系统研究其锂离子沉积特性和电化学储能特性。进行的主要工作如下:（1）石墨负极在不同电流密度下的失效分析:安全性和耐久性是锂离子电池的主要挑战,尤其是用于电动汽车和大型储能系统的锂离子电池。基于LiFePO₄||Graphite三电极软包电池体系,分析了在不同电流密度条件下人造石墨电极表面固体电解质膜（SEI）的演变规律和金属锂沉积行为。电化学阻抗谱（EIS）和扫描电子显微镜（SEM）结果表明在大电流密度下的电极/电解质界面存在不均匀的SEI,并且这种演变规律与电流密度和循环圈数密切相关。此外,我们利用X射线能谱仪（EDS）提供了一种新颖的检测石墨电极上金属锂沉积的方法。三电极电位和EDS结果表明金属锂沉积在1 C倍率条件下循环100个周期后开始发生,这将导致电池容量衰减和并引发安全问题。（2）电化学开环聚合保护金属锂负极:提高锂离子电池的能量密度是未来储能器件发展的重要目标,金属锂负极被认为是实现这一目标的“圣杯”负极。我们利用1,3-二氧五环（DOL）在高电压条件下（>4 V）的开环聚合能力,在金属锂箔上原位生成保护性聚合物层（Poly-DOL）。制备的Poly-DOL人造固体电解质膜显出低的界面阻抗,快速的离子传输性质有效地改善了负极表面的离子沉积特性。对称电池的测试结果表明改性金属电极具有优异的枝晶抑制能力,这归因于聚合有机膜良好的弹性作用。将这种具有人造SEI膜保护层的金属锂电极作为全电池负极,展示出优异的循环性能和容量保持能力。（3）熔融锂灌注法制备三维金属锂负极:研究结果表明,人造SEI膜在一定程度上可以提高的电池的循环能力,但从原理上看,由于保留了金属锂箔的原始薄片,在长循环后依然面临不均匀锂沉积的问题。因此,本文创新性地设计了一种稳定的锂骨架负极,以硅纳米线包覆的碳布材料为骨架（C/Si）,采用熔融锂灌注的策略制备了无枝晶生长的C/Si/Li三维负极。三维结构使复合电极表面锂沉积均匀,有效地抑制了锂枝晶的生长。C/Si/Li复合电极的对称电池具有明显优异的电化学循环稳定性和持续的低电压滞后性能。在高电流密度条件下(3 mA cm^-2),极化电压稳定在100 mV左右,并表现出较长的稳定状态。在5 C的电池充放电倍率条件下,与LiNi_0.5Mn_1.5O₄（LNMO）正极组装的全电池在2000次超长循环后可以达到62%的容量保留能力,这远优于常规的金属锂箔负极。综上所述,锂离子电池负极材料是决定电池性能的关键。本论文从锂离子电池的容量性质和安全性质出发,分析了石墨负极在电池工作过程中的状态变化,同时设计了具有均匀锂沉积性质的金属锂负极,对实现高容量和高安全性的锂离子电池目标具有重要的参考意义。