高能量密度能源存储系统是实现新能源变革和交通工具电气化的技术基础。传统的能源储存系统锂离子电池由于低的比容量以及比能量,已经难以满足未来对能源的强烈需求。因此,提升电池能量密度是未来发展的重要方向。基于锂离子电池的工作原理和结构组成,锂电池能量密度提升的两条途径在于:1.采用高比能量的电极材料,如高能锂金属负极;2.增加电极活性物质在集流体上的载量和厚度,降低非活性物质在电极中的含量。然而,高比能锂金属电极材料在电化学储能过程中由不稳定的脆性固体电解质相界膜引起的枝晶生长和巨大体积变化严重影响电极的循环性能和安全性能;高活性载量、超厚电极中由于锂离子的扩散传导动力学限制导致的活性物质无法充分利用以及倍率性能差,这些都严重限制了其实际应用。近几年的研究表明,电极的结构设计是改善电极的电化学性能有效方法。如何通过合理的跨尺度电极结构设计,从而针对性解决高能锂金属以及高载量电极中的问题提升电池能量密度面临着重要挑战。本论文旨在通过电极跨尺度结构设计实现高能锂金属以及高载量电极的制备和应用,提高电极的能量密度。首先综述了锂金属电池和高载量电极研究进展,阐述了其中存在的主要问题以及当前主要解决策略。在研究理论基础上,提出合理的跨尺度电极结构设计,发展结构设计的一系列方法,探索结构对性能的作用机制,解决锂金属电极以及高载量电极中的科学问题,从而提升电池比能量。取得主要研究结果如下:1.发展了一种制备自支撑铜纳米线网络的方法。利用铜纳米线自蒸发组装以及后续的氢氩混合气还原制备具有柔韧性的自支撑薄膜,代替传统的铜箔集流体实现了锂离子流在负极的均匀分布,使得锂金属沉积有效地发生在铜纳米线表面,并被限制在三维网络的内部孔道中,显著提升了锂金属负极的循环稳定性。这种纳米结构集流体设计为高效抑制锂枝晶生长提供了一个新思路。2.在制备的铜纳米线网络集流体的基础上,通过电沉积在铜纳米线表面沉积金属镍制备出“亲锂性”的Cu@Ni三维框架,然后利用热熔灌锂法成功制备出Li-Cu@Ni复合锂金属电极。由于具有高导电率的三维Cu@Ni纳米线框架,在循环过程中可以引导锂金属在网络中的沉积与脱出,抑制锂枝晶的形成和生长。同时由于三维Cu@Ni纳米线网络框架高的机械与化学稳定性,可以保证电极在循环过程中极小的体积变化,保持电极整体的稳定性。3.受到天然木材中垂直的微通道作为水运输通路的启发,通过溶胶-凝胶法将木材的微结构复制到高载量的钴酸锂正极中,实现了高的面积容量和优良的倍率能力。通过X-射线三维成像技术表征和理论计算,其曲折率比随机结构的低1.5倍,从而使其锂离子的传导率提升2倍。电化学测试以及动力学电池测试(DST)证明LCO正极拥有极高的面容量22.7 mA cm2(5倍于现有电极)以及优异的倍率性能。仿生木头结构设计将开辟一条采用自然分层结构提高锂离子电池的性能的新途径。