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金属锂具有超高理论比容量(3860 mAh g-1),是商业化石墨负极(372 mAh g-1)的10倍左右。加之,金属锂具备质量轻(0.59 g cm-3)以及电化学电位低（-3.045 V vs.标准氢电极）等诸多优点,被广泛地应用于下一代能量存储器件（如Li–S和Li–O2电池）的基础和应用研究。然而,锂离子在金属锂基体上反复沉积、溶出时,极易形成锂枝晶。锂枝晶容易从基体上脱离形成“死锂”。“死锂”具有低电化学活性和高化学活性,不仅降低了金属锂二次电池的库伦效率而且极大地加剧了电池体系的副反应,消耗了活性锂以及电解质（锂盐、溶剂和添加剂等）,严重降低了金属锂二次电池的能量密度及循环寿命。此外,锂枝晶持续生长可能会刺穿隔膜、造成电池短路、进而造成冒烟、起火、爆炸等一系列安全事故。目前,通过调控电解质组分使其在金属锂负极表面的电化学分解,从而实现构筑功能化固态电解质界面（SEI）膜,被认为是提高金属锂界面稳定性的有效方法之一。近年来,含氟磺酰亚胺锂盐(Li[(CnF2n+1SO2)(CmF2m+1SO2)N],n,m=08)作为导电锂盐被广泛应用于金属锂二次电池及相关领域的研究。其中,以双（三氟甲基磺酰）亚胺锂Li[（CF3SO2）2N],LiTFSI)最具代表性。这主要因为:（1）磺酰亚胺基团(–SO2-N（-）-SO2–)强的共轭效应,加之,含氟烷基基团强的拉电子能力有效降低了阴离子电子云密度,从而促进了锂离子的解离,相应地提高了体系的电导率;（2）含氟磺酰亚胺良好的化学及电化学稳定性等。然而,传统LiTFSI电解质体系存在成膜性能差、腐蚀铝箔等诸多短板,使得LiTFSI作为导电锂盐有一定的局限性。针对上述挑战,本论文以锂–氧气电池（Li–O2）和锂|磷酸铁锂电池（Li|LiFePO4）为模型电池,尝试从电解质（导电锂盐、溶剂及添加剂等）视角,通过设计或改性现有的含氟磺酰亚胺类化合物结构,旨在改善金属锂界面稳定性、提高电池循环寿命。本论文主要的研究内容及结果如下:1.为了探究在氧气氛围锂盐结构对金属锂界面稳定性的影响,尝试将LiTFSI锂盐结构中CF3SO2–基团替换为C4F9SO2–基团,设计、合成了（三氟甲基磺酰）（全氟丁基磺酰）亚胺锂（Li[（CF3SO2）（n-C4F9SO2）N],LiTNFSI）,并将该导电锂盐应用于非水溶剂Li–O2电池。研究表明,与LiTFSI电解质体系相比,1 M LiTNFSI四乙二醇二甲醚（TEGDME）电解质体系在金属锂表面形成了多氟、稳定的SEI膜。该功能化SEI膜有效地抑制了金属锂负极和电解质组分及电解质溶解氧之间的副反应,提高了金属锂负极界面稳定性。在O2氛围,含有1 M LiTNFSI-TEGDME电解质的Li|Li电池在0.2 mA cm-2电流密度下可以稳定循环1000小时以上,极化电压稳定在0.05 mV左右。以常规的多孔碳作为氧气正极支撑材料,Li–O2电池循环寿命由20周（1 M LiTFSI-TEGDME）提升至49周（1 M LiTNFSI-TEGDME）。2.为了深入研究高氟含量的固态电解质界面膜对金属锂电池循环性能的影响,以（氟磺酰）（全氟丁基磺酰亚胺）锂（Li[（FSO2）（n-C4F9SO2）N],LiFNFSI）作为导电锂盐,通过调节电解质浓度构筑了高度氟化的金属锂固态电解质界面膜。该研究证实:通过调节锂盐浓度成功地提高了导电锂盐阴离子在金属锂表面成膜的参与度,X射线光电子能谱（XPS）深度剖析技术测试表明,随着电解质浓度的增加,固态电解质界面膜表面氟元素含量由13%（1 M LiFNFSI）提升至34%（3 M LiFNFSI）;Ar+刻蚀40 min（深度约为30 nm）后,高浓度电解质体系（3 M LiFNFSI）氟元素含量仍能保持在33%,明显高于1 M LiFNFSI电解质体系（8%）。综上所述,高度氟化的固态电解质界面膜促进了锂离子的均匀沉积,抑制了锂枝晶的形成,并确保了Li|Cu电池高的平均库伦效率（95.6%）、Li|Li电池长的循环稳定性(以0.5 mA cm-2的电流密度循环1000 h,电池极化电压<18 mV),有效隔绝了金属锂和体系溶解氧的接触,抑制了副反应的发生。与LiTFSI电解质体系相比,基于3 M LiFNFSI电解质的Li–O2电池O2恢复效率由85%提升至98.6%,循环寿命由36周提高到57周。3.为了改善金属锂电池倍率性能,提高锂电池在高倍率条件下的长循环稳定性,我们通过调节电解质溶剂组成,以期在金属锂表面原位形成功能化电解质界面膜。研究表明:1 M LiTNFSI-1,3-二氧戊环（DOL）/N-甲基N-乙基哌啶(PI13FSI)（1:1,v/v）在金属锂界面形成了富含高离子电导的Li3N(6×10-3 S cm-1)、聚合物（（–CH2CH2OR–）n和（–CH2CH2OCH2O–）n）复合固态电解质界面膜。基于1 M LiTNFSI DOL/PI13FSI（1:1,v/v）电解质的Li|Li对称电池以10 mA cm-2电流密度下可以稳定循环1200 h以上,极化电压为18 mV;Li|Cu电池在10 mA cm-2电流密度下稳定循环1300周以上,平均库伦效率大于98.2%;Li|LiFePO4电池以1 C循环1000周容量保持率达97%。4.为了提高金属锂界面稳定性,改善锂电池循环性能,我们设计、合成了一种新型的含硅、氟磺酰亚胺类共价有机化合物:三甲基硅（氟磺酰）（全氟丁基磺酰）亚胺（（CH3）3Si-[N（FSO2）（n-C4F9SO2）],TMS-FNFSI）,并尝试将该化合物作为添加剂应用于常规电解质（1 M LiTFSI DOL/乙二醇二甲醚（DME）,（1:1,v/v））。研究结果表明:（1）TMS-FNFSI还原电位1.5 V vs.Li/Li+,优先于导电锂盐（LiTFSI:1.25 V vs.Li/Li+）和溶剂（DOL/DME,0.35 V vs.Li/Li+左右）等电解质组分在金属锂表面发生还原反应,并在金属锂界面形成了含硅、多氟的电解质界面膜;（2）基于5 wt%TMS-FNFSI电解质的Li|Li对称电池以0.5 mA cm-2的电流密度稳定循环1200 h,极化电压稳定在25 mV左右;以1.0 mA cm-2电流密度、2.0 mAh cm-2的面容量运行,Li|Cu电池可以稳定循环100周,平均库伦效率96.5%;Li|LiFePO4电池以0.2 C循环稳定循环100周容量保持率92%。