随着社会的进步和科技的发展,传统化石能源越来越难满足人们的要求,发展高效储能体系的任务迫在眉睫。另外,便携通话设备、电动汽车等领域的不断发展使得人们对高效储能设备的需求日益增长,而包括锂离子电池在内的商业化的电池体系逐渐无法满足人们对储能设备在各项应用方面的要求。与锂离子电池不同,金属锂可以独立用作电池的负极,提供最高的理论比容量（3860 mAh/g）、最低的物理密度（0.59 g/cm3）和最负的电化学电位（-3.04 V vs.SHE）,并可以显著提高电池体系的能量密度。因此,锂金属电池有希望代替锂离子电池成为下一代商业化的储能体系的中坚力量。然而,由于锂金属本身活泼的化学性质、较低的路易斯酸性等因素,它面临着一系列影响其实际应用的严峻问题:（1）电极表面原生的SEI膜性质较不稳定,易破损,引发副反应并带来较低的库伦效率。（2）循环过程中锂负极表面的枝晶生长容易导致电池性能恶化,产生安全隐患。（3）循环过程中存在体积膨胀。（4）部分锂金属从电极表面脱落,形成“死锂”。针对这些问题,科研人员从结构化锂负极、改进电解液、为电极表面添加人工SEI膜以替代原有不稳定的SEI膜等方面研究了一系列解决上述问题的措施。在针对无支撑的锂负极进行的结构化改性的尝试中,科研人员采用了不同功能的三维骨架材料。其中,亲锂骨架能够吸引锂离子并诱导其均匀沉积;导电骨架可以在锂金属内部建立较为完备和均匀的导电通路,减少局部电流密度;同时具有两种功能的复合骨架可以更好地发挥二者的协同作用,表现出更强的电极稳定作用和抑制枝晶生长的作用。另外,具有一定机械强度的骨架还可以对枝晶生长起到物理抑制的作用。基于此,本论文的主要研究内容如下:（1）分别利用柯肯达尔效应和模板刻蚀两种方法制备出三维多孔铜集流体来改进锂负极。其中,第一种方法是利用了铜和其它元素之间的柯肯达尔效应:经过长期的扩散,两种金属会互扩散到对方所在的晶格,并在铜基体内部将留下大量孔洞。模板刻蚀法是利用多孔或者多突起的植物表面作为原始模板,借助聚二甲基硅氧烷（PDMS）复拓到二维铜箔表面,使二维铜箔表面生成了具有均匀孔隙的三维结构。用两种方法制备形成的三维多孔集流体都具有较好的导电性,其三维结构增加了电极面积,减小了局部电流密度,延缓了枝晶的产生。内部孔隙可作为储存锂金属的“笼子”,对枝晶生长起到抑制作用。集流体内部孔之间连接部位的突起结构可以增强局部电场,吸引锂离子,从而为锂金属的形核提供位点。这些因素使得改性后的三维铜集流体能在长时间循环后依旧保持高库伦效率。在长时间的对称电池测试中,三维多孔铜集流体改性的结构化锂负极都表现出较长的循环寿命。在全电池中,它们都显示出良好的循环稳定性。（2）首次制备了一种氮硫共掺杂的Nb2C MXene骨架材料（NS-Nb2C）来对锂金属进行结构化改性。元素掺杂可以增加Nb2C MXene的面间距和晶格常数,抑制MXene材料常发生的片层堆叠和坍塌。异种原子可以作为额外的缺陷,为电化学反应提供活性位点。掺杂的氮和硫之间具有协同效应,二者相互作用增加其亲锂性和导电性,引导锂的均匀沉积,抑制枝晶生长,稳定SEI膜,并保持结构化负极的稳定性。因此,锂金属可以在NS-Nb2C骨架材料上实现无枝晶生长的均匀沉积/剥离。在循环800周后,NS-Nb2C改善的复合锂负极的库伦效率依旧保持在将近100%的高水平。在对称电池测试中,该锂负极显示出超过1000小时的长寿命。在全电池中,该锂金属电池表现出良好的循环稳定性。（3）设计并制备了一种三维亲锂且导电的骨架材料N-CNT/Sb2MoO6改性锂负极,它由一维氮掺杂碳纳米管（N-CNT）构成的导电部分和二维双金属氧化物Sb2MoO6纳米片构成的亲锂部分组成。碳纳米管的加入将原本分散的纳米片组装成具有一定存储空间的球状三维结构。复合材料的亲锂部分和导电部分在引导均匀锂沉积和抑制树枝晶生长方面表现出协同作用。另外,经过氮掺杂后,导电碳纳米管本身的亲锂及导电能力也得到了增强。通过将锂枝晶限制在球状结构内,该结构对其生长施加了有效的物理障碍。三维亲锂/导电N-CNT/Sb2MoO6球状框架可以在循环850周后依旧保持94%的高库伦效率,在对称电池测试中显示出长达1400小时的循环寿命及较小的波动性。在全电池中,它表现出优异的循环和倍率性能。（4）首次制备出亲锂/导电的三维网络N-CNT@Cu2O@Cu来将锂负极结构化改性。被铜纳米球包裹着的Cu2O球和碳纳米管上的氮掺杂位点可以作为亲锂位点吸引锂离子,使锂离子可以更容易分布到整个网络内部,并优先在亲锂位点表面沉积。核壳Cu2O@Cu像集线器一样促使网络中的亲锂部分和导电部分有机结合,从而更好地发挥协同作用,而纳米铜球的包裹也可以改善Cu2O的导电性。这种网络可以让亲锂位点作为集线器链接多条碳纳米管纤维的电流传输通道,将整个网络协同成一体,更好地发挥碳纳米管的导电能力,使电场分布均匀,降低局部电流密度,延缓枝晶产生。N-CNT@Cu2O@Cu在循环达1100周后依旧可以保持97%之高的库伦效率,并保持长达1000小时的循环寿命。在全电池中,该结构化锂负极表现出极好的实用潜力。