锂离子电池作为最成功的商业化二次电池,已经在各个领域广泛应用。然而随着社会的高速发展,人们对储能设备能量密度的需求越来越高,传统锂离子电池已经难以满足人们的能源需求,所以研发高能量密度的二次电池至关重要。相较于石墨负极材料,金属锂有着最低的氧化还原电势(-3.04V vs标准氢电极),超高的比容量(3860 mAh g-1),低的密度(0.534 g cm-3),这使得金属锂电池相较于传统锂离子电池能量密度有了极大提高。然而金属锂电池商业化还面临很多问题:金属锂由于其高还原性会与电解液发生反应导致低的库伦效率;电池充放电过程中不断暴露出新鲜的金属锂,会进一步加剧电解液消耗;金属锂在负极不均匀沉积会产生锂枝晶,刺穿隔膜,造成电池微短路,严重缩短电池寿命。本论文研究金属锂在负极的电化学行为,提出了一系列金属锂负极的保护策略,内容主要如下:(1)通过碱性溶液氧化的方法,在泡沫铜表面生长了均匀的铜氧化物纳米片阵列,增加了材料的亲锂性,降低了金属锂沉积能垒;通过辊压加强集流体内部的电场耦合,均一化集流体内部的电场分布,使金属锂在负极均匀沉积。对称电池电化学性能测试中,在电流密度5 mAh cm-2条件下能够循环超过5000圈;搭配磷酸铁锂组成全电池能够循环超过500圈,容量保持率在97%以上。(2)将上述方法推广到廉价的铜网上,获得表面原位生长氧化铜纳米层的铜网。相比于辊压过的泡沫铜,铜网具有更低的电极厚度,有利于实现金属锂在电流方向的均匀沉积。同时,它也有效地保留了泡沫铜的结构优势,如:网格状结构可以缓解充放电过程中的体积变化;氧化层降低金属锂沉积的成核/生长过电势。在电流密度为3 mA cm-2、容量为1 mAh cm-2的半电池长循环测试中,循环寿命超过230圈;在搭配磷酸铁锂和三元(LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2)正极材料的全电池测试中,其电化学性能也有着优异的表现,在1C条件下循环寿命均超过300圈。