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传统锂离子电池以其极高的能量转化效率、较长的使用寿命和相对较高的能量密度,一直在电子产品市场中的主流电源。但是,为了满足新能源汽车以及大型储能电站的大力发展的需求,研发更高能量密度和更安全的锂电池就十分必要。而传统锂离子电池中负极采用的是理论容量较低的石墨,也就限制了锂离子电池的能量密度。同时,传统锂离子电池采用有机电解液,会带来漏液和易燃等安全风险,容易导致其出现难以避免的安全隐患。本论文选取高能量密度的锂金属电池和高安全性的全固态电池的关键材料作为主要研究方向,旨在为下一代锂电池的设计和应用提供理论和实验基础。考虑到相转化法具有大规模应用的潜力,论文工作的材料制备工艺都主要采用相转化流延技术,同时该工艺易于产生较为理想的特殊微观结构,即既拥有微米级垂直排列直通孔道又拥有丰富的纳米微孔的两级多孔材料结构。具体而言,在锂金属电池中,我们采用相转化法对选取的正极、负极和隔膜进行结构设计和改性,改善了锂金属电池的电化学性能。在全固态电池中,我们采用相转化法制备了一种兼具畅通的电子/离子通路的复合正极,获得了优良的循环稳定性和倍率性能,为全固态电池的构建提供了新的思路。论文的第一章首先介绍了锂离子电池的工作原理及发展方向,然后综述了文献中关于全固态电池中无机陶瓷电解质和聚合物电解质的研究进展,总结了当前全固态电池的界面问题。同时,本章还介绍了关于锂金属负极的问题与挑战,以及常用的改性策略。最后,简单介绍了相转化法的原理以及应用,并确定了本论文的选题背景和研究内容。第二章总结了本论文实验中所需的药品和仪器,并介绍了材料制备、表征方法和扣式电池的组装与电化学测试方法。第三章通过相转化制备了具有垂直排列通道的高容量LiFePO4厚电极,表征了电化学性能。厚电极的多孔骨架提供了高电子导电性并有利于电解液的渗透,而其独特的垂直排列的通道可作为快速离子/电子传输途径。因此,具有20 mg cm-2的高面负载的厚电极表现出优异的倍率性能（10C时可达到110mAhg-1的比容量）和稳定的循环性能。值得注意的是,该工艺还可以实现厚度达1.3 mm的厚电极（面容量高达15.1 mAh cm-2）。第四章采用相转化法制备了具有垂直通道的三维多孔Cu导电骨架,并通过化学镀的方法对Cu骨架进行亲锂修饰。三维多孔Cu骨架中孔道结构可作为锂沉积的主体,并且其多孔结构有利于降低局部电流密度。引入的亲锂层可以降低锂金属的成核势垒,有利于诱导锂金属沉积更加均匀,避免了锂枝晶的生长。因此,在高达12 mAh cm-2的高面容量和12 mA cm-2的高电流密度条件下,对称电池成功实现了超过2000 h的超长循环寿命。第五章采用相转化法对商用聚丙烯隔膜上进行膜涂层修饰,以实现均匀的锂离子通量和高锂离子迁移数。膜涂层是由PVDF-HFP作为骨架和Y0.08Zr0.9202-δ（YSZ）作为功能填充物组成的复合膜。其中,多孔PVDF-HFP骨架具有丰富且均匀的孔道结构,并且吸收电解液后可以传导锂离子,可作为调节锂离子分布的整流层。YSZ纳米颗粒添加剂可以束缚电解液中的阴离子从而增加锂离子迁移数,进而实现无枝晶的锂沉积和快速充电能力。因此,协同作用下可使锂金属电池实现较高的库伦效率（500次循环平均98.4%）、较长的使用寿命（超过1000 h）以及优异的倍率性能（在10C下有155 mAh g-1的比容量）。第六章作为制备钠离子全固态电池的其中一部分,我们提出了一种新的复合电极的组合方式以及界面构建方法,这里固态电解质选用NASICON型钠离子导体Na3Zr2Si2PO12。利用相转化工艺制备的半“非”字型结构低曲度骨架,有利于电极浆料的灌注。电极浆料则选用同为NASICON结构的正极Na3V2（PO4）3的前驱体,高温共烧后可以有效构建复合电极界面。随后与钠金属组装成全固态电池,该电池在0.5C下有95 mAh g-1的比容量,且可以稳定循环50圈。这种复合电极的构建方式为陶瓷基全固态电池提供了新的思路。第七章采用相转化法制备出具有半“非”字型结构的正极,再利用原位聚合的方式将填充在正极骨架中的聚合物前驱液（1 M LiTFSI溶于碳酸亚乙烯酯）通过热引发完成聚合,形成复合电极。其中,半“非”字型的正极为多孔结构,有利于聚合物前驱液的充分渗透;其独特的直通结构也可以作为快速离子通道,缓解电极增厚之后离子传输受阻的问题。采用原位聚合形成的聚合物与电极之间结合紧密,减少界面阻抗。因此,具有15mgcm-2负载的复合电极与锂金属组装的固态聚合物电池能够实现优异的倍率性能（10C时可达到82 mAh g-1的比容量）和稳定的循环性能,在1C下循环250圈后的容量保持率为89.0%。第八章是关于一种新型高性能陶瓷负极的探索。我们首先采用了 B位掺杂策略,将 Li0.33La0.55TiO3-δ（LLTO）改变为 Li0.33La0.55Ti0.9Ni0.1O3-δ（LLTN）。随后在碳包覆过程中,Ni从LLTN中的原位溶出（即脱溶）,在LLTN基体上形成了许多Ni纳米颗粒。原位析出的Ni纳米粒子锚定在钙钛矿基体表面,与碳包覆层形成的导电网络可以显着改善电荷转移的动力学。Ni析出引入的丰富空位可以提高电子导电性并提供额外的锂存储位点,且不会带来较大体积变化。因此,该负极具有352 mAh g-1的高可逆容量和低工作电压（约1V）。即使在2Ag-1的高电流密度下,容量可以保持在180 mAh g-1,且10000次循环过程中均无衰减。因此,LLTN是一种非常有前景的超长寿命、低工作电位和高倍率的快充型锂离子电池负极材料。■第九章为本论文的总结,并阐述了这些工作的创新之处与不足之处,同时也提出了未来的工作计划。