为了满足大规模储能以及电动汽车的发展需求,开发高能量密度的锂电池显得尤为重要。然而,基于嵌入式反应的锂离子电池体系只能提供有限的能量密度,这极大的限制了高比能量电池的发展。因此,锂硫电池、锂空气电池和高电压电池等新的电池体系进入人们的视野。金属锂因其超高的理论比容量和很低的化学反应电位被认为是最有前途的负极材料之一,但是金属锂的实际应用依然面临着循环效率低、安全性较差等问题。尽管现在已经有许多工作集中在金属锂的改性研究上,但是设计更加安全、循环稳定的金属锂负极依然是广大研究者的目标。进一步改善金属锂的性能不仅能匹配新的电池体系,对于现有的电池体系的能量密度的提升也有着重大的意义。本文主要针对金属锂负极材料,由于其近乎无限的体积变化和超高的电化学反应活性,我们设计了一种新型的三维结构,改善了金属锂负极在循环过程中的体积变化,减少了枝晶的形成;同时结构表面的保护层降低了金属锂与高电压电解液的副反应问题,提高了高电压电池的循环稳定性,实现了超高的能量密度。主要成果如下:1.我们将层状的氮化碳与氧化石墨烯通过简单的抽滤均匀复合成层状的三维框架,并通过热熔的方法将金属锂“灌入”该框架。在与金属锂进行复合后,氮化碳与金属锂反应生成氮化锂和碳片,由碳框架和氮化锂构成的三维框架可以降低电极的体积变化;并且氮化锂较高的锂离子电导率可以实现离子在电极内部的快速传输,减少电极表面枝晶的形成。LCN电极在1 mA/cm~2的电流密度下沉积了1 mAh/cm~2的金属锂之后表面并没有出现枝晶,并且在脱出/沉积了5 mAh/cm~2的金属锂后也没有出现明显的体积变化。LCN丨LCN对称电池能在1 mA/cm~2的电流密度,1 mAh/cm~2的面积容量下稳定循环500圈(1000 h)以上,对称电池的极化电压保持平滑、稳定;在3 mA/cm~2的电流密度,1 mAh/cm~2的面积容量下稳定循环300圈不发生短路。2.我们将上述的LCN电极与高电压正极和高电压电解液匹配,由于LCN电极表面的一层氮化锂保护层,LCN电极能在高电压环境下稳定的循环而不与电解液发生副反应,普通金属锂与高电压电解液匹配时产气严重的问题也得到了解决。NCM丨LCN全电池1 C电流密度下、2.8 V-4.6 V的充放电区间内能保持180 mAh/g以上的可逆比容量稳定循环100圈;并且在在电流密度升高为4 C时,NCM丨LCN电池依然可以保持145 mAh/g的可逆比容量。以上工作为解决金属锂电池与电解液副反应多、循环库伦效率低、循环稳定性差、体积变化严重以及安全性问题提供了新的思路,对于开发商用高性能的锂金属电池有着重要的意义。