开发具有更高能量密度的二次电池是当今社会的一个“热点问题”。金属锂负极具有极高的比容量(3860 m Ah/g),以及最低的还原电势(-3.040 V vs.标准氢电极),被誉为能源储存界的“圣杯”。它也可以应用于具有更高能量密度的电池体系,如锂硫电池、锂氧电池等。然而,枝晶生长、趋于无限的体积变化、SEI膜的不稳定带来的低库仑效率等问题极大地限制了金属锂负极的应用。此外,由于金属锂具有极高的反应活性使得对其加工与储存需要在惰性气体保护下进行,提高了金属锂负极的生产成本。本论文研究通过诱导锂离子均匀成核的方法抑制枝晶的产生,并基于锂碳复合材料制备了一系列具有高库仑效率、高环境稳定性的负极材料。首先,将苯并三氮唑(BTA)通过N-Cu配位作用自组装于铜箔表面,制备了BTA-Cu复合物。通过DFT模拟发现,相对于Cu原子,BTA分子中的N原子对锂离子具有更好的亲和力,故BTA分子可以作为锂离子的成核剂,锂离子在N原子的诱导成核作用下均匀沉积于BTA-Cu材料表面,从而抑制了锂枝晶的产生。库仑效率测试结果表明,在1 m A/cm2的电流密度,1 m Ah/cm2的容量密度下,BTA-Cu材料的平均库仑效率为99.0%并保持约200个循环。进而,通过电镀的方式在BTA-Cu表面电镀金属锂制备了BTA-Cu@Li负极,并将其用于LFP全电池。在33%的放电深度(DOD)以及1 C倍率下,BTA-Cu@Li‖LFP全电池的库仑效率达到98.5%。其次,将十八烷基膦酸(OPA)通过单分子自组装的方法钝化Li-CNT复合材料,获得OPA-Li-CNT。采用和频光谱(SFG)研究了OPA分子在金属锂表面自组装过程中的动力学,SFG结果表明,OPA分子通过磷酸锂的连接自组装于金属锂表面,烷基链整齐排列于OPA-Li-CNT外层,致密排布的烷基链能够阻止金属锂与环境中的水分、氧气等组份反应。自组装单分子层(SAM)钝化的Li-CNT材料在干燥空气中甚至空气中表现出良好的稳定性,并且可与特定的溶剂混合后进行混浆涂布操作。通过混浆涂布法制备的金属锂负极在全电池应用中在33%的DOD以及1 C的循环倍率下库仑效率约为98.8%。在金属锂表面通过分子自组装形成稳定的SAM层促进金属锂的钝化,这为更好地应用金属锂负极提供了新的思路。再次,利用OPA-Li-CNT材料良好的可加工性,将其作为预锂化剂与石墨混合,采用混浆涂布工艺制备了复合负极。通过XPS和SEM表征发现,在OPA-Li-CNT的存在下,石墨负极在电池工作前表面预先形成了SEM膜。含有5 wt%的OPA-Li-CNT材料的石墨负极首次循环的库仑效率从87.5%提升至100.1%,并且稳定循环超过80圈。最后,研究了银纳米线-碳纳米管复合对锂碳负极性能的增强作用。制备了OPA-Li-Ag-CNT作为锂二次电池的负极材料。Ag纳米线的掺杂提高了CNT颗粒的亲锂性,从而提高了骨架材料的载锂量;采用30 wt%的Ag纳米线添加量可使电池的比容量从1890 m Ah/g提高至2552 m Ah/g。此外,Ag纳米线的引入能够降低锂离子沉积/溶解过电势,提高了材料的稳定性。值得一提是,OPA-Li-Ag-CNT负极材料依然保留了OPA-Li-CNT材料良好的可加工性以及环境稳定性。由OPA-Li-Ag-CNT材料组成的对称电池在5 m Ah/cm2的高电流密度下仍能够稳定循环150圈;将该材料与商用LFP以正负极1:2的容量配比组装成的全电池可以稳定循环330圈,库仑效率达到99.1%。