在所有已知的负极材料中,金属锂具有3860 m Ah·g^-1的极高理论比容量和-3.04V的较负电极电势,被誉为锂电池中的“圣杯”。然而,锂枝晶生长问题以及低库伦效率一直限制金属锂的实际应用。本课题分别从锂负极表面改性研究以及锂负极三维结构设计两方面开展研究工作,抑制锂枝晶生长,降低电极副反应,提高金属锂的利用率和循环稳定性。在锂负极表面改性方面,采用简单旋涂法在金属锂表面制备一层人造碳酸锂（Li₂CO₃）保护层。一方面,将无机组分碳酸锂和有机组分聚偏氟乙烯（PVDF）结合,得到的保护层非常致密,既具有较高的机械模量阻止锂枝晶的生长,又可以适应负极的体积膨胀;作为锂金属负极与电解液的直接物理阻隔,碳酸锂保护层明显减少了副反应产物的堆积。另一方面,碳酸锂作为原始SEI膜主要成分之一,具有较高的锂离子电导率(10-8 S·cm^-1),可以促进锂离子均匀沉积在碳酸锂保护层与锂金属基体之间。通过对工艺条件的优化,可知当膏体层厚度为100μm,Li₂CO₃:PVDF比例为9:1时,碳酸锂保护层最为致密,保护锂金属负极的效果最好。通过对电极进行循环前后物理表征,证明了碳酸锂保护层对电极/电解液界面的稳定作用。Li|Li对称电池在3 m A·cm^-2电流密度下依旧可以稳定循环200 h以上,过电势维持在～80 m V。碳酸锂保护锂负极组装的Li|Li Fe PO₄电池500次循环后,正极放电比容量为119.6 m Ah·g^-1,容量保持率为87.2%。相比裸露的400μm厚的锂金属负极,碳酸锂保护的100μm厚的锂金属负极表现出更优异的循环稳定性,极大地节省了锂金属的用量,降低了电池成本。研究结果表明,碳酸锂保护层保护锂负极的效果明显,提高了金属锂负极的电化学稳定性和抗电解液腐蚀的能力,其较高的锂离子传输速率促进了锂均匀沉积,有效抑制了锂枝晶长大。在锂负极三维结构设计方面,采用电沉积法在泡沫铜上沉积少量金属铟,之后电沉积一定量金属锂制备分级式Cu@In/Li合金负极。一方面,分级式Cu@In/Li合金负极以泡沫铜作为一级骨架,锂铟合金作为二级骨架,这种分级式骨架可以更好的降低真实电流密度,抑制锂枝晶的生长。另一方面,亲锂性金属铟具有调节锂离子在集流体表面重新均匀分布和诱导成核的能力。计算结果表明,金属铟与锂的结合能明显高于金属铜和金属锂,可以优先与锂发生合金化反应生成锂铟合金骨架,调控锂离子的沉积行为。通过工艺优化,确定了脉冲电镀180 s制备的电极循环稳定性更佳。Cu@In/Li合金电极在Li|Li对称电池(电流密度为1 m A·cm^-2)中可以稳定运行400 h以上。在Li|Cu电池中,Cu@In/Li合金电极100个循环的平均库伦效率接近98%。组装的Li|Li Fe PO₄电池500次循环后正极放电比容量为105.94m Ah·g^-1,容量保持率为76.64%。总而言之,电极结合使用了分级式导电骨架和金属铟亲锂层,分级式骨架结构降低了真实电流密度,对抑制锂枝晶的生长作用显著,金属铟的加入增加了电极亲锂性,为锂离子均匀沉积打下基础。两者之间的协同作用有效抑制了锂枝晶的生长,提高了电极的循环稳定性和可逆性。