随着传统能源的日益枯竭和全球环境问题的愈发严重,人们迫切需要开发出一种高效、绿色、安全的电化学储能设备。目前市场上主流的锂离子二次电池逐渐趋于其理论容量,已经无法满足人们日益增长的能量密度要求。锂、锌等金属具备优良的特性,是下一代储能电池的理想负极材料。然而与大部分金属负极一样,他们不可避免的受到枝晶生长和副反应的困扰。本文根据锂负极和锌负极特点设计两种不同的保护策略,并在此基础上展开以下两个实验:1.锂金属负极的三维结构设计和超填充机制研究。通过简单的多步处理,在商业泡沫铜表面修饰大量纳米级的小孔,将这种多孔泡沫铜用作锂负极的骨架。其多孔的骨架结构有助于降低电流密度,同时其稳定的框架结构也能一定程度上缓解负极在运行时产生的体积变化。更重要的是,在电解液中添加硫脲以后,硫脲的“超填充”作用能够引导锂在骨架表面的小孔中优先沉积,实现初始的均匀成核,从而阻碍了锂枝晶的滋长。使用该协同策略的对称电池在1 mAcm-2和1 mAh cm-2的条件下能够稳定循环500 h;同时,正极采用磷酸铁锂（LFP）,负极采用上述策略的全电池在5 C下循环300圈仍有94%的容量保有率,展现出出色的循环稳定性。2.锌金属负极的表面保护和锌离子二次电池性能研究。根据扩散阻碍理论和水系电池存在的问题,在锌负极表面设计了一种聚乙烯醇缩丁醛酯（PVB）与纳米铜锌合金复合的人工保护层。该保护层十分致密,有良好的粘附性和机械强度,能够隔绝电解液,抑制副反应;同时,由于铜锌合金颗粒的存在,界面上锌扩散势垒大大降低,表面吸附原子的扩散率提高,形成枝晶的倾向降低。涂覆有这种保护层对称电池在0.5 mA cm-2下能够实现1500 h以上的运行寿命,表现出优异的负极保护能力。总之,本文针对现有金属负极存在的枝晶生长和表面副反应问题,从电极结构设计和表面化学出发开展研究。制备了多孔泡沫铜负极,以硫脲作为电解液添加剂,通过多孔泡沫铜和硫脲二者协同作用实现锂负极的无枝晶循环;在锌负极表面涂覆PVB与铜锌合金复合的人工保护层,抑制副反应的发生,实现锌负极的均匀沉积。本论文为金属负极保护提供了新策略,有利于推动二次金属电池的实际应用。