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全球低碳经济的日益发展带来了能源消费的重大变革,太阳能、风能、潮汐能以及地热等可再生能源淘汰传统高污染化石能源已逐渐成为新的发展趋势。其中,开发电化学储能技术对实现具有间歇性的可再生能源的综合开发至关重要。广泛商业化使用的锂离子电池由于价格昂贵、能量密度低、锂储量有限等问题难以满足未来更大规模的储能需求。可充电金属负极电池（Li、Na、K、Zn等）由于其具有较高的能量密度,在高性能储能电池设计中具有明显优势。然而,金属负极实际使用时面临诸多挑战:（1）由于金属具有较高的反应活性,通常在金属与电解质的固-液界面处存在复杂的副反应,这会显著降低电池的比容量和库伦效率。（2）充放电过程金属会发生持续的溶解/再沉积过程,这会产生巨大的体积收缩和膨胀,最终导致电极发生破裂和活性物质粉化,导致电池产生快速的容量衰减。（3）金属不均匀的沉积易造成枝晶的产生,这不仅会加快副反应和体积膨胀,还会造成活性物质剥离基底导致失活,枝晶的快速生长甚至能导致火灾等安全问题。因此,减少金属负极的副反应、缓冲体积膨胀、抑制枝晶生长等缺陷是实现其稳定的核心挑战。针对以上关键问题,本论文围绕多尺度金属负极限域界面设计、构筑及性能强化开展了系统研究工作,提出通过调控电极界面处金属离子限域吸附与扩散,诱导金属均匀沉积的新思路。首先,通过分子自组装策略,设计并制备了分子级厚度可控的二维（2D）限域界面膜,通过调控界面处离子的均匀扩散实现了无枝晶金属的可逆沉积。其次,进一步通过原位生长策略构筑了具有高分散亲金属位点的三维（3D）限域界面,实现了多种金属（Li、Na、K、Zn）的定向沉积。最后运用3D限域结构化电极实现室温下液态金属的超浸润和稳定限域,实现了长寿命液态金属负极的成功构筑。本论文的具体研究内容如下:1.二维限域通道超薄膜组装及高稳定锂硫电池性能研究锂硫（Li-S）电池展现出的高能量密度、环保、成本优势等获得了人们的青睐。然而,多硫化物的穿梭效应和负极的枝晶生长导致了容量的快速衰减。本文通过在商用聚丙烯（PP）隔膜上组装双金属氢氧化物纳米片（LDHs）和氧化石墨烯（GO）,成功地构筑了具有原子级限域空间（～1.1nm）的二维超薄膜（～30 nm）材料。原位拉曼光谱和分子动力学模拟证实,LDHs/GO超薄膜内的限域通道不但可有效抑制多硫化物的穿梭,而且促进了Li+的均匀扩散,从而有效抑制了Li枝晶的产生。LDHs/GO组装的Li-S电池具有优异的性能,在0.2 C下具有1092 m Ah g-1的初始容量,并且衰减极低（0.08%每圈）。2.二维离子限域超薄膜组装及高稳定锌金属电池性能研究水性锌金属电池（AZMBs）因其具有较高的比容量、较为丰富的储量、较低的电极电势等优势引起了人们的关注。然而,金属Zn负极由于具有可逆性差,容易生产枝晶和严重的副反应等缺陷,这阻碍了AZMBs的应用发展。本文进一步将锌盐（Zn（Tf O）2）限域到LDHs/聚酰胺6超薄膜的2D通道中,制备了具有高度分散限域锌盐的2D界面膜,促进了Zn2+在电极界面处的均匀扩散,从而抑制了枝晶的形成。同时致密的结构起到了分子筛分作用,显著抑制了析H2副反应以及溶解态O2腐蚀。获得的Zn负极具有高达1450 h的长循环稳定性和约30 m V的低可逆沉积电势。此外,组装成锌锰电池后具有高达321 m Ah g-1的初始容量和590次循环寿命。此二维限域界面膜内可以进一步引入荧光分子,用于在循环过程中对锌负极进行原位肉眼可视观察,为原位研究Zn金属负极沉积行为提供了新方法。3.三维结构化限域界面构筑及金属负极电池性能研究三维结构由于具有大比表面积,可以起到降低局部界面电流密度的作用从而抑制枝晶。同时其大量的缓冲空间可以缓解体积膨胀。本文通过在Ti O2钠米棒阵列结构上原位引入单分散的氟杂原子亲金属位点（Ti O2-F）,实现了系列金属的限域成核与均匀可逆沉积。DFT计算表明Li+、Zn2+、Na+、K+与Ti O2-F的结合能与Ti O2相比有大幅提升,这显著增强了材料的亲金属性,同时三维结构化电极的缓冲空间缓解了体积膨胀带来的应力变化。因此,基于Ti O2-F的Li、Na、K、Zn对称电池在2 m A cm-2时分别具有1100 h、530 h、720 h、510 h的循环寿命,这是空白碳布基负极的4.4倍、26.5倍、24.1倍、25.5倍。该项工作为开发无枝晶金属负极的普适性方法提供了新思路。4.三维结构化限域界面构筑及液态金属电池性能研究液态金属由于具有天生无枝晶的特点,在长寿命储能电池系统开发中具有明显优势,但其较差的浸润性是限制其发展的主要原因之一。本文通过构筑三维富含钴单原子亲金属位点的碳纳米片阵列（Co-SACN）结构化电极,实现了室温下超浸润液态Na K合金的构筑。DFT计算表明,Na K合金中的K与Co-SACN间的结合能远大于Na,并且随着Na K合金中K含量增加,Na K浸润过程逐渐加快,揭示了K优先吸附的浸润机理。5MPa压力下的实验证明三维结构增强了对Na K的限域能力,防止了液体泄露。Co-SACN@Na K在Na Cl O4电解液和KPF6电解液分别具有1200 h和1000 h的循环寿命。当与Na3V2（PO4）3正极相匹配时,在1 C的电流条件下可达到5000个可逆循环的超长寿命,在5 C下达到16000次的可逆循环,并且具有极低的容量衰减（～0.003%每圈）。与PPB正极匹配时,同样表现出良好的循环稳定性。本工作提出的液态金属超浸润策略为构建高安全性的无枝晶液态金属电池开发提供了一种全新的方法。