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随着化石燃料问题的日益锐化和对绿色能源需求的不断增长,亟需开发一种绿色安全高效的可充电电池。目前商业化锂离子电池中石墨负极的容量逐渐接近其理论比容量值,但仍然无法满足市场对更高能量密度储能的需求。因此,开发具有高理论容量的碱金属负极（Li:3860 mAh g-1,Na:1165 mAh g-1,K:687 mAh g-1）引起越来越多的关注。然而,碱金属负极在实际应用中仍然面临许多问题和挑战,例如:不稳定的固体电解质界面（SEI）,无限的体积变化,持续的副反应和枝晶生长等问题。针对上述问题,本论文通过三维结构设计,实现碱金属离子的均匀沉积,缓解碱金属负极的无限体积变化,从而提高碱金属负极的循环寿命。另外,本论文还通过人工界面层构筑,减少活泼锂金属与电解液的反应和加快锂离子的传输,从而实现均匀的锂离子沉积和剥离。最后,本论文研发了一种双功能的电解液。该电解液不仅可以抑制钾枝晶生长,还可以抑制多硫化钾的穿梭效应。因此,钾-硫电池的循环稳定性得到了显著的改善。本论文通过原位/非原位的表征和理论计算模拟相结合的方法深入分析了材料的作用机制。第1章,系统地总结了碱金属负极的工作原理,存在的科学问题和现有的改性策略。第2章,介绍了本论文在实验中所涉及的药品、测试仪器和表征方法。第3章,通过简单的浸泡法制备了 RuO2纳米颗粒修饰的碳布骨架（RuO2@CC）。通过引入RuO2纳米颗粒,提高了碳布与熔融Li之间的亲和性。此外,三维骨架有效地限制了 Li金属的体积变化。密度泛函理论（DFT）计算证明了 Ru元素对Li+具有更高的吸附能,为Li+提供了成核位点,实现了 Li金属均匀的沉积。因此,在1 mA cm-2和10 mAh cm-2下,改性后的锂金属可以稳定循环570小时。并且改性锂负极匹配磷酸铁锂的全电池可以稳定循环650圈后容量保持率为90%。将该方法拓展到钠金属负极保护方面时,复合钠负极也取得了优异的电化学性能。在1 mA cm-2和1 mAh cm-2下,改性钠金属负极可以稳定循环250小时。第4章,在前一章的基础上,以镍基亲锂化合物为例,结合计算和实验系统讨论了物理形貌限域和化学吸附/扩散调节对锂金属沉积/剥离的影响。有限元模拟揭示了二维纳米片的设计具有最佳的物理形貌限域效果。DFT计算证实了高Li+吸附能和高Li+电导率的Li3N可以促进Li+扩散并控制均匀的Li+成核。通过简单的熔融法将Ni3N纳米片修饰的碳布与熔融锂复合得到复合电极（Li-Ni/Li3N-NS@CC）。Li-Ni/Li3N-NS@CC 复合电极可以在 60 mA cm-2/60 mAh cm-2下实现较长的循环寿命（1000小时）。第5章,通过简单高温熔融法制备离子/电子导电的三维铋基（Na3Bi/K3Bi）合金骨架。DFT计算表明了 Na3Bi具有较高的离子迁移速率,电子电导率和亲钠特性。因此,Na3Bi合金骨架结构可以提供畅通的电子/离子扩散路径,有效缓解体积膨胀,减少副反应,抑制枝晶的生长。在1mA cm-2和1 mAh cm-2下,改性后的钠金属可以稳定循环700小时。在1 A g-1的电流密度下,匹配磷酸钒钠的全电池可以稳定循环400圈。将该方法拓展到钾金属负极保护方面时,复合钾电极也实现了优异的循环稳定性。在0.5 mA cm-2和1 mAh cm-2下,改性后的钾金属对称电池可以稳定循环450小时。第6章,利用高温氧化还原法原位构筑有机/无机复合的人工界面层,实现了 Li+的均匀沉积,抑制了 Li枝晶生长。DFT计算揭示了有机成分（含氮的官能团）对Li+具有较强的吸附能,可以引导Li+在电极表面的均匀分布,并提供足够的锂成核位点。另外,无机成分Li3N具有高的Li+电导率,可以促进Li+在界面处的传输。因此,在1mA cm-2和2 mAh cm-2下,改性后的锂金属对称电池可以稳定循环1 100小时。并且改性后的锂负极匹配LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2正极的全电池可以在1 C的电流密度下稳定循环100圈。第7章,系统地介绍了四种不同单一溶剂的碳酸酯电解液对K-S电池性能的影响。其中,3 M（mol L-1）双三氟甲磺酰亚胺钾盐（KTFSI）/碳酸乙烯酯（EC）电解液可以大大提高K-S电池的可逆比容量和长循环稳定性。DFT计算证实了正极固体电解质界面层（CEI）中的有机基团与多硫化钾具有很强的结合能,可以防止多硫化钾的穿梭效应。该电解液（3 M KTFSI EC）不仅可以减少多硫化钾的穿梭溶解,还可以实现钾负极均匀沉积/剥离。在0.1 mA cm-2和0.1 mAh cm-2的条件下,钾金属对称电池基于该高浓盐的电解液可以稳定循环3000小时。在0.5 Ag-1的电流密度下,钾-硫电池基于该高浓盐的电解液可以稳定循环850圈后仍具有646 mAh g-1的容量。第8章,归纳了本论文中工作涉及的创新点和存在的不足之处,并且展望了将来的工作内容和方向。