近年来,消费电子产品和电动汽车的快速发展使得高容量型锂二次电池的研发变得极为紧迫和重要。尽管硅和金属锂作为锂二次电池负极材料都具有极高的理论比容量,但二者各自的缺点却严重阻碍了其商业化应用。硅在嵌锂过程中巨大的体积变化及其较差的导电性会使其在循环过程中容量快速衰减。而在金属锂电池中,锂枝晶的形成不仅会造成容量衰减,还会引起电池短路和安全性问题。针对上述问题,本文一方面从电极材料角度出发制备了具有层次化结构的球状硅/碳复合材料以提高硅基负极材料的循环稳定性,另一方面从电极结构角度出发分别设计制备了锂离子电池硅/碳一体化电极和金属锂负极三维多孔集流体以推进上述高容量型负极材料的发展和实际应用。论文首先利用乳液法制备出一种由纳米结构组装而成的微米级球状碳包覆纳米硅颗粒/导电炭黑/石墨烯复合材料,在该材料中纳米硅颗粒和导电炭黑镶嵌于石墨烯球中,并进一步被无定形碳所包覆。与纳米硅颗粒和纳米硅颗粒/石墨烯复合材料相比,该复合材料内部的纳米级结构极大提高了导电性,使其不仅循环稳定性显著提高,还表现出优异的倍率性能(2 A g^-1容量达728 mAh g^-1)。其次,论文从电极整体结构稳定性的角度出发,制备出一种具有“类钢筋混凝土结构”的硅/碳一体化电极。在该电极中,纳米硅颗粒镶嵌在由石墨烯片层彼此搭接所形成的贯穿电极的网络中,二者间的空隙则被无定形碳填充。石墨烯网络显著提高了电极的强度、柔韧性和导电性,而由无定形碳和石墨烯构成的弹性碳骨架不仅可容纳硅在嵌锂时的体积膨胀,还保证了电极结构的整体性。该锂离子电池硅/碳一体化负极可逆容量和首次库仑效率分别达到1711 mAh g^-1和78%,同时具有良好的倍率性能。论文最后以商用铜锌合金带为原料通过化学去合金化法一步制备出金属锂负极三维多孔铜集流体,利用其交联的孔道结构容纳沉积的金属锂,抑制锂枝晶的产生,并减少电极在充放电过程中的体积变化。将该三维集流体应用于金属锂负极中时,电池的极化显著减小,在循环250周后库仑效率仍可保持在97%以上,由其组装的Li|Li@Cu对称电池可稳定循环1000 h;将其应用于LiFePO₄全电池,循环300周后容量保持率仍达89.7%,展现出极大的实用前景。