高能量密度电池是世界各国竞争的一种战略高新技术,国家“十三五”规划中提出2030年电池能量密度要达到350 Wh kg^-1的目标。石墨作为传统锂离子电池的负极材料难以满足这一要求,而金属锂作为负极其理论比容量比石墨高一个数量级,高达3860 m Ah g^-1,且具有低的电势（-0.304 V vs SHE）和低的密度(0.534 g cm^-3),被认为是下一代电池最理想的负极材料。但金属锂作为负极面临以下几点挑战:一是锂枝晶的生长严重影响了电池的安全性;二是充放电过程中的体积膨胀无法有效的得到控制;三是负极表面固态电解质膜（SEI）的稳定性差,导致电解质的持续消耗。因此金属锂负极的稳定化是其走向应用的关键。通过使用多孔结构集流体替换传统的铜箔平面型集流体,可以提供大的表面积和足够的扩散通道来平衡锂离子的电荷传输和传质,进而抑制锂枝晶的生长。但目前所报道的三维铜集流体的孔容低,金属锂负载量有限,尤其无法在高倍率下工作,严重制约了金属锂负极的性能发挥。因此针对金属锂负极的发展需求,开展新型三维铜集流体的合理设计及合成得到稳定的金属锂负极的研究具有重要理论价值和实践意义。本文面向三维多孔铜集流体及金属锂复合负极的规模制备与应用,一是提出了三维多孔铜集流体制备的新方法;二是发展了金属锂稳定化的新策略;三是提供了金属锂复合负极规模化制备的新途径。在此基础上,深入探讨了锂枝晶的生长机理和稳定化机制,系统研究了锂金属电池的器件组装与性能优化,为高能量密度电池的研制提供了实验支撑和理论依据。本文取得的主要研究结果如下:1.采用粉末烧结法制备了一种自支撑三维多孔铜（3D Cu）集流体。该集流体具有较大的孔容,能够容纳高达15.8 m Ah cm^-2的金属锂,解决了现有三维铜集流体的金属锂负载量低的问题。此外,该3D Cu集流体在1 m A cm^-2的电流密度下,循环500圈依旧保持极高的库伦效率。组装的对称电池可在1～50 m A cm^-2范围的电流密度下稳定循环,在50 m A cm^-2大电流密度下的过电势仅为286 m V。利用该稳定复合负极与磷酸铁锂（Li Fe PO₄）正极组装成Li/3D Cu|Li Fe PO₄全电池,它们均表现出良好的循环稳定性和高容量保持率。所组装的Li Fe PO₄软包电池展现出高的放电比容量(122 m Ah g^-1)和长的循环寿命,并具有较好的抗弯折性,展示了其作为下一代高能量密度电池的发展潜力。2.利用Cu粉的颗粒堆积结构构建动态智能型3D Cu集流体。在该结构中,铜微米粉是通过物理粘附作用连接成膜的,当锂的沉积量超过其堆积孔容时,铜微米粒子通过自动调节颗粒间距来容纳更多的锂,展示了“智能”的自适应行为。通过改变3D Cu的厚度（25～400μm）制备出不同孔容的集流体,满足了不同梯度Li沉积量(1.14～28.6 m Ah cm^-2)的需求。厚度为100μm的动态智能型3D Cu集流体可以实现大负载量的Li沉积(12 m Ah cm^-2),该复合负极在长期沉积/溶解效率高达99%,并且在10 m A cm^-2的电流密度下,其对称电池依然保持1000 h以上的超高稳定性。这种动态智能型3D Cu集流体为实现金属锂负极的稳定化,尤其为解决体积变化引起的应力问题提供了一种新的思路。3.将金属锂粉与铜粉混合制成浆料,再将其涂覆在铜箔集流体上,一步形成了三维多孔结构的金属锂复合负极。一步涂覆法制备金属锂复合负极具有制备方法简单、易于规模生产、Li负载量定量可调等优点,有效解决了金属锂与集流体难于复合这一问题。在该金属锂复合负极中,铜粉构成的3D多孔结构对锂起到了稳定化的作用,抑制了锂枝晶的生长。所制备的复合负极在半电池体系中展现出高的循环效率,100次循环后其库伦效率高达99.8%。对称电池体系中,该复合负极在20 m A cm^-2的电流密度下保持较低的过电势。在与Li Fe PO₄匹配的全电池体系中,2 C倍率下电池循环200圈后,比容量仍高达148 m Ah g^-1,表现出优异的循环稳定性。4.利用超大长径比铜纳米线制备了自支撑三维多孔铜集流体。该集流体具有优异的导电性、柔韧性和可膨胀特性,可实现大负载量的Li沉积(10.25 m Ah cm^-2)。自支撑铜纳米线网络集流体同样具有“动态智能”行为,可通过体积膨胀有效缓解金属锂体积变化产生的应力。所制备的金属锂复合负极在5 m A cm^-2的电流密度下,循环4000小时仍然保持低的极化电压。将其组装在Li|Li Fe PO₄和Li-S全电池中分别展现出高的放电比容量、良好的倍率性能和优异的循环稳定性。通过对两种全电池的正负极容量匹配性的优化,揭示出在Li|Li Fe PO₄全电池中,正负极的容量的最佳匹配比为1:1.2;在Li-S全电池中,最优匹配比为1:4.0。该研究为锂金属全电池的研制提供了实验依据。