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日益增长的储能需求不断激发科学家投入到新型的储能器件和储能材料的研发当中去。新型固态金属锂电池具有更高的能量密度和更好的安全性能，而在大规模储能领域，二次水系锌锰电池则具有廉价环保高效等优势。本论文主要从上述两种新型储能器件，围绕电极结构设计方面解决两大核心问题:1.固态金属锂电池中正极材料颗粒与固体电解质间的固固界面接触问题。2.二次锌锰电池中锌负极枝晶的生长问题。由此，主要开展了如下四部分工作: （一）三维金属铝阵列用于具有梯度固化固体电解质的金属锂电池 固态金属锂电池体系中通过应用固体电解质代替传统的液体电解质，可以实现更高的能量密度，更优异的安全性能和更多样性的结构设计。虽然目前的研究进展中，聚合物类固体电解质的离子电导率能够满足室温下工作的需求，且机械强度可以抑制锂枝晶的生长，但是因电极材料与固体电解质之间固固界面的产生，带来了新的离子传输困难，高界面电阻等问题。这其中，正极侧正极材料颗粒与固体电解质之间的固固界面接触问题尤为突出，严重影响了固态金属锂电池的倍率性能。本工作中，通过激光打孔技术，在平板铝基底中制造出了具有一定排布规则的盲孔阵列，并通过高压灌注的方式将五氧化二钒正极颗粒灌注于三维铝基底的孔道内部形成三维复合正极，通过光引发聚合的方式将固体电解质的前驱体原位聚合于复合电极上，从而实现了聚合度随结构深度变化的固体电解质的原位形成。由于光引发聚合反应是一个短时间的反应过程，反应进行程度受光强因素影响，在三维铝阵列表面，光强分布均匀，差异小，但是在孔道内部，光强随孔道深度增加而明显减弱，从而使低聚合度电解质集中于孔道内部，以改善与正极材料颗粒间的界面接触，高聚合度的固体电解质主要集中于集流体表面，用来抑制负极侧锂枝晶的生长，提高循环稳定性。这一设计将三维集流体，纳米颗粒正极和梯度固化固体电解质三者相结合。带有空穴的空心球状五氧化二钒作为正极的梯度固化固态金属锂电池可以实现在5C的倍率下，300次以上的稳定循环，每圈的容量损失率仅为0.07％。该结构设计证明了梯度固化的固体电解质在改善正极侧固固界面接触，降低界面电阻，提高固体金属锂电池倍率性能方面的有效性，将为未来固态电池结构设计方面提供指导和借鉴。 （二）含锂类正极材料用于基于梯度固化固体电解质的金属锂电池研究 固态金属锂电池具有更高的能量密度和更好的安全性能，然而固体电解质与正极材料间存在着固固界面，带了新的基于电池结构设计方面的问题，在解决界面接触，降低界面阻抗等方面存在着挑战。本工作基于含锂类正极材料与光引发聚合的固体电解质而开展，通过引入三维集流体，实现固体电解质在负载了含锂正极的三维集流体上的原位梯度聚合过程，在改善固固界面接触的同时，在锂负极侧使固体电解质达到高机械强度以实现对锂枝晶生长的抑制作用。针对现有的商业化磷酸铁锂正极和三元材料NCM523正极，基于该结构体系的金属锂电池均能实现稳定的循环性能和优异的倍率性能。该解决方案为更多的针对固体金属锂电池固固界面优化方面的研究提供了指导。 （三）激光构造技术制备三维正极结构用于固态金属锂电池研究 针对于基于固体电解质的金属锂电池体系，如何在满足良好电极界面接触的同时，提升正极侧活性物质的负载量，实现具有高能量密度的固态金属锂电池体系结构设计，是最具挑战性的课题之一。在此目标为前提下，本研究工作通过激光结构构筑技术，实现了在通过传统涂布工艺得到的二维正极结构中，原位构筑三维网格状孔道，通过原位聚合反应，改善正极颗粒与固体电解质界面间的界面接触问题。通过紫外光引发，梯度固化的固体电解质被引入三维正极结构中。实现了在高负载量三维正极中同步合成兼具位于垂直分布于孔道中的低聚合度固体电解质用以改善界面接触，以及位于三维活性层表面的高聚合度，高机械强度的固体电解质以抑制锂枝晶的生长。这一优异的结构设计可在基于磷酸铁锂正极的固态金属锂电池中，实现在高电流密度(4C)下稳定工作，电池容量得以稳定发挥。这一设计思路有助于改善固态电池体系的动力学特性，在充分发挥高负载量电极材料自身容量的同时，提升了电池的整体稳定性，为固态金属锂电池在生产中的实际应用提供了深刻的指导意义。 （四）恒电位沉积法制备三维碳纤维/锌复合负极用于二次水系锌锰研究 二次可充放水系锌锰电池的研发，有利于节约资源，降低成本，在大规模储能器件和设备中具有广泛的应用前景。然而，金属锌负极在充放电的过程中，由于锌离子的不均匀沉积及其他副反应的发生，会产生类似于金属锂负极中的枝晶生长问题，容易刺穿隔膜，造成电池短路等安全隐患。本部分工作通过在恒电位下（-1.4V相对于SCE电极），在亲水性高导电碳纤维表面沉积金属锌，实现了三维复合锌负极的制备，这一锌/碳复合结构极大的提升了三维锌负极的比表面积，增加了电化学活性位点和反应面积，提高电子传输速率，将锌离子的沉积/脱出行为由不均匀沉积过程转变为三维均匀沉积过程。基于α相的二氧化锰纳米线正极和以锌/碳复合三维负极的二次水系锌锰电池全电池体系，可以在1C的电流密度下实现140圈的稳定循环，且容量保持率在88％以上。这一优异的结构设计为以金属锌为负极的水系锌离子电池在抑制锌枝晶生长方面提供了借鉴和指导。