近十年来,锂-空气电池由于其极高的理论能量密度受到世界范围的关注与研究。该电池正极活性物质为氧气,可以从空气中获得,故而电池更轻更廉价。因为这些优势,锂-空气电池被认为是极具前景的下一代能源存储装置。除了这些优势,锂-空气电池仍然面临许多挑战。其中最大一个挑战来源于有机液态电解液的使用。有机电解液可能会导致挥发、泄漏、燃烧和爆炸事故。另外,因为使用锂金属负极,锂枝晶会持续生成并刺破电解液层,引起短路事故。特别的,对于锂-空气电池而言,该体系正极设计为开孔结构以吸纳活性物质氧气。如果在空气中使用的话,二氧化碳和水会渗入电解液并迁移与锂负极反应,严重危害电池性能。为了解决这些问题,用无机固态电解质替换有机液态电解液是一种不错的方法。然而,全固态锂-空气电池仍处于开始发展阶段。各种关键的科学技术问题需要解决。其中之一是缺乏性能优异的固态电解质。其次,较高的充放电过电位也会导致低的能量转换效率以及差的循环寿命,这就要求科学家研发更加高效的催化剂。另外,固态电解质和锂负极的界面接触问题也需要解决。为了处理上述的问题,本文在本工作中投入大量的时间和精力。本工作主要创新点可以归纳如下:1、基于SWCNTs/LAGP复合空气正极的全固态锂-空气电池研究:通过固相法制备得到的LAGP固态电解质锂离子电导率超过10-4S·cm-1。本文采用SWCNTs/LAGP纳米复合催化剂,并且使用LAGP作为固体电解质,金属锂作为负极来组装全固态锂-空气电池。SWCNTs良好的电子导电性、大的比表面积以及良好的结晶度有利于电化学反应的进行。首圈充放电显示,使用LAGP/SCNT复合正极的全固态锂-空气电池高达2800 mAh g-1,高于只有1700 mAh g-1放电容量的使用MWCNTs/LAGP复合正极的电池。使用SWCNTs/LAGP复合正极的全固态锂-空气电池在限定容量为-1000 mAh g-1显示出良好的循环性能。然而,由于CO2和H2O的影响,该电池在空气中的电化学过程与在氧气中有很大不同。另外,正极材料也需要进一步改进为三维多孔结构,并且高效的催化剂也需继续开发。2、基于RuO2@SWCNTs/LAGP复合空气正极的全固态锂-空气电池研究:本文采用SWCNTs、RuO2纳米颗粒和LAGP颗粒组成的复合空气正极组装了全固态锂-空气电池并在室温下空气中测试了其电化学性能。由于RuO2催化剂具有优秀的催化活性,含有RuO2催化剂的电池充电过电位显著降低。另外,放电至1000 mAh·g-1时,空气电极表面均匀的覆盖了尖片状的放电产物;当放电至2 V时,放电产物完全包覆空气电极表面,形成褶皱状。FTIR以及XPS表征验证了该产物为Li2CO3。恒电流间歇滴定实验表明该电池在氧气氛围的平衡电位在2.96 V而在空气中平衡电位则为3.15 V。这些结果表明,全固态锂-空气电池在氧气中充放电过程对应于过氧化锂的生成与分解,而在空气中,反应过程则与H2O有关。3、全固态锂-二氧化碳电池的设计与性能研究:RuO2和SWCNTs作为复合催化剂、LAGP作为固体电解质、金属锂作为负极组装全固态电池可以在纯CO2氛围中运行。该电池具有1046 mAh g-1的首圈放电容量和1025 mAh·g-1的充电容量。限定充放电容量的条件下,该电池可以稳定循环十圈。另外,升高温度可以显著改善电池的电化学性能。SEM观测到电极表面膜状的放电产物,FTIR和XPS表面该产物为Li2CO3。原位气相质谱实验证明二氧化碳是唯一气体产物,也验证了全固态锂-二氧化碳电池中,Li2CO3在充电过程中是可以被分解的。4、镀锗薄膜保护固态电解质-锂负极界面的固态锂-空气电池设计与研究:通过离子束溅射的方法在LAGP固态电解质片上进行沉积一层锗纳米薄膜,显著提高了 LAGP电解质对锂片的稳定性。该锗薄膜不仅有效地缓解四价锗被锂金属还原的问题,而且还可以通过形成一层合金层促进电解质和电极界面接触并且极大地降低界面阻抗,显著提升了电池循环寿命。电化学阻抗谱以及充放电曲线表面镀锗样品组装的对称电池性能相对于未镀锗样品显著提高。进一步SEM和XPS研究显示锗薄膜对于界面稳定性的提高有着积极的作用。本文使用锗保护的固态电解质片组装了一个准固态锂-空气电池。该电池在室温下空气环境中循环30圈没有衰减。该工作表明添加稳定和高离子电导的薄膜缓冲层是提高固态锂-空气电池性能的一种重要手段。本工作所有的数据与分析都有助于全固态锂-空气电池的发展。本工作也认为全固态锂-空气/氧气/二氧化碳电池是极具前景的未来能源储存体系。这种固态电池的设计与制备以及高效催化剂的研发需要进一步进行。