锂离子电池是目前应用最为广泛的储能方式,但在快速发展的今天,锂离子电池的能量密度难以满足作为动力电池的需求,因此开发新型高能量密度电池是当前研究的重点。而锂空气电池以其极高的理论能量密度(11,400 kWh),环境友好等特性受到广泛关注,但是锂空气电池仍存在较多问题,如正极放电产物沉积导致失效、金属锂负极易受到腐蚀、正极催化效率较低等问题。其中正极优化是解决锂空气电池难题的重要手段。因此本文采用价格低廉、催化性能优秀的四氧化三铁与碳纳米材料进行复合作为锂空气电池的正极材料。本文通过一步回流法制备了四氧化三铁-碳纳米管复合材料并进行了锂空气电池性能的测试。在物理表征的过程中可以看出制备得到的碳纳米管在四氧化三铁的作用下相互交联形成了均匀网络状的结构。在0.5 A/g的电流密度下,首次放电容量达到7200 mAh/g;在0.5 A/g的电流密度,限制容量为500 mAh/g的条件下可稳定循环84次。在SEM图像中可以看出,放电产物以四氧化三铁复合碳纳米管网络结构为基底定向生长,防止了输氧通道的堵塞,进而提高了正极的电化学性能。本文通过一种模板化学气相沉积法制备得到了三维石墨烯,并通过旋涂的方式首先在模板上负载增韧剂,然后在生长石墨烯的过程中形成共价键增韧的三维石墨烯。本文对采用不同增韧剂制备的三维石墨烯进行了原位力学拉伸测试。在测试中可以发现石墨烯纳米带增韧效果更显著,且三维石墨烯具有超弹性现象。此外采用碳纳米管增韧的三维石墨烯作为锂空气电池的正极材料。在DME体系中达到了接近12,000 mAh/g的比容量(电流密度0.5 A/g);以TEGDME作为电解液时,0.5 A/g的电流密度下依然有7500 mAh/g的电流密度。本文在化学气相沉积制得的三维石墨烯上进行负载形成铁-氮-碳结构,并最终得到了氮掺杂铆钉三维石墨烯,SEM结果表明在三维石墨烯表面均匀分散了氮掺杂碳壳包覆的四氧化铁阵列。本文系统研究了铁-氮-碳结构对于锂空气电池性能的提升作用。在0.5 A/g的电流密度下,限制容量为1000 mAh/g可稳定循环30次,且电压平台无明显下降。