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锂空气电池由于其高的能量密度,受到了人们广泛地关注,被认为是替代锂离子电池下一代新的储能系统。但是,目前锂空气电池存在能量效率低、倍率性能差、循环寿命短等问题,导致其难以实现实际应用。空气电极催化剂的设计和开发是解决这些问题的关键方法之一。本论文设计和开发了两种高效双功能催化剂用于锂空气电池当中。一是通过静电纺丝法合成了大孔/介孔多级孔结构La0.5Sr0.5CoO3-x纳米管(HPN-LSC)。HPN-LSC的直径为118.2±1.2 nm,表面存在大孔和介孔的多级孔结构,大孔尺寸在50-80 nm之间,介孔尺寸在2-10 nm之间,比表面积为17.18 m2/g(传统的方法合成的钙钛矿材料表面积大多小于5 m2/g)。通过XRD、TEM对其晶体结构进行了表征,得到很纯的钙钛矿结构。将HPN-LSC作为催化剂制备的空气电极用于锂空电池中,得到了非常优异的电化学性能。在0.1 mA cm-2的电流密度限制500 mAh/g比容量下,电池能保持50圈的循环(无HPN-LSC的添加的电池仅仅只能保持13圈)。二是通过静电纺丝法和水热合成法结合的方法在碳纳米纤维上生成了三维NiCo2O4多孔纳米片阵列,纳米片的厚度大约6-10 nm,纳米片的孔大约在10-20 nm之间。这种三维NiCo2O4多孔纳米片阵列与碳纳米纤维复合结构的优势:一是三维阵列高比表面积,BET比表面积高达178.5 m2/g,有利于电解液与催化剂之间、氧气与催化剂之间的接触;二是分级介孔结构,存在5-10 nm以及20-40 nm的两个孔径分布,这些孔有利于氧气和锂离子的传输以及放电产物的存储;三是NiCo2O4纳米片本身具有比较好的导电性以及其直接生长在碳纳米纤维上有利于电子的传输。将三维NiCo2O4多孔纳米片阵列复合碳纳米纤维材料用于锂空气电池中,提高了锂空气电池的效率、倍率性能以及循环寿命。在500 Am/g的电流密度下,NiCo2O4/CNF/KB空气电极电池的放电比容量仍然保持6127Amh/g;在电池限制500 Amh/g的比容量和250 mA/g条件下,NiCo2O4/CNF/KB空气电极能够保持100圈(KB:27圈;CNF/KB:42圈)。本文采用XPS、Raman初步探索了锂空气电池的反应机理。通过XPS、Raman等表征手段成功检测到放电产物为过氧化锂,并且证明在充放电过程中过氧化锂能够可逆转化。