为了应对日益严峻的全球能源危机和环境保护问题,同时确保人类生存和社会经济发展,探索开发新能源体系是最好的应对措施。其中,Li-O2电池作为新一代储能设备展现巨大潜力和广阔应用前景,具有极高的理论比能(11430 Wh kg-1),远远超过了商用锂离子电池的250 Wh kg-1,甚至可与燃料油体系的比能相媲美(13000 Wh kg-1)。迄今为止,对Li-O2电池的研究已经取得长足进步,但是,实际放电容量低,倍率/循环性能差,往返效率低等缺陷严重制约了其实用性。众所皆知,氧电极的合理结构和催化活性是影响Li-O2电池性能的首要因素。鉴于此,本论文着眼于Li-O2电池氧电极的设计,主要通过优化氧电极结构提高电池性能,主要工作如下:1、选用细菌纤维素为原料,利用其三维空间网络结构,柔韧性强及结构稳定性高等特点,通过冷冻干燥、碳化、活化、氮掺杂过程,设计制备了具有高比表面积和高度微介孔结构的碳化细菌纤维素基氧电极（CBC）、活化细菌纤维素氧电极（CBC-KOH）以及N掺杂细菌纤维素氧电极（CBC-U）。细菌纤维素纳米纤维相互交错形成大量微介孔,有利于锂氧电池中反应物的运输。而活化改性使碳化材料的介孔和大孔结构增加,可容纳更多放电产物。此外,掺杂改性可进一步改善材料性能,提高电池的ORR活性。CBC-KOH氧电极面积比容量为4.15 m Ah cm-2,相比于CBC氧电极电化学性能大大提高。2、选用生物质天然木棉纤维为前驱体,并对木棉纤维进行碳化、活化、氮掺杂处理并锚定Ru纳米颗粒,设计制备了三维多孔管状木棉基氧电极（KAC-CO2-NH3/Ru）,该氧电极保留了木棉纤维的中空管道结构,且管壁上均匀分布大量微孔和介孔,大大增加了固-液-气三相反应界面,不但有助于氧气传输和电解液的渗透,而且有利于放电产物的存储。由于材料的独特结构和纳米Ru的共同作用,KAC-CO2-NH3/Ru木棉基氧电极表现出较高的面积比容量6.41 m Ah cm-2,质量比容量9971 m Ah g-1;限定容量600 m Ah g-1可稳定循环233圈。此外,该材料还显示出高倍率性能和高可逆性。3、碳材料在Li-O2电池充电过程中会与电解液发生副反应,材料稳定性差,因此寻找非碳材料作为氧电极具有重要意义。Mxene材料具有类石墨烯的高比表面积、高电子电导率、高充放电电化学稳定性;此外,其独特的多层结构有利于电解液的渗透,同时可减轻放电产物沉积和分解过程中电极体积变化。基于此设计构筑了自支撑三维氧电极。随后,通过机械插层处理和尿素掺杂处理,探索性制备了高度分层的E-Ti3C2Tx氧电极和氮掺杂P-Ti3C2Tx氧气电极。结果表明,经过机械插层和表面处理后的Mxene材料片层堆叠程度有效减小,比表面积增大,充放电容量有明显提高。