锌-空气燃料电池作为一种绿色可再生能源,由于其较高的比功率密度(1086 W hkg-1)和可逆循环性能越来越受到电化学科研工作者的广泛关注。但在阴极氧气参与的反应较为缓慢,仍然是制约锌-空气燃料电池发展的主要因素。同时,一个合理的电池结构也会大大影响锌-空气电池的充放电性能。本论文围绕锌-空气电池结构的设计与改进,可充放电双功能催化剂的制备和新型空气电极结构的设计进行了一系列研究。具体研究内容如下:(1)首先建立起锌-空气电池测试平台,保证了实验中电池测试的准确性。并通过简单的控制变量法,确定出影响电池性能的基本因素,发现了符合锌-空气电池测试的普适性规律:锌-空气电池放电时,缩小正负极间的距离可以减少电池内阻,从而提高电池放电性能。在一定的工作范围内,采用相同的碳纸作为空气扩散层,空气电极一端反应物的影响只是氧气的浓度,和空气的传质量没有很大的影响。在进行充放电测试条件优化时,发现通过在空气电极一端增加不锈钢网,可以提高充放电性能,增加电池稳定性。自制的泡沫镍空气电极具有更加优秀的稳定性,为之后的实验提供了实验思路。(2)通过热解聚苯胺,采用牺牲模板法制备出了铁,镍,硫,氮掺杂的多孔碳基材料催化剂。由于铁,镍,硫,氮四种元素的掺杂,创造了高活性位点,展现出较高的氧还原和氧析出性能。在0.1 M KOH电解液中,氧还原和氧析出电势差仅有0.66 V,低于商业贵金属Pt/C和IrO2,将此催化剂组装成锌-空气电池进行测试,可展现出较好的充放电性能。(3)设计了一种新型的空气电极结构,通过水热合成的方法,以泡沫镍为基底,进行铁钴镍氢氧化物的原位生长,并以此作为导电基底和氧析出反应的催化剂。同时制备出较为稳定的锰钴尖晶石作为氧还原催化剂。使用两种材料制备出混合可充放电锌-空气电池,该电池具有良好的稳定性和优异的充放电性能,在10 mA/cm2的工作电流密度下,稳定放电电压为1.13 V,充电电压保持在1.91 V,展现出0.78 V的充放电电压降,可持续稳定工作500 h,性能大大优于商业贵金属催化剂。此新颖的空气电极制备方法可以为之后的研究提供一些思路。