随着全球能源危机和日益严重的环境问题,可再生新能源（太阳能、风能、潮汐能等）的大力发展势在必行。然而,这些可再生能源生产地域和可利用时节无法均衡,制约其的发展。近年来,具有高能量密度和长循环寿命的储能装置逐渐引起了人们广泛的关注。在众多的电池储能系统中,基于有机电解液的锂空气电池因其极高的理论能量密度而引起人们广泛关注。但是,目前锂空气电池仍面临诸多的挑战,如缓慢的氧化还原反应通常会导致低的比容量、高的过电势和较差的循环稳定性等问题。另外,锂空气电池的放电产物不容易溶解并且具有差的导电性,这极易阻塞空气催化正极并使电池不能工作。所以,设计具有高催化活性的多孔催化剂对于锂空气电池极为重要。此外,锂负极在电池循环过程中会不断被极化和腐蚀,这也是限制锂空气电池电化学性能的关键因素。因此,本论文着重于对高效空气催化电极的制备及金属锂负极的优化进行探究:我们合成MOFs衍生物,将其用贵金属进一步优化后得到高效空气催化剂并应用在锂空气电池中;此外,我们还设计了铅笔痕迹负载的氮,硫双掺杂碳纸集流体,以此为基底通过简单的预储锂策略构建高性能锂负极,并将其应用在锂空气电池中。研究成果如下:（1）我们合成立方体ZIF-67前驱体,通过对其高温热解得到嵌有Co4N/Co纳米颗粒的氮掺杂多孔碳立方体（Co4N/Co-NC）,并在Co4N/Co-NC立方体表面负载钌纳米粒子层得到Ru-Co4N/Co-NC。Co4N/Co-NC的多孔碳骨架有效促进电子/离子和O2的扩散并抑制Co基活性位点的团聚。而且,Co4N/Co-NC中均匀分布着大量的Co4N/Co纳米粒子及其表面富含N元素。这都有效地提高了锂空气电池的ORR/OER催化性能。此外,Ru纳米层有效降低锂空气电池的副反应。以Ru-Co4N/Co-NC为正极催化材料的锂空气电池具有较好的电化学性能。（2）得益于MOFs衍生物在锂空气电池中的独特优势,我们在工作（1）的基础上对MOFs衍生物进行了更细致的制备及在锂空气电池中的研究。首先,我们合成了双金属Co/Zn-ZIFs并对其进行热解,合成了Co/CoxN纳米颗粒嵌入的并表面带有大量碳纳米管的多孔氮掺杂碳纳米立方体（Co/CoxN-HP/NC-CNT）。将Ir涂覆到该材料表面对其进行了进一步改性,以获得Ir涂覆的Co/CoxN-HP/NC-CNT（Ir@Co/Co_xN-HP/NC-CNT）。由于Co/Co_xN纳米颗粒,CNT和碳骨架等的存在,Co/CoxN-HP/NC-CNT不仅显示出优异的电子导电性,而且还明显促进了锂空气电池的ORR/OER动力学。此外,高温煅烧中锌的挥发导致Ir@Co/Co_xN-HP/NC-CNT中大量孔和CNT的形成,这可以促进O₂/电解质的自由转移并提供了合适的空间存储放电产物。此外,Ir涂层可以在非常低的放电/充电过电势下进一步减少副反应的发生并促进锂空气电池的可逆反应。在此,基于Ir@Co/CoxN-HP/NC-CNT的锂空气电池表现出良好的性能,例如高比容量,好的倍率性能和长循环寿命。（3）为了应对锂负极在锂空气电池中的挑战,我们对传统的金属锂负极进行了优化改进。我们首先通过电聚合法等制备了负载硫脲/吡咯的碳纸集流体,随后通过热解后得到了氮,硫双掺杂的碳纸（NS-CP）,并进一步在NS-CP表面负载铅笔痕迹得到石墨碳层（GL）修饰的氮,硫双掺杂的碳纸（GL/NS-CP）。最后通过熔融法构筑了含锂的GL/NS-CP（Li-GL/NS-CP）电极。我们通过理论计算发现N,S双元素共掺杂可以有效地提高碳纸表面的亲锂性。因此,金属锂可以在NS-CP上均匀成核。而且GL还进一步增强GL/NS-CP表面的润湿性,有效提升金属锂在NS-CP框架的分散速率。另一方面,GL/NS-CP不仅可以有效降低实际界面电流密度以抑制锂枝晶,而且还具有出色的热稳定性和电化学稳定性。含Li-GL/NS-CP负极的对称电池,电极在不同电流密度循环后几乎没有明显的锂枝晶生长和体积变化现象。当Li-GL/NS-CP作为负极应用在锂空气电池中,电池可以稳定的循环。并具有优异的电池可逆性。总之,此论文中一方面我们合成设计了多种金属-有机骨架（MOFs）衍生物,并对其表面掺杂贵金属纳米粒子得到高效的锂空气电池正极催化剂材料（如Ru-Co₄N/Co-NC和Ir@Co/Co_xN-HP/NC-CNT）,并把优化得到的空气电极催化剂材料应用在锂空气电池中进行性能研究。实验结果表明:贵金属纳米粒子（钌,铱等）对MOFs衍生物进行修饰后得到具有高催化活性的空气电极催化材料,极大提高了锂空气电池中的电化学性能。另一方面,本论文设计制备了铅笔痕迹负载的氮,硫双掺杂碳纸集流体,以此为基底通过预储锂构建高性能锂负极,并将其应用在锂空气电池中,极大地避免了电极在锂空气电池循环中的极化,稳定电池循电压并延长电池循环寿命。