近些年来,随着电气化和电子设备便携化的发展,人们对电池的能量密度有了更高的追求。当前的锂离子电池已经无法满足人们的迫切需求,于是具有高能量密度的锂空电池受到广泛的关注。锂空电池的理论能量密度可以达到3450 Wh kg-1,是当前锂离子电池的10倍左右,因此锂空电池具有广阔的发展前景。过去二十年来,世界各国的研究者对锂空电池进行了密集的研究,在电池性能的优化和电池机理的探索上都取得了很大的进展。但是当前锂空电池仍然不能广泛地应用,其中一个重要的原因就是此前的研究都是在纯氧气的环境下进行的,当电池在开放的空气中运行时,空气中的二氧化碳、水和氮气等组分会对电池的性能和机理产生深刻影响,理解这些作用是推进锂空电池应用的重要一步。本论文主要集中在二氧化碳和氧气的相互作用上,并使用不同的策略来提升锂氧气/二氧化碳（Li-O2/CO2）电池的性能,主要内容如下:1.为了解决Li-O2/CO2电池的放电产物碳酸锂难以分解的问题,合成了负载钯纳米颗粒的碳纳米管催化剂,将其作为正极来促进碳酸锂的分解并降低充电过电位。此外,CO2能够捕获具有攻击性的超氧根中间体,减少副反应。CO2还能够促进负极上碳酸锂保护层的生成。因为CO2带来的这些优点,Li-O2/CO2电池最终的循环寿命能够超越Li-O2电池,本工作使我们重新认识到了 CO2的作用;2.我们使用严格密封的电池装置研究了痕量O2对Li-CO2电池的影响,同时解决了 Li-CO2电池可行性的问题。结果发现,只要有0.5%的O2存在于CO2中,Li-CO2电池的电位就能够提升至2.5V以上。真实的Li-CO2电池的电位要更低,原因是CO2还原的动力学要比Li-O2电池中O2还原动力学要差。尽管如此,Li-CO2电池在低电位下是可以放电的,放电产物是碳酸锂和碳。本文的结果表明,未来研究Li-CO2电池时,需要避免O2的影响;3.为了解决Li-O2电池和Li-O2/CO2电池在长时间循环后正极上产物堆积的问题,我们提出了过充的方法来使残留产物分解从而延长电池的循环寿命。过充之后,正极上的残留产物可以分解,从而暴露出活性位点,促进离子和电子的传输。过充可以重复多次,结合稳定的锂负极,Li-O2电池和Li-O2/CO2电池的循环寿命能够提升五倍以上。这种策略具有普适性,在钠氧电池和钾氧电池中也同样适用;4.针对砜类和醚类电解液在高压下不稳定的问题,我们在Li-O2/CO2电池中使用商业碳酸酯电解液,碳酸酯能够耐5.1 V的电压,不会在电池充电的电压下分解。同时,Li-O2/CO2电池中,生成的超氧根能够被CO2捕获,因此碳酸酯电解液与中间体也是稳定的。与传统的Li-O2/CO2电池电解液相比,锂负极在碳酸酯电解液中具有更好的可逆性,并且正极上碳酸锂的分解更加彻底。因此,使用碳酸酯的Li-O2/CO2电池能够获得更长的循环寿命。