Li-O₂电池因具有与石油相当的高比能量密度,有望实现电动汽车一次充电行驶800公里的目标,而成为研究的热点之一。但是Li-O₂电池极化大,能量转换效率低,循环性能差以及电解液易分解等问题,严重阻碍了Li-O₂电池的实际应用。其中放电时生成较多不易分解、不可逆的副产物,是导致Li-O₂电池性能衰退的重要原因。因此,加深对放电产物的成核、生长与分解过程的理解是构建高效、高比能Li-O₂电池的关键所在。本论文基于碳纳米管正极骨架,从材料的结构设计、界面处理以及放电产物的调控入手,研究了有机电解液体系Li-O₂电池中的关键科学问题。主要研究成果如下:（1）选取性能优异的碳纳米管作为Li-O₂电池正极骨架,在碳管表面沉积导电性不同的纳米颗粒,获得Li-O₂电池复合正极。经过前期调研,选取了氧化铝Al₂O₃（绝缘体）,二氧化钛TiO₂（半导体）,N型硅Si（导体）三种靶材,通过ALD（原子层沉积）/PVD（真空磁控溅射）方法与碳纳米管进行复合。通过改变沉积条件,调控沉积在碳管外壁上的纳米颗粒的尺寸和比例。对比不同复合电极上的放电产物形貌,发现放电产物的生长方式与材料的导电性密切相关,且复合正极上的Li-O₂电池放电产物尺寸都在100 nm以下。与空白CNTs正极相比,复合正极的Li-O₂电池充电过电势会有5%-20%的降低。（2）空白CNTs做Li-O₂电池时,生成的放电产物为100-200 nm环状结晶Li₂O₂,容量为1500 mAh g^-1,过电势高达1.7 V。而采用真空磁控溅射方法制备的Si/CNTs复合正极,生成的放电产物为10-20 nm非晶态含有缺陷的过氧化锂纳米颗粒,容量达到3450 mAh g^-1时充电电压仍保持在3.5 V,过电势仅为0.72V。该复合电极极大地提高了Li-O₂电池的能量效率。这是由于当N型Si纳米层（3-5 nm）均匀覆于其外壁时,原先的缺陷处被填补,所有的Si纳米颗粒处都成为反应活性位点。这样的结构不仅有效提高了碳纳米管的稳定性,还极大地增多了反应位点。放电时产物同时成核生长,产物更多且趋向于生成小尺寸的非晶态含有缺陷的过氧化锂颗粒。（3）采用真空磁控溅射方法将P型Si和本征型Si均匀覆于碳纳米管外壁,进一步探究不同导电方式的正极材料与放电产物生长的关系。研究发现,不同导电方式的复合电极会影响Li-O₂电池放电产物优先生长的位置。含P型Si的碳纳米管极片上,Li-O₂电池放电产物易生长在P型Si与CNT的界面处,在充电时容易分解。含本征型Si的碳纳米管极片上,Li-O₂电池放电产物呈球状颗粒生长在碳管交接处,产物尺寸越大,分解电压越高。