锂空气电池作为一种新型电池体系,由于其超高的理论能量密度(3600 Wh kg^-1)受到人们广泛关注。然而当前锂空气电池的发展正处于基础研究阶段,一些关键的科学和技术问题尚未解决。这些问题包括由反应动力学缓慢导致的能量转换效率较低;由正极传质缓慢带来的倍率性能较差;由电化学稳定性能较差导致的循环寿命短;由负极枝晶、粉化、腐蚀等带来的安全性能差,限制了锂空气电池的进一步发展。针对上述问题,我们在开发新型催化剂及催化机制方面开展了研究,取得的成果如下:利用反相双溶剂法将Ru纳米簇封装到孔状有机笼中,成功制备出高分散、高反应活性的RuNCs@RCC3催化剂,将其应用于锂空气电池中,展现出优异的电化学性能。RuNCs@RCC3催化剂与传统的固体Ru纳米粒子催化剂相比,电池的充放电效率、放电容量、倍率性能以及循环寿命等方面都得到了显著的提高;通过SEM和XRD对电池不同阶段的放电产物进行测试发现,RuNCs@RCC3电催化剂能够直接在Li₂O₂的顶部催化电化学反应,显著提高了放电产物的导电性,最终降低了电池的反应极化电压,提高了电池的循环稳定性。采用原位聚合方法制备高分散的氮掺杂钴单原子（N-HP-Co SACs）,并用作锂空气电池正极电催化剂。由于单原子钴催化剂在空心碳球壳上的均匀分布,与同等含量的贵金属催化剂Pt/C相比,电池展现出更优异的电催化性能和超高的电化学稳定性。通过实验结果发现,均一分散的单原子与碳球壳之间的协同作用可以调节放电产物均匀成核,生成纳米片状的放电产物,有利于随后充电反应的进行。理论计算证明,与商业Pt/C催化剂相比,N-HP-Co SACs催化剂对LiO₂具有更低的吸附能,从而增加了电解液中的LiO₂的浓度,促进充电过程中电化学反应由两电子路径向单电子路径转变。在循环过程中,我们进一步通过HAADF-STEM和XAFS对催化剂进行测试,发现催化剂并没有发生形态上的团聚和成分上的改变,表明单原子催化剂在电池中的超高的电化学稳定性。