锂空（氧）气电池具有超高的能量密度,在高效能量存储应用方面存在巨大潜能,是解决未来能源和环境危机最为有效的技术之一。目前,锂空气电池的实际应用仍然受限,大量技术瓶颈需要攻克。锂空气电池的性能取决于正极表面的电化学反应,因此,正极材料的结构设计对于促进电极表面的反应动力学和构建高性能的锂空气电池至关重要。本文以碳管基材料为基础,构建了自支撑电极结构,以利于锂空气电池充放电反应进行;自支撑结构不需使用粘结剂,提高了电池体系内部稳定;与高催化活性的组分（如Mo₂C材料）复合,降低了电池充放电过程中的过电势,提高循环稳定性和能量利用效率。主要内容如下:（1）泡沫镍负载碳纳米管自支撑电极材料。开发了一种在泡沫镍基体上自下而上催化生长碳纳米管的新方法,研究了碳纳米管的生长机理。这种制备方法以低聚酸性对苯二酚--甲醛树脂为碳源,相比传统化学气相沉积法,避免了爆炸性气态碳源的使用,从而简化了高温反应设备。制备的碳管在泡沫镍骨架上均匀分布,平均长度为20μm。这一自支撑结构材料可以直接用作锂空气电池正极,避免了有机粘结剂在高压下分解等副反应对电池循环稳定性的影响。材料的泡沫镍骨架大孔结构及碳管形成的多级孔道结构,一方面促进了锂离子和氧气的快速传输,另一方面为放电产物沉积提供了大量空间,提高了电池的倍率性能及比容量。材料在200 mA g^-1电流密度,限定容量范围为2000 mAh g^-1的条件下,可以循环110圈以上,表现出了良好的循环稳定性。（2）泡沫镍负载多孔碳包覆碳化钼纳米颗粒。以低聚酸性对苯二酚--甲醛树脂为碳源,钼酸铵为钼源,泡沫镍作为活性物质载体和电池正极集流体,制备了泡沫镍负载多孔碳包覆碳化钼纳米颗粒复合材料（Mo₂C@C/Ni foam）。碳化钼颗粒粒径约3-5 nm,均匀分布于多孔碳中。包覆的碳层结构可以有效防止碳化钼纳米粒子在电池充放电循环过程中的脱落或团聚。泡沫镍催化生长的碳管结构穿插于多孔碳层,丰富了材料多级孔道结构的同时,增强了材料与泡沫镍的接触。这种独特的三维多级无粘结剂的结构设计,提高了了电池的循环稳定性。而碳化钼材料作为一种高效的氧还原和氧析出催化剂,有效的降低了锂氧气电池电极反应的过电势。在200 mA g^-1电流密度,限定容量范围为1000 mAh g^-1的条件下,电池可以稳定循环200圈以上,充电的终止电压控制在4.1 V以内。结果表明,电极材料结构的优化和与高效的催化剂的复合对于电池整体性能提升至关重要。（3）无纺布负载生长碳管。无纺布具有良好的骨架交缠结构,通过高温碳化,可以廉价制备网格结构碳纸。而预先负载金属离子就可以通过化学气相沉积（CVD）的方法生长碳纳米管。以双氰胺或三聚氰胺为碳源和氮源,氯化铁为碳管生长催化剂,在碳纸骨架上生长氮掺杂碳管。碳管负载量可以通过控制碳源的加入量而有效控制。在锂氧气电池中,该材料展现出较好的循环稳定性能。在限定容量的充放电循环中,电池可以实现稳定循环100圈以上。该方法为废旧无纺布回收及锂氧气电池正极的快速、经济制备提供了思路。（4）泡沫镍负载氮掺杂碳管。以双氰胺或三聚氰胺为碳源和氮源,二茂铁为碳管生长催化剂,氯化钼预处理的泡沫镍为载体,通过悬浮催化剂气相沉积的方法,制备了包覆钼铁镍及碳化钼颗粒的氮掺杂碳管。酸性氯化钼预处理的泡沫镍可以预先形成催化活性位点,有效保护泡沫镍在气相沉积过程中的整体受到侵蚀造成的膨胀和碎裂。二茂铁高温分解形成的铁纳米粒子及泡沫镍表面蚀刻位点的镍和钼共同作为碳管生长的催化剂。直接用作自支撑结构锂氧气电池的正极,多金属的协同催化作用有效的降低了电极反应的过电势。氮掺杂的碳管材料被首次用作锂二氧化碳电池的正极。实现了室温条件下的稳定充放电循环,大幅降低了充电电压,从而进一步证明了锂二氧化碳电池可逆充放电的可行性。结合电化学质谱的实验数据阐释了可能的机理过程,为实现锂空气电池提供理论和实验依据。