发展新能源汽车是有效应对能源与环境危机的重要战略举措,而提高能量密度和可靠性是当前新能源汽车的主攻方向。有机体系锂-空气电池因其高能量密度成为现阶段的研究热点,空气电极的结构设计与材料选择是解决其高过电势、低实际容量和不稳定循环等问题的重要途径。本文选取镍钴尖晶石（NiCo₂O₄）为锂-氧气电池（Li-O₂）的阴极催化剂,旨在利用NiCo₂O₄的表面化学优势以增强氧还原反应（Oxygen reduction reaction,ORR）和氧析出反应（Oxygen evolution reaction,OER）催化活性,诱导特定形貌过氧化锂（Li₂O₂）的生成,以实现Li-O₂电池低过电势和长期稳定循环的目标。最后,分别研究了二氧化碳（CO₂）、水（H₂O）和氧（O₂）分压等工作气氛对Li-O₂电池的ORR/OER反应的影响。研究的主要思路和结论如下:（1）开发并研究具有高ORR催化活性的尖晶石型氧化物NiCo₂O₄。通过水热法合成具有分级大孔/介孔结构的NiCo₂O₄纳米片以研究其比表面积、氧空位和孔隙结构对ORR催化活性的影响。研究结果表明这种特殊的孔隙结构能够有效地修饰和优化空气电极从而促进O₂传输和电解液浸润,提供Li₂O₂的有效反应场所。NiCo₂O₄纳米片的高比表面积(146.19 m² g^-1)能够将大量O₂吸附在其表面被还原成超氧根离子(O₂^?-),NiCo₂O₄表面的氧空位进一步加强O₂^?-的解吸附作用,最终加快ORR反应速率。同时,NiCo₂O₄纳米片之间的化学连接方式保证了其在外电流作用下的结构稳定性。借助于NiCo₂O₄良好的ORR催化活性和特殊的二维纳米片形貌,电池在电流密度200 mA g^-1的条件下具有高达11980 mAh g^-1的放电容量,在电流密度400 mAh g^-1下能够稳定循环76次。（2）NiCo₂O₄纳米片的OER催化活性优化。针对NiCo₂O₄的OER催化活性较弱的问题提出了两种解决方案:一是以提高催化剂自身的OER催化活性为目的,在NiCo₂O₄纳米片表面原位生长二氧化钌（RuO₂）纳米颗粒以形成ORR/OER双功能催化剂。二是为了改善Li₂O₂在NiCo₂O₄纳米片表面形成的无序堆砌大颗粒团簇所导致的高过电势情况,调控NiCo₂O₄形貌以形成表面有氧空位的海胆状微球,以形成无定形、有缺陷的Li₂O₂薄膜。RuO₂@NiCo₂O₄双功能催化剂主要是通过RuO₂和NiCo₂O₄的协同作用提高Li-O₂电池的性能。RuO₂纳米颗粒作为形核中心和NiCo₂O₄纳米片之间的协同作用能够有效促进结晶性差的Li₂O₂薄膜生成,这种形貌的Li₂O₂通过与RuO₂、NiCo₂O₄的紧密接触,能够在低电压下分解,降低电池的充电过电势。相应的Li-O₂电池在电流密度200 mA g^-1下提供高达17633 mAh g^-1的放电容量和91%的库伦效率;在电流密度400 mA g^-1下,电池的充电过电势降低至0.6 V。海胆状NiCo₂O₄微球表现出的良好OER催化活性源于NiCo₂O₄的表面化学（高比表面积、丰富的表面氧空位、均匀分布的活性位点）影响下生成的无定形薄膜状Li₂O₂,这种无定形Li₂O₂在低电压下就能够快速分解。而Li₂O₂与NiCo₂O₄活性位点的紧密接触又能进一步促进其分解。相应的Li-O₂电池在电流密度为200 mA g^-1时的放电容量为12500 mAh g^-1,电池的充电过电势降低至0.67 V。（3）工作气氛对Li-O₂电池性能的研究。目前大部分研究所测的锂-空气电池是在O₂中进行的,但是阴极侧的气氛如CO₂、H₂O和O₂分压都会对Li-O₂电池的放电、充电过程造成一定的影响。所以继续研究了CO₂、H₂O和O₂分压对电池性能的影响规律。研究发现CO₂能够快速消耗O₂^?-而避免其攻击电解液,碳电极等从而有效提高电池的放电容量和循环稳定性。结合计算和实验数据发现当Li-O₂电池处于30%CO₂气氛中时,表现出的综合性能最佳,相应的电池在电流密度400 mA g^-1下的放电容量高达22000 mAh g^-1,并且能够稳定循环140次。通过改变O₂分压以研究其对Li-O₂电池性能的影响,研究发现其主要是通过钝化空气电极表面的活性位点而影响电池的ORR过程,海胆状NiCo₂O₄表面丰富的氧空位以及自身的高比表面积能够在其表面形成局部浓度较高的O₂气氛,极大地削弱了O₂分压降低带来的影响。H₂O对锂-空气电池的性能没有产生过大的影响,即使是在60%的高湿度环境中电池也能够稳定循环40次。