锂空气电池由于具有巨大的理论能量密度，是电动汽车的理想动力来源，在最近几年受到了研究人员的广泛关注。但是锂空气电池在实用化的道路上仍然面临着诸多挑战。比如，放电产物颗粒会堵塞正极材料的空气孔道，覆盖固体催化剂，从而导致电池的能量效率不高、循环性不好。而目前采用非水有机体系电解液的锂空气电池还面临着锂金属负极枝晶生长的安全性问题，电解液挥发和分解的问题。同时，如果锂空气电池采用开放体系，空气中的水分和二氧化碳等其他气体也会影响锂空气电池的性能。锂空气电池要应用，必须着手研究并解决这些问题。　　如果在锂空气电池中采用固态电解质，则可以避免以上的其中一些问题。固态电解质相对于液态电解质有较高的杨氏模量，可以抑制锂枝晶的生长，防止发生短路起火事故;同时固态电解质的电化学窗口较宽，并且一般没有挥发性的问题，可以工作在较高的温度范围，这样也减轻了空气中的水分对电池性能的影响。相对于液态电解质，固态电解质的电导率一般较低，但是将固态电解质的厚度减薄或者制备成薄膜有利于减缓这个缺点。　　本论文针对以上问题开展了如下研究:　　1)利用环境电镜原位研究了全固态锂空气电池的充放电机理，分析了放电产物生长和分解过程，观察到了放电产物颗粒的不同形貌，包括球形颗粒、串珠状、血红细胞状等，并提出了串珠状形貌的形成机理及其对电池性能的影响。同时也指出放电产物颗粒生长和分解的不均匀性主要来自颗粒表面电子电导和离子电导分布的不均匀。　　2)利用原位选区电子衍射(SAED)实验研究了放电产物“核壳结构”的形成机理，并利用非原位软X射线吸收谱进行了验证。　　3)分析了锂与不同气体(O2，CO2，O2∶CO2=1∶1，vacuum)发生电化学反应生成的放电产物的形貌区别，并指出这些区别可能来自于锂与不同气体电化学反应的动力学特性不同，而不同反应的热力学平衡电位决定了哪一类气体更容易与锂发生反应。　　4)利用磁控溅射制备了表面平整、组分分布均匀的LiF/Ti纳米复合物薄膜，并通过电化学锂化和化学锂化在其中引入了外源锂，通过IV, ITIC，IS等手段测试了锂在纳米复合物薄膜中的输运特性，测得的离子电导约为10-4 S/cm，这一数值可以与现有的陶瓷固态电解质相比拟。　　5)利用Second ITIC方法定性测试了锂离子的迁移率和空间电荷层效应。　　通过以上的工作，我们建立了一套完整的利用环境扫描电镜和环境透射电镜研究锂空气电池的反应机理和动力学过程的工作方法和工作流程。推广开来，这套方法也可以用于研究锂和各种气体物质发生电化学反应的机理和动力学过程。我们通过原位动力学拟合分析，认为全固态锂空气电池在动力学特性方面并不比液态锂空气电池差，是非常值得进一步探索和研究的。　　通过对LiF/Ti界面储锂机制的研究，我们展示了这种特殊的复合物（离子绝缘组分和电子导电组分）因为有特殊的界面存在，可以使外源锂在其中较快速输运，虽然这里面的机制还不明晰，空间电荷层效应和离子电子分离存储现象还需要进一步确认。我们的结果为进一步的机理研究提供了很好的模型样品和研究手段。　　同时，本论文还初步研究了六角形孔洞的硅薄膜在嵌脱锂过程中的体积形变问题，利用AFM研究了嵌锂态的硅柱子的原位脱锂过程。