金属-气体电池由于较高的理论能量密度和环境友好的特点,成为目前研究的热点。其中,锂-氧气（Li-O₂）电池具有最大的理论能量密度,因而备受关注。此外,锂-二氧化碳（Li-CO₂）电池为实现二氧化碳捕捉和储能一体化提供可能。但是,两种电池目前都存在过电位高、循环稳定性差、倍率性能差等问题。通常,阴极的结构和催化活性决定了Li-O₂和Li-CO₂电池的电化学性能。因此,对阴极进行设计和研究是当下研究热点之一。本论文使用天然木棉纤维制备了具有3D结构的集成式电极,并将其作为阴极应用到Li-O₂和Li-CO₂电池中,表现出良好的电化学性能。具体的研究内容和结果如下:（1）通过高温热解法制备了木棉衍生碳（Kapok-derived carbon,KC）,并通过水热法在KC表面上负载高度分散的超细Ir O₂纳米颗粒（Ir O₂-KC）,将其作为Li-O₂电池阴极催化剂。Ir O₂-KC材料具有3D交联自支撑结构,Ir O₂-KC阴极的Li-O₂电池具有高初始放电比容量(10.74 m Ah cm^-2),低过电势（1.38 V）,以及389圈的超长循环圈数。放电产物Li₂O₂能够可逆形成和分解,Ir O₂-KC材料在循环过程中的能够保持稳定。Ir O₂-KC阴极的Li-O₂电池能够在真实空气气氛中以各种形变状态点亮LED灯。其高性能归因于3D交联自支撑结构、氮掺杂和均匀负载的Ir O₂纳米颗粒使得碳表面上电荷的重新均匀分布,为Li₂O₂提供足够的存储空间、促进电解质的渗透以及Li⁺和O₂的传输、促进薄膜状Li₂O₂产物的形成和分解。（2）通过水热法在KC表面上负载高度分散的超细Ru纳米颗粒（Ru-KC）,并成功应用于Li-CO₂电池的高性能阴极。Ru-KC材料具有3D交联自支撑结构,Ru-KC阴极的Li-CO₂电池显示出低电势（0.79 V）,良好的循环稳定性（256次循环,2032 h）,并且能够在CO₂气氛中以各种形变状态下点亮LED灯。其高性能归因于3D交联自支撑结构、氮掺杂和均匀负载的Ru纳米颗粒提供的催化活性,为Li₂CO₃提供足够的存储空间、促进电解质的渗透以及Li⁺和CO₂的传输、促进薄膜状Li₂CO₂产物的形成和分解。（3）为进一步开发无金属阴极,我们制备了一种多孔的3D交联自支撑结构碳和氧化石墨烯（Graphene oxide,GO）复合材料（GO/KC）,并成功应用于Li-CO₂电池的高性能阴极。通过在电解液中添加二茂钌氧化还原介体（Redox mediators,RMs）,GO/KC阴极的Li-CO₂电池显示出0.81 V的低过电势,13.95 m Ah cm^-2的高放电比容量,97.99%的高库伦效率,以及385圈稳定循环。其高性能归因于大量的多孔结构和3D交联结构,更重要的是二茂钌形成的氧化还原电对降低了过电位。本文工作不仅为平衡电化学性能、低成本和可再生性提供了一种新颖的策略,而且为无粘结剂和自支撑电极的设计甚至柔性电池的发展提供了思路。此外,为氧化还原介体（RMs）在Li-CO₂电池中的应用发展提供了参考。