近年来以金属锂、空气分别为正、负极活性材料的锂空气电池受到了广泛关注,其理论能量密度高达11680 Wh/kg,被认为是下一代汽车动力电池的有力竞争者之一。然而,目前锂空气电池存在容量密度低、循环寿命短等技术难题,远不能满足商业化的要求,而这些难题的解决离不开阴极材料与电极结构的合理设计。电池放电过程中的阴极氧还原反应（ORR）会生成难溶于电解液的过氧化锂（Li₂O₂）,由于Li₂O₂具有较大的禁带宽度,导致电子的传递受限,从而减少阴极中的有效反应界面和放电容量,并且造成充电过电势较高。此外,为了提供足够的Li₂O₂沉积空间,阴极材料通常选用具有多孔结构的材料或辅以催化剂,以降低过电势,从而减少副反应的发生。目前的电极结构一般是以碳纸等为基底,在其表面涂覆碳基材料以形成反应层。为了维持反应层的结构稳定,通常还加入粘合剂,但是常用的粘合剂如聚偏氟乙烯（PVDF）、聚四氟乙烯（PTFE）等都已被证实与电解液发生反应,限制电池寿命。而在电极上生成的Li₂O₂也会在一定程度上破坏反应层结构,进而影响电池性能。因此,阴极的材料及其结构设计是目前锂空气电池的重要研究方向之一。碳材料在储能领域一直有着广泛的应用。在锂空气电池碳基电极材料选取方面,目前针对碳黑、碳纳米管、石墨烯等的研究较多,而具有高比表面、形貌可控等优点的碳纳米纤维（CNF）在锂空气电池中的研究还相对较少。因此,本文以聚丙烯腈（PAN）为前躯体,利用静电纺丝、高温热处理以及表面活化等技术制备多种形貌的CNF,并针对碳纸基底型和自支撑型两种电极结构的CNF电极进行了相关的物理和化学表征,由此探讨CNF电极在锂空气电池中的性能特性。主要研究内容和结果包括:（1）以聚丙烯腈/N,N-二甲基甲酰胺（PAN/DMF）为纺丝溶液,通过PAN质量分数的调整,利用静电纺丝和高温热处理的方法制备出不同形貌的CNF,在此基础上进行CO₂或KOH活化,获得活化CNF。与未处理的CNF相比,活化CNF的比表面积与孔体积都有大幅增加。（2）以碳纸为基底,利用超声喷涂法制备碳纸负载的无粘合剂CNF锂空气电池阴极。电化学测试结果表明,由于比表面积的增大,活化后的CNF对ORR具有更好的活性,电池容量和循环寿命都有提升。其中,基于6%PAN的CO₂活化CNF具有高达919m²/g的比表面积,可使电池在50 mA/g的电流密度下获得4580 mAh/g的比容量,并在200 mA/g电流密度下循环25次。（3）为了去除ORR活性较低的碳纸支撑层,本文还研究了无粘合剂自支撑CNF阴极的性能。实验结果发现,与基于碳纸的活化CNF电极相比,自支撑活化CNF电极的比容量更大,在50 mA/g的电流密度下可达到8291 mAh/g,推测其原因是由纳米级纤维形成的自支撑电极在阴极空间上具有更多的活性表面。此外,研究还发现,活化后的自支撑电极在比容量和循环寿命等方面均优于未处理的电极,并且CO₂活化电极的性能更佳,可能与CO₂活化CNF具有更多的介孔（>3 nm）有关。