锂氧气电池因其超高的理论能量密度受到了学者们越来越多的关注,被认为最可能的下一代储能体系,有望在电动汽车、野外、军事、水上装备等实现应用。锂氧气电池由锂负极、电解液、隔膜及氧气正极构成。相比于其他体系的锂氧气电池体系,有机体系锂氧气电池具有充电平台高,安全性强等优点,然而由于放电产物过氧化锂(Li2O2)不溶于电解液且导电性差等,造成了锂氧气电池面临着充电电压高,循环寿命差等问题。所以提高锂氧气电池性能的关键是在充电过程中高效快速分解Li2O2。目前主要有采用开发固态正极催化材料和可溶性氧化还原介质(redoxmediator,RM)两种方法,相较于正极的固态催化剂开发,可溶于电解液中的redox mediator可作为电子传输的载体,与Li2O2有更加充分的接触和更快的电子传输能力,从而能更好地分解Li2O2。本论文从开发新型稳定的RM出发,首次提出了可溶性分子二茂钌(ruthenocene,Ruc)作为RM用于锂氧气电池中。循环伏安法(cyclic voltammetry,CV)、充放电测试等电化学测试结果均表明Ruc在锂氧气电池中可有效降低充电电压达610 mV,显著提高电池的循环寿命将近3倍。结合非原位的场发射扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)、X 射线衍射光谱(X-ray diffraction spectrum,XRD)、X 射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)等表征技术证实Ruc的加入可明显减少充电时正极表面的放电产物的残余。通过SEM、XPS等技术对负极锂片表面的形貌与成分进行表征,证实Ruc作为RM对于锂负极较为稳定。采用密度泛函理论(density functional theory,DFT)计算进一步探究Ruc参与充电过程中可能的反应机理和活性中心。将同步辐射高分辨率X射线衍射技术(high resolution X-ray diffraction,HRXRD)技术用于锂氧气电池的在线原位检测是本文研究的另外一个重点。通过自主设计并加工一套可用于锂氧气电池测试的原位装置,该装置保证锂氧气电池在充放电测试时所需的纯氧氛围和电路连接外,特殊的通光口设计与上海光源透射模式同步辐射HRXRD相适应。通过同步辐射HRXRD技术原位检测锂氧气电池充电过程中Li2O2分解,以探究其动力学过程,为后续开发高效催化Li2O2分解的RM提供理论指导。