锂空气电池具有极高的理论能量密度，但由于存在诸多的制约因素，使得实际性能远低于理论值。空气电极作为锂空气电池的重要组成部分，是影响锂空气电池放电性能的主要因素之一。本文首先探讨了不同碳材料微观结构对空气电极性能的影响。在研究结果的基础上，制备了一种基于碳纳米管并具有自支撑结构的空气电极，探讨了制备工艺对电极性能的影响机制。本文首先选用五种具有不同微观结构的碳材料作为研究对象，利用氮吸附测试对其结构进行了表征，并采用恒流放电对不同碳材料制备的空气电极放电性能进行了测试。研究结果表明，多孔碳的孔结构由尺寸在8nm以下具有微孔吸附行为的孔道与尺寸在8nm以上的具有介孔吸附行为的孔道组成。在放电过程中微孔吸附型孔起氧吸附的作用，介孔吸附型孔起氧通道的作用，两者共同决定了电极的电性能。因此，当碳材料中两种孔道结构的含量达到最优比值时，碳材料中存在充分扩散通道的同时又具备大量的放电产物沉积场所，空气电极具有最好的性能。在本文所选用的五种碳材料中，微孔吸附型孔与介孔吸附型孔的含量比为1的Super P具有最大的放电比容量（1349.1mAh/g）。其次，为了克服采用传统方法制备的空气电极的不足，结合前一步工作所得的结果，选取具有微孔吸附型孔与介孔吸附型孔含量比为0.29的多壁碳纳米管作为原料，通过抽滤法制备得到了具有自支撑结构的碳纳米管空气电极，并对其在锂空气电池中的应用进行了初步探讨。所得结果表明：采用不同表面活性剂制备得到的极片在结构及性能上存在差别。采用CTAB作为分散剂制备得到的极片结构中碳纳米管团聚体的数量最小，孔隙率最低，具有较好的孔道结构，电极放电容量最高为887mAh/g.。同时，表面活性剂的应用，增加了碳纳米管与电解液之间的润湿性，导致极片在浸润电解液后结构稳定性变差。为改善浸润电解液对电极结构的破坏，本文分别采用加压处理与热处理方法对制备的自支撑碳纳米管空气电极进行后处理，并探讨了处理工艺对电极性能的影响。结果表明，加压处理虽然可以在一定程度之内使极片的结构变得致密，孔隙率减小，且可以通过减小极片的厚度，提高极片中的氧浓度，使电池性能得到一定程度的改善。但由于无法从根本上改变极片与电解液之间的浸润程度，经加压处理后的电极在电解液中的结构稳定性并没有得到明显提高。热处理能够较为彻底地去除极片中残留的表面活性剂，进而改变了碳纳米管表面的化学组成，降低了碳管与电解液之间的浸润性，从根本上提高了极片在浸润电解液时的稳定性，电极放电性能有了明显改善。最后，通过优化制备及后处理工艺参数，制备了性能优于传统空气电极的自支撑碳纳米管空气电极，其放电比容量为1507mAh/g。显示了自支撑碳纳米管空气电极在锂空气电池中应用的优势与潜力。