从长远的角度看,能源和环境的压力以及社会的发展特别是电动交通工具的发展需要清洁,可持续,具有变革性技术意义的能源储存系统。继锂离子电池之后,可选择的电池体系不外乎就是金属空气电池,锂硫体系或者燃料电池体系,其中锂氧气电池的理论比能量密度最高(5217W·h·kg^-1),远高于燃料电池的3500W·h·kg^-1。因此,锂氧气电池应当是探索新能源的终极目标。然而,当下锂氧气电池的发展仍旧面临着诸多问题:（1）正极的电化学反应过程复杂,其机理尚未明确;（2）负极金属锂十分活泼,充电过程锂枝晶的形成限制了电池寿命的提高;（3）非水系以及固态电解质都不稳定;（4）电池结构的设计难以抵抗空气中水、二氧化碳对电池的侵蚀。其中,对锂氧气电池正极的研究尤为关键,探索可促进放电产物Li₂O₂分解,能妥善处理难溶反应产物的沉积,并能抑制副反应发生的高效正极催化剂是当下锂氧气电池的研究热点。碳材料具有很高的比表面积,不仅可以提供大量的催化剂附着位点,而且丰富的孔空间有利于过氧化锂的生成和储存,另外,在碳材料上负载改性材料或者掺杂可以提高材料催化活性,有效催化Li₂O₂分解,甚至可以抑制副反应的发生,提高电池的循环寿命。因此,碳材料是对于构筑理想的锂空气正极具有十分重要的意义。本论文从电极材料表面性质的角度对电池性能及机理进行探索,在提高锂氧气电池及锂离子电池的循环寿命,改善电极材料的稳定性等方面取得了以下研究进展:（1）以Fe²⁺离子交换树脂为前驱体,通过高温热解的办法合成出了能够牢固依附在碳带上的FeOOH纳米立方体（FeOOH@CR）,在此过程中,FeOOH纳米立方体和碳带同时形成。另外,根据XPS,TEM和EDS mapping提供的信息,所制备的FeOOH纳米立方体具有核-壳（core-shell）结构,其中,FeOOH是壳而普鲁士蓝是核。这种材料应用于锂氧气电池的正极材料,可以得到高达14816 mA?h?g^-1_cathode的比容量以及67圈（超过400小时）的循环稳定性。这里的高性能与FeOOH降低了氧还原与析氧反应的反应过电势有关,认为立方体结构,载体碳带以及FeOOH的‐OOH部分都对降低反应过电势作出了贡献。同时,FeOOH正极可以使得放电产物Li₂O₂在充电过程中高效分解,从而提高了电池的循环寿命,因此,FeOOH@CR是一种很好的锂氧气电池正极材料。（2）通过“盐模板”的方法合成了具有一系列不同氮含量的不定型碳材料,我们对这种碳材料特别是其氮缺陷进行了详细的分析并应用于锂氧气电池的正极中。根据我们的分析,在一定范围内,锂氧气电池的循环寿命随着碳材料氮含量的增加而提高,这一点符合其它研究者所得出的结论,但是,我们也发现碳材料中过多的氮缺陷反而会降低锂氧气电池的循环稳定性,因为过多的氮缺陷在降低反应过电势的同时也会提高对于副反应催化活性。最后,得出6%氮含量的碳材料是最适合作为锂氧气电池正极材料,可以有效降低反应过电势和得到71圈（超过420小时）的循环稳定性。（3）为了对包括锂氧气电池正极等电极材料进行保护,防止副反应的发生,我们对电池放电过程中形成的固态电解质膜（SEI膜）进行改性,以求得到完整稳定的SEI膜,达到保护电极材料的目的。我们以锂离子电池的负极材料二硫化钼为研究对象,在二硫化钼表面修饰一层十八烷分子,可以诱导完整稳定的SEI膜产生,从而明显提高了电池的循环稳定性。综上所述,我们认为探索锂氧气电池正极材料有两点很关键:（1）能够很好地促进放电产物过氧化锂的分解,加速反应的动力学过程;（2）可以有效抑制副反应的发生,防止副产物减缓整体反应的动力学过程。另外,对电极材料表面进行修饰来诱导稳定SEI膜的产生也可以显著提高电池的循环寿命。