环境污染和能源短缺制约人类的可持续发展。为此,大力发展清洁可再生能源,已经成为人类社会的共识。清洁能源的存储和利用要求性能良好的能量存储转化设备。锂-离子电池自上世纪末问世以来,在移动便携设备领域取得了极大的成功。但是,由于其活性物质固有化学性质的限制,锂-离子电池有限的能量密度难以满足长距离续航里程电动汽车的要求。锂-氧气电池利用大气中的氧气和金属锂参与反应,具有可与以汽油为燃料的内燃机相媲美的理论能量密度。然而,金属锂负极受制于锂枝晶生长和低库伦效率的问题,目前还难以在获得实际应用。针对这一问题,研究者提出使用合金负极材料以取代金属锂负极,从而构建锂离子-氧气电池的设想。硅基材料由于其较高的理论比容量和较低的工作电位,被认为是锂离子-氧气电池的一个合适选择。本文基于硅基合金负极材料,对锂离子-氧气电池进行了设计和组装,并通过XRD、SEM、TGA、XPS以及充放电测试等分析方法,探究了非锂负极锂离子-氧气电池的电化学性能及充放电反应过程。我们首先合成了两种基于多壁碳纳米管的复合催化剂材料,用于锂离子-氧气电池的正极。在铂修饰多壁碳纳米管材料中,少量金属铂纳米颗粒均匀生长在多壁碳纳米管管壁上;在核壳结构二氧化钌多壁碳纳米管材料中,大量二氧化钌晶体包覆在多壁碳纳米管外,形成了核壳结构。铂修饰多壁碳纳米管复合材料作正极的锂-氧气电池在定容量充放电条件下能够稳定循环100圈。核壳结构二氧化钌多壁碳纳米管复合材料作正极的锂-氧气电池可以有效降低充电过电位。并且可以在较大电流密度下实现了稳定全充放循环。通过对铂修饰多壁碳纳米管的充放电产物进行表征,证明电池的放电充电过程基于Li2O2晶体的可逆生长和分解。由于硅基材料不含锂,不能直接作为锂离子-氧气电池的负极材料,我们通过高能球磨法制备了锂硅合金负极材料。锂硅合金主要成分为Li21Si5,且颗粒尺寸分布在1 μm到5 μm。电化学性能测试表明锂硅合金首圈脱锂比容量为1118 mAh·g-1。锂硅合金在大电流条件下50圈充放电循环后依然保持了 571 mAh·g-1的可逆容量,同时,库伦效率稳定在98.5%左右。使用锂硅合金负极和铂修饰多壁碳纳米管正极组装锂离子-氧气电池,在500 mA·g-1的电流密度下可以稳定循环80圈。同时我们还对不同正负极质量配比的锂离子-氧气电池的循环稳定性进行了研究。通过对比循环前后的锂硅合金电极,我们发现锂硅合金在循环过程中逐渐转化为无定形态。同时,循环过程中生成了 LiOH以及少量醚类物质等副产物。我们认为这造成了锂硅合金材料在循环过程中的不稳定。我们还设计并组装了一种新型铝塑膜软包装锂离子-氧气电池,通过预装金属锂源对硅电极进行电化学锂化。使用基于海藻酸钠粘结剂涂膜的纳米硅电极作为锂离子-氧气电池负极,其首圈放电比容量为3087.8 mAh·g-1。在0.25 C的电流密度下稳定循环200圈,可逆比容量达到1500.2 mAh·g-1,容量保持率高达75.4%。组装软包电池后,通过反复的放电与静置操作,对硅电极进行电化学锂化,该体系下生成的锂硅合金成分主要为Li21Si8。以此为基础进行锂离子-氧气电池的测试,电池放电比容量为343.1 mAh·g-1,且库伦效率达到100%。该方法在既可以实现电化学方法锂化硅电极,同时又避免了电池反复拆解组装带来的问题。通过上述几个方面,我们对不同结构的基于锂硅合金负极的锂离子-氧气电池进行了初步的研究。这将为未来锂离子-氧气电池的结构设计和性能优化提供新的思路。