随着微电子、信息和新能源技术的快速发展，对化学电源提出了越来越高的性能需求。拥有超高理论能量密度，且材料成本低廉、环境友好的锂空气电池的出现，为实现这一目标打开了一扇新的大门。其正极反应物为氧气，在大气中资源丰富，获取成本极其低廉，可以有效地降低了电池的成本。基于Li2O2生成和分解的反应，锂空气电池的理论能量密度高达3600Wh/kg，其实际全包装能量密度有望达到600Wh/kg，接近汽油在内燃机中燃烧所提供的能量密度700Wh/kg。正因为在能量密度上的显著优势，锂空气电池被认为是可以替代内燃机的下一代储/功能系统。目前，锂空气电池技术尚处于发展初期，在大规模商业化前仍有大量技术问题需要解决。例如，对电池内部的化学反应缺少全面的认知，空气正极孔道设计的不合理导致实际能量密度低下；电解液和碳电极的不稳定导致电池循环性能大大降低；缺少高效的正极催化剂来降低充放电过电位。本文通过设计和合成特定结构和成分的过渡金属氧化物，来降低充放电过程过电位，同时调控正极结构得到较高的能量密度和循环稳定性。首先，采用静电纺丝法成功制备了Fe2O3纳米线（Fe2O3NWs），并将其用于锂空气电池的正极催化剂。基于Fe2O3NWs催化剂的锂空气电池表现出较高的容量和良好的循环稳定性。这一材料具有较好的催化活性，同时其独特的多级孔结构可以对正极形貌进行调控，二者的协同效应使得锂空气电池性能得到明显的提升，同时也体现出形貌设计对性能影响的重要性。虽然材料的导电性一般，对电池的倍率性能造成了一定的消极影响，但具有多级孔结构的Fe2O3NWs不仅有利于氧气和电解液等反应物的传输，也为放电产物的堆积提供了充足的空间，与仅使用纯SP正极的锂空气电池相比，使用Fe2O3NWs催化剂的电池表现出更优秀的循环稳定性和循环圈数以及更高的放电电位，体现出这一结构的优越性。其次，介于钙钛矿材料具有较好的较好的氧还原（ORR）和氧析出（OER）催化活性，利用模板法设计并合成了具有三维有序大孔（3DOM）结构的LaFeO3（3DOM-LFO）钙钛矿材料作为锂空气电池正极双功能催化剂。这种特殊的结构可以为氧气和电解液的传输提供便捷的通道，同时大孔结构可以为放电产物的沉积提供充足的空间。实验结果表明，3DOM-LFO应用于锂空气电池正极，表现出较好的ORR和OER催化活性。与使用LFO纳米颗粒和Super P碳的对照组电池相比，使用3DOM-LFO催化剂后有效的降低了充放电过电位，表现出更高的比容量、更好的倍率性能和循环稳定性。这种增强的性能可以归功于材料结构和催化活性的协同效应。本论文研究了两种过渡金属氧化物催化剂在锂空气电池中的性能，通过对材料催化活性和正极结构对电池的充放电电位、容量和循环性能的系统研究，为锂空气电池的进一步研究和应用提供了重要的数据和经验。