能源危机和环境污染正日益困扰着人们的生活,寻求高效清洁的可再生能源迫在眉睫,燃油驱动力汽车逐渐电动化也是解决环境问题的有效方略之一。锂空气电池作为一种新型清洁储能装置,凭借其高能量密度,被认为是最有希望成为未来为汽车提供动力的新能源电池体系。在四种类型的锂空气电池中,非水体系凭借高能量密度、高可逆性和构造简单等优点成为研究热点。但是,不溶于电解液的产物会随着电池反应的进行而逐渐堵塞多孔电极,直至反应终止。所以,寻求高性能双功能催化剂促进充放电过程中的ORR和OER反应是解决上述问题的关键。钙钛矿型氧化物凭借优良的氧化还原活性、较高导电率以及经济易获得等优点,成为取代贵金属及其氧化物的最佳催化剂之一。本文将围绕LaxSr1-xCo03系列钙钛矿型氧化物展开,将其用作非水系锂空气电池阴极催化剂,从催化剂筛选、催化机理探讨、催化剂优化这三个方面来进行研究。(1)钙钛矿型氧化物的筛选。本文制备了 La_0.6Sr0.4Co0O 及其 B 位掺杂氧化物 La_0.6Sr_0.4Co_0.2Fe0.803、La_0.6Sr_0.4Co_0.2Mn0.8O3纳米颗粒,将这三种材料用作锂空气电池阴极催化剂,通过两种测试模具对循环性能作出了评估,选择出性能最佳的催化剂La_0.6Sr_0.4Co_0.2Fe0.803。同时,我们也用同样的方法筛选出另外两种性能优良的钙钛矿型氧化物催化剂La0.8Sr0.2Co0.8Fe0.2O3 和 La0.8Sr0.2Co0.8Ni0.2O3。(2)催化机理的探讨。首先深入分析了 Mn和Fe掺杂La_0.6Sr0.4CoO3对锂空气电池性能的影响,提出了两种元素掺杂的优化机制,并突出Fe掺杂的优势。Mn和Fe元素部分取代LSC的B位原子均能引起晶体结构的晶格畸变,增加参与氧化还原反应的粒子传输通道。其中Mn掺杂LSC会产生多余电子,提高晶体导电率;而Fe掺杂会造成三价和二价的Fe共存,倾向于增加晶体氧空位,同时形成氧化还原电对。并且,Fe元素掺杂可以降低LSC烧结温度和细化钙钛矿型氧化物的晶粒。然后以La_0.6Sr_0.4Co_0.2Fe0.8O3为代表,从产物形貌角度对LSCF催化锂空气电池的反应机理进行了研究。LSCF对锂空气电池置于氧气中测试的催化机理在于可以增加放电反应的形核位点,提供较多氧传输通道,改变放电产物Li₂O₂的形貌,使Li₂O₂在LSCF-KB电极上呈现出具有较小尺寸和较高比表面积的针状形貌,使Li₂O₂的电导率增强从而促进Li₂O₂充电时的分解,减弱反应过程中的极化现象,提高锂空气电池的充放电性能。在空气中测试时,LSCF可以增强放电过程中主要产物Li₂O₂的形成竞争力,减少副产物Li2CO3和LiOH的产生,并且促进产物在充电过程中的分解。(3)催化剂的优化。依据以上催化机理探讨的结果,我们对筛选出来的三种催化剂分别从材料复合、形貌调控、调节B位掺杂比三个角度进行了优化。首先,用水热法实现了颗粒状催化剂La0.8Sr0.2Co0.8Fe0.2O3与纳米片层状掺氮还原氧化石墨烯(N-rGO)的复合,得到双功能阴极催化剂LSCF@N-rGO。通过SEM形貌分析发现,在LSCF@N-rGO复合阴极上出现了独特的花状产物Li₂O₂,LSCF的存在不仅可以促进这种较高比表面积的花状产物生成,还能作为花的中心促进其分解,有效降低锂空气电池充放电反应过程的极化现象,从而提升电池的性能。然后,通过机理研究发现La_0.6Sr_0.4Co_0.2Fe0.8O3成相温度较低,更易得到多孔结构且比表面积较大的材料,所以选择聚苯乙烯微球模板法合成了具有三维多孔结构的3D-LSCF纳米粉末,用于锂空气电池催化剂时可以显著提高电池的充放电容量、库伦效率、循环稳定性以及降低过电势,且性能远优于溶胶凝胶法得到的LSCF。最后,基于B位原子掺杂对氧空位浓度的影响,调节了 La0.8Sr0.2Co0.8Ni0.2O3的B位掺杂比。用溶胶凝胶法依次得到了 La0.8Sr0.2Co0.8Ni0.2O3、La0.8Sr0.2Co0.6Ni_0.4O₃和La0.8Sr0.2Co0.4Ni_0.6O₃三种具有稳定孔隙结构的粉体,其中La0 8Sr0.2Co0.6Ni_0.4O₃具有的孔隙更为丰富、氧空位浓度更高。三种纳米粉体用作锂空气电池阴极催化剂时都能提高电池的充放电容量和循环稳定性,并且La0.8Sr0.2Co0.6Ni_0.4O₃的催化效果最佳。