锂-氧气电池由于其超高的理论能量密度而受到广泛关注,但由于其存在的实际能量密度低、往返效率差、过电势高以及不太理想的循环寿命等问题限制了锂-氧气电池的商业化应用。这些问题主要与正极材料的氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）动力学有关,同时放电产物Li₂O₂的宽带隙（4-5 eV）迫使其需要在高电位下才能分解,导致发生不期望的寄生反应,从而降低了电池的循环稳定性和能量效率。高效的催化剂对于改善ORR和OER动力学具有显著效果,适宜框架结构的正极材料可以容纳更多的放电产物,也是提升电池性能的有效途径。目前针对上述问题的研究主要集中在开发合理结构的正极材料和高效活性的催化剂。本工作以泡沫镍（Ni）为基底,通过水热法在其骨架上合成了一系列锂-氧气电池金属硫化物自支撑正极;以碳布（CC）为基底,利用磁控溅射对碳布进行氮掺杂,并通过水热合成法和高温退火处理制备氮掺杂碳布复合磷化物自支撑正极。采用X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱分析（XPS）、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）对电极的物相和微观形貌进行了表征,采用循环伏安法、恒流充放电法对电池电化学性能进行研究。结果表明:（1）以泡沫镍为骨架,通过水热法可制备形貌可控的蜂窝状硫化镍复合泡沫镍（H-Ni₃S₂@Ni）锂-氧气自支撑正极。这种无碳无粘接剂电极有效降低了电池过电势（0.74 V）,显著增强了循环稳定性（稳定循环超过116次）。电池性能大幅度提升归功于自支撑电极结构和独特形貌的Ni₃S₂,避免了导电剂和粘接剂引起的副反应,同时蜂窝状Ni₃S₂拥有的高比表面积能够容纳更多放电产物,进一步提升电池放电容量。另一方面,泡沫镍基底良好的导电性有助于电子传输,多孔网络结构有益于氧气（O₂）的扩散,高催化活性的Ni₃S₂有效改善ORR和OER反应动力学,从而提高了电池内部的氧化还原反应速率。（2）利用水热法制备尖晶石结构的三元铜钴硫（CuCo₂S₄）纳米材料用作锂-氧气电池正极催化剂,与二元金属硫化物相比,不仅大幅度提升了电池的放电容量,而且Cu²⁺和Co³⁺的协同作用有效改善了ORR和OER反应动力学。基于CuCo₂S₄优异的催化活性,以泡沫镍为骨架,采用水热法合成了具有三维纳米片阵列的CuCo₂S₄@Ni复合材料作为锂-氧气电池自支撑正极。测试结果表明,CuCo₂S₄@Ni电极具有良好的双功能催化活性,显著提升了电池的循环稳定性(在200 mA g^-1,500 mA h g^-1的条件下稳定循环164 th)和使用寿命(在500 mA g^-1,1000 mA h g^-1的条件下工作83个周期)。电池优异的电化学性能归功于CuCo₂S₄纳米片阵列原位生长在泡沫镍骨架上,形成特殊的三维开放式结构,在促进电子和O₂传输的同时,还可以有效减缓电池的极化效应;同时自支撑正极结构无需使用导电剂和粘接剂,阻止了副反应的发生;而且CuCo₂S₄优异的双功能催化活性有利于放电产物的沉积与分解,从而提高ORR和OER反应动力学。采用相同的工艺制备大面积CuCo₂S₄@Ni电极并成功应用于软包电池,在5 mA(100 mA g^-1)下可以获得约509 mA h(≈9000 mA h g^-1)的放电容量和536 Wh kg^-1的能量密度,约是传统锂离子电池的两倍。（3）通过水热法制备了两种三元过渡金属硫化物复合泡沫镍（MCo₂S₄@Ni,M=Zn、Fe）用作锂-氧气电池自支撑正极,比较研究了正极材料对放电过程中Li₂O₂生长机制的影响。结果表明,花状ZnCo₂S₄@Ni电极可以诱导Li₂O₂以溶液生长模型形成颗粒状产物沉积在电极表面,并且ZnCo₂S₄优异的催化活性有利于充电反应中Li₂O₂的分解,从而有效降低电池过电势（0.78 V）,提高电池循环寿命（稳定循环500次而不发生衰减）。而FeCo₂S₄@Ni的梯级孔结构暴露出大量的边缘活性位点,促进了Li₂O₂的可逆生成与分解,提升了ORR和OER反应速率,有效改善电池循环稳定性（稳定循环109个周期）,增强了电池倍率性能(在500 mA g^-1下表现出4401 mA h g^-1高放电容量)。（4）利用磁控溅射对碳布进行N掺杂并作为基底,采用水热法和高温退火处理在其表面制备过渡金属磷化物与异质原子掺杂碳布的复合材料,制备出卷曲纳米片结构的磷化钴复合氮掺杂碳布（CoP@N-CC）和伞骨架结构的钴掺杂磷化镍复合氮掺杂碳布（Co-Ni₂P@N-CC）并用作锂-氧气电池自支撑正极。CoP@N-CC及Co-Ni₂P@N-CC均表现出可以与贵金属相媲美的性能（CoP@N-CC过电势为0.76 V,Co-Ni₂P@N-CC过电势为0.73 V）,并且在长时间循环过程中表现出良好的循环稳定性（CoP@N-CC稳定循环超过134 th,Co-Ni₂P@N-CC稳定工作超过147个周期）,有效提升了电池的循环寿命（均>500 th）。