在高比能电池体系中,锂空气电池由于利用空气里的O₂作为活性材料,因此相比传统脱嵌式的正极能够提供更大的能量密度。锂空气电池以金属锂为负极,因此也面临着金属锂负极的两大挑战。一是锂枝晶的生长。由于金属锂在循环过程中不均匀的锂离子扩散导致锂枝晶的不断生长,将造成金属锂电池体系的安全问题。其次是界面稳定性差。在常见碳酸酯类和醚类电解液中,由于金属锂低的电化学电位,金属锂界面会反应生成不稳定的固态电解质界面（SEI）膜。再加上枝晶生长刺破SEI膜,更加剧了电解液和金属锂的消耗,使金属锂电池循环寿命短。本论文通过改性固态金属锂负极和引入液态锂基负极两种方式来优化锂空气电池体系的性能。在改性固态金属锂负极方面,本论文通过将金属锂片浸泡在氟化石墨烯（CF_x）分散液里,利用金属锂与CF_x的反应,在金属锂表面构造了一层富含Li F、均匀组分的人工SEI膜（r-CF_x Li）。这层人工SEI膜能够诱导锂离子均匀沉积和溶解,抑制锂枝晶的生长,提高金属锂负极的循环性能。对称电池r-CF_x Li|r-CF_x Li在循环过程中,锂枝晶的生长受到抑制、循环寿命增加。以r-CF_x Li为负极的磷酸铁锂（r-CF_xLi|LFP）电池和锂硫（r-CF_xLi|S）电池,循环性能得到提高。r-CF_xLi|LFP电池在循环200圈后比容量为151.2 m Ah g^-1,比容量保持率高达94.3%。r-CF_xLi|S电池在循环450圈后,比容量仍保持558.5 m Ah g^-1。且该人工SEI膜较致密,使r-CF_x Li在空气和液相环境中的腐蚀大大减缓。因此该致密的人工SEI膜可期望用于锂空气电池,以减缓空气对金属锂负极的腐蚀。虽然通过改性固态金属锂负极提高了电池体系的电化学性能,但是在长循环过程中仍面临锂枝晶的生长和金属锂强的反应活性,仍面临安全隐患。本论文通过引入无枝晶生长和稳定的液态锂基负极进一步改善电池体系的安全性能。在锂空体系中,通过固态陶瓷膜隔离正极水系和负极有机系电解液的组合电解液锂空电池,由于其新颖的结构设计和反应机理,能够避免有机电解液体系难溶放电产物Li₂O₂在深度放电过程中堵塞多孔正极、空气中的湿度腐蚀负极金属锂以及电化学反应过程中生成的超氧化物攻击电解液溶剂等问题。但是其陶瓷膜机械性能差,特别在一些恶劣使用环境中,如剧烈抖动和撞击,会造成固态陶瓷膜出现裂纹甚至直接破裂。这样组合电解液锂空电池因陶瓷膜阻隔失效,导致金属锂与水剧烈反应产生安全隐患。本论文将一种液态联苯锂（Li BP）负极取代金属锂负极,该负极具有低的氧化还原电位（0.30 V vs.Li/Li⁺）,并且与水反应很缓和,具有高的安全性。基于液态联苯锂负极的组合电解液锂空电池在电流密度0.5 m A cm^-2下,具有高的放电电压2.81 V。在电流密度为6 m A cm^-2下,其比功率为1638 W kg^-1。此外,该工作对体系的正负极的反应机理分别进行了Raman和GC-MS表征,表明负极为BP^-/BP的反应,正极为OH^-/O₂的反应。此外,由于液态LiBP和固态Li_1.5Al_0.5Ge_1.5（PO₄）₃（LAGP）陶瓷膜之间的副反应,导致基于联苯锂负极的组合电解液锂空电池循环性能差。通过Raman和XPS分析表明,低电位的Li BP还原LAGP中高价态Ge⁴⁺至低价态Ge²⁺和Ge⁰,自身被氧化为联苯（BP）。为提高该体系的循环性能,本论文中通过磁控溅射镀膜技术,在固态LAGP陶瓷片表面构造了一层300 nm左右稳定的Ti保护层。稳定的Ti纳米层可以有效减缓Li BP与LAGP的副反应速率,提高基于联苯锂负极的组合电解液锂空电池循环性能。在电流密度0.5 m A cm^-2下,循环120圈仍保持稳定。