作为一种高效的储能系统,锂离子电池自商业化以来已经深刻地改变了人类社会,从各种便携式电子设备到近年来渐热的电动汽车,再到电网的规模化储能,我们无时无刻不在享受着锂离子电池带来的便利。然而,当前商用的层状过渡金属氧化物正极已经逐渐接近其理论容量的极限,难以满足未来对高能量密度和低制造成本的需求,着眼于更长远的未来,需要探索和研发新型的可充电电池。锂硫电池作为极具潜力的高能量密度二次电池备受瞩目,具有超高的理论比容量和低廉的材料成本,但是,其中间产物多硫化物的溶解扩散、充放电产物的电子绝缘性质和缓慢的动力学反应制约了其商业化应用。目前,研究人员主要采用向硫/碳正极中添加极性化合物和构建结构化电极的方法,来抑制多硫化物的扩散和加速多硫化物的转化。过渡族金属化合物被广泛应用于锂硫电池的催化剂研究,而其性能的改善大多简单的归因于导电性和极性吸附特性,这不利于从机理上来理解锂硫电池中的催化性质,使得催化剂的研究充满了偶然性因素。本论文着眼于电子结构的调控,从氮空位缺陷的引入、阳离子的掺杂到异质结的构建,在提高催化性能的同时重点分析其电子结构变化和催化性能改善的关联因素,从而为锂硫电池催化剂的设计和研究提供有效、可控的策略。本论文的主要研究内容如下:一、以金属导电性的Ni3N为基础材料,提出含有氮空位缺陷的Ni3N0.85催化剂,以有效地催化多硫化物的转化过程。总体策略是通过引入氮空位来合理调整Ni3N中金属Ni的3d轨道,d带中心的上移使得表面Ni的桥接位点更加强烈地吸附了端基S原子并削弱了多硫化物中的端基S-S键。不同温度下的活化能测试及对称电池等反应动力学表征手段表明,Ni3N0.85的活化能远低于Ni3N和C。在组装成Li-S电池后,Ni3N0.85也具有最大的放电比容量和最优的倍率性能,由于动力学的增强,整体循环性能也得到了改善。在负载量为5.2 mg cm-2的高硫负载下,一个Ni3N0.85电池依然可以提供1200.4 mAh g-1的高放电比容量,即使经过1000次循环,Ni3N0.85电池仍能保留61%的容量。该研究工作不仅仅提出了一种空位缺陷改良催化剂的有效手段,更重要的是,对其催化性能改善的原因做了机理上的解释,有助于有策略的开发新型催化剂。二、制备了一种用于多硫化物转化的新型Ni2Co4P3电催化剂,通过在Ni2P金属中心的Co掺杂剂提高了Ni2Co4P3的金属3d轨道,与Ni2P相比,多硫化物具有很强的吸附能力。利用Ni2Co4P3催化剂,该课题进一步提出了一种用于超高S负载的微反应器正极（MLSC）策略,MLSC含有Ni2Co4P3纳米线催化剂,由三维连续PNS电连接。由氮掺杂碳球（N-CMs）和聚醚醚酮（SPEEK）组成的离子选择性过滤壳密封微反应器,以限制多硫化物的内部,并允许锂离子进出正极。Ni2Co4P3良好的催化活性和导电性,加速了多硫化物的转化,增强了MLSC的倍率性能。普遍认为,微反应器设计为构建高性能、高负载的硫正极提供了一种新的策略。三、在三维导电碳布（CC）上构建了CoSe2/MoS2异质结构,MoS2的边缘位置具有较高的催化活性,而MoS2的基础表面几乎没有活性,由于具有二维晶体学结构,MoS2的基底表面比边缘的更多。为了有效利用MoS2的高催化活性,该课题将纳米级的CoSe2生长到基底表面上以形成异质结构,CoSe2对多硫化物具有很强的化学吸附能力,但比MoS2具有较低的催化活性。CoSe2/MoS2异质结构可以耦合多硫化物的吸附和催化作用,显著提高了Li-S电池的电化学性能。借助三维导电CC骨架,CC@CoSe2/MoS2可以提供714.5 mAh g-1的放电比容量,且每个周期的衰减率仅为0.022%。这项工作为高性能Li-S电池提供了集成的,整体的协同吸附和催化设计。