近年来,电动汽车的快速发展对电池的能量密度提出了新的要求。传统锂离子电池由于自身能量密度的限制,越来越无法满足人们对高能电池的需求。锂硫(Li-S)电池理论比能量高达2600 Whkg-1,被认为是最具应用前景的下一代高能电池。但是,硫单质的绝缘和多硫化物(LiPSs)的溶解,影响了电池电化学表现,进一步破坏电池安全和循环稳定。这些问题都严重阻碍了 Li-S电池的商业应用。本论文立足于解决硫单质的绝缘性和多硫化锂溶解穿梭等问题,设计碳纳米管负载过渡金属纳米颗粒复合材料,综合利用碳材料的优良导电性以及金属纳米颗粒与多硫化锂之间强相互作用,提高硫正极导电性,抑制穿梭效应,从而提高锂硫电池比容量和循环性能,并研究材料的作用机制。主要内容如下:第一,以二氰二胺和硝酸钴为原料,通过高温煅烧法制备出氮掺杂碳纳米管负载金属钴纳米颗粒(Co@NCNT)的复合材料。结构表征显示,氮掺杂的一维碳纳米管相互交错缠绕,形成了三维的导电网络;金属钴纳米颗粒作为催化中心,镶嵌在碳纳米管中。电化学测试表明,以Co@NCNT为载体制备的S/Co@NCNT复合正极(硫含量为～76%),在1 Ag-1的电流密度下,首次放电比容量为821.2 mAh g-1;经过500圈循环,平均每圈容量衰减率为0.08%。即使在更高的电流密度5A g-1下,依然保持了 530 mAhg-1的放电容量。这表明三维导电网络有利于电子的传输,提高正极的放电比容量;同时杂原子N掺杂和金属钴有利于化学锚定LiPS,协同抑制穿梭效应,改善硫正极循环稳定性。第二,为了进一步增强过渡金属单质催化剂对硫正极电化学反应的催化性能。以尿素、硝酸镍和硝酸铁为原料,通过高温煅烧法制备了氮掺杂碳纳米管负载金属Ni纳米颗粒(Ni@NCNT)及Ni3Fe金属合金纳米颗粒(Ni3Fe@NCNT)复合材料。材料表征显示Ni及Ni3Fe纳米颗粒嵌于NCNT管内,两者具有类似的结构。动力学分析表明,相比Ni单质,Ni3Fe金属合金能更有效地促进多硫化锂转化过程以及电极表面硫化锂的成核过程。这是由于铁原子掺入镍的晶格中,引起了强烈的电子相互作用,导致Ni3Fe合金相中出现了晶格畸变,从而将弱活性的Ni转化为高活性的Ni3Fe。以Ni3Fe@NCNT隔膜修饰组装Li-S电池。0.2C初始容量达1094.7 mAh g-1,200次循环容量保持75%。1C循环1000次,容量衰减率只有0.034%/每圈。即使在高负载(～7.7mgcm-2)和低电解液(～6μL mg-1)的苛刻工作条件下,Ni3Fe@NCNT隔膜修饰的电池仍具有出色的性能。本论文可为锂硫电池高效催化材料的设计提供一定的思路,有利于构建高性能锂硫电池新体系。