随着先进便携式电子设备和零排放电动汽车的发展,对循环寿命长、容量大和自放电率低的电池的需求不断增加。硫是一种地壳中富含的元素,作为锂硫电池的正极材料可以提供高达2600 Wh kg-1的理论比能量和1675 mAh-1的比容量,对于封装的锂硫电池,实际的比能量可达400-600 Wh kg-1,锂硫电池已经成为极具发展潜力的电能存储系统。但硫及其放电产物几乎为电子绝缘体,中间产物多硫化锂易溶于电解液中并穿梭至负极与金属锂反应,造成容量的损失和较差的循环性能。本文在综述了目前国内外锂硫电池研究进展的基础上,提出了设计制备新颖结构的功能性多孔碳材料,作为硫正极材料的载体和隔膜正极侧的修饰涂层,研究所合成的功能性多孔碳材料的成分、结构和形貌对硫正极电化学性能的影响及其影响机理,获得了高性能的硫正极材料。论文通过模板法以酚醛树酯为前驱,通过添加碳纳米管,引入氮掺杂,并借助酚醛树酯中残留的氧,制备了一种新颖结构的氮/氧联合掺杂多孔碳包覆碳纳米管的一维碳材料。该碳材料具有高的导电性,高的孔隙率和高的比表面积,用作硫正极材料的载体,具有高的载硫量,有利于储存硫单质并吸附易溶于电解液中的多硫化物,固硫性能优异,获得的硫正极材料具有优良的综合电化学性能。在载硫量为75 wt%的条件下,硫正极经0.2C倍率循环200次后还具有684 mAh g-1的比容量和61.5%的容量保持率。氮/氧掺杂增强了材料的极性,提高了碳基体材料对锂多硫化物的亲和力,减弱了因锂多硫化物穿梭到负极引起的穿梭效应,提高了材料的循环稳定性及容量保持率。此外,通过在多孔碳材料中引入钛的化合物,得到表面负载20-50 nm纳米TiN颗粒的多孔碳纤维。TiN的引入能在一定程度增强碳载体材料对多硫化锂的吸附作用。合成的硫正极材料在2C的倍率下经500次循环后,具有500 mAhg-1的比容量。但合成的碳纤维材料的孔洞呈2-10 nm的介孔特性,其较大的空洞对硫单质及其放电产物的束缚能力相对较小,电极在充电过程中极化逐渐增大。上述氮/氧联合掺杂一维多孔碳材料作为隔膜正极侧的修饰涂层,对多硫化物穿梭效应显示出强的抑制作用,显著提高锂离子扩散速率,使无任何修饰的硫正极表现出优异的电化学性能。硫正极在0.2C循环100次后具有1032 mAhg-1的放电比容量和81.8%的容量保持率。此外电解液中的LiNO3部分氧化多硫化锂成含高价硫的氧基团,同时生成的不溶性LiNO2沉积在隔膜上,进一步阻挡多硫化锂的穿梭,减少了锂金属负极的腐蚀,提高硫正极的放电容量。当硫正极面密度为6.0 mgcm-2时,采用经修饰的隔膜,硫正极能够得到近5.0 mAh cm-2的面积比容量。