以单质硫为正极,金属锂为负极构建的锂硫电池具有能量密度高(理论值可达2600 Wh kg–1以及2800 Wh L–1)以及原料丰富、成本低廉、环境友好等优点,是一种极具应用前景的二次电池。同时,电动汽车、智能电网以及近空间飞行器等技术领域的快速发展也对储能器件的能量密度提出了更高的要求,因此,高能量密度的锂硫电池成为近年来高比能储能器件领域的研究热点。然而,目前锂硫电池依然存在着实际能量密度低、循环寿命差等诸多问题。本论文从锂硫电池硫正极面临的电子/离子导电率低、充放电过程体积膨胀以及中间产物溶解等关键问题出发,围绕硫正极的结构设计以及电化学反应界面调控展开了相关的研究工作,构筑具有高的电子/离子导电性以及稳定的电化学反应界面的硫正极,旨在提高硫正极的比容量,改善其循环稳定性。论文的具体研究内容如下:1.通过原位自组装法制备了具有分级有序孔道的多孔碳材料,并以分级有序多孔碳为储硫基质材料,构筑了具有“介孔储硫、大孔传质”结构特征的分级有序多孔碳/硫电极。研究结果表明,分级有序多孔碳材料有效提高了硫电极的电子/离子导电率、缓冲了体积膨胀、减缓了中间产物多硫化锂溶解及其“穿梭效应”,从而提高了硫电极的比容量,改善了其循环稳定性。在0.1 C的电流密度下,分级有序多孔碳/硫电极的首次放电容量为1193 mAh g-1,循环50圈后,电极的可逆容量保持有884 mAh g-1。2.通过自组装-化学活化法制备了具有高导电性、大比表面积的三维多孔石墨烯储硫基质材料。测试结果表明,所制备的多孔石墨烯材料比表面积以及孔体积分别达2313 m2 g-1以及1.8cm3 g-1,多孔石墨烯/硫复合材料中硫的含量可达67%,并限域在石墨烯的孔道中,显著提高了活性物质硫的电化学利用率。由于其较强的吸附作用,多孔石墨烯有效减缓了充放电中间产物多硫化锂从硫电极中溶出,从而减少了电化学循环过程中活性物质的损失,并避免了放电产物Li2S2/Li2S在电极表面的不可逆沉积。电化学测试结果表明,多孔石墨烯/硫电极表现出高的比容量以及优异的循环稳定性,在1 C的电流密度下,其初始容量达927 mAh g-1,经过100圈循环后容量保持率达74%。3.以氧化锌纳米片为锌源及模板,提出了自牺牲模板法诱导制备ZIF-8纳米片,通过一步高温碳化制备了ZIF-8衍生碳纳米片。通过改变反应时间可以实现对碳纳米片材料微孔碳壁厚度以及介孔孔径大小的调控。作为储硫基质材料时,ZIF-8衍生碳纳米片分级多孔结构的纳米结构以及杂原子氮与多硫离子之间化学作用有效增强了对多硫离子的吸附作用,减缓了充放电中间产物多硫化锂的溶解,从而提高了碳纳米片/硫电极的比容量,改善了其循环稳定性。电化学测试结果表明,在0.5 C的电流密度下,经过100圈循环后,碳纳米片/硫电极的可逆比容量依然保持有663 mAh g–1。4.采用具有类三明治结构的Graphene/TiO2复合材料以及TiO2纳米晶两种储硫基质材料,提高了硫电极致密度的同时有效改善了其循环稳定性。研究结果表明,纳米孔的物理吸附作用及其TiO2纳米晶的化学吸附作用,可以有效减缓充放电中间产物多硫化锂的溶解及其“穿梭效应”。同时,TiO2纳米晶参与电化学反应原位形成的LixTiO2,可作为一种有效的混合电子/离子导体提高硫电极的电子/离子传输速率,促进硫电极的电化学反应,从而改善了硫电极的循环稳定性。在0.5 C的电流密度下,Graphene/TiO2/S电极以及TiO2/S电极的初始比容量分别达985以及684 mAh g-1,循环100圈后,其比容量分别保持有737及676mAh g-1。在1 C的电流密度下循环100圈后,Graphene/TiO2/S电极以及TiO2/S电极容量保持率分别达79%及89%。5.通过气-液界面共聚方法制备了石墨烯/富硫聚合物复合材料,相比较单质硫电极材料而言,富硫聚合物电极材料的电化学性能得到了显著的改善。在0.5 C的电流密度下,石墨烯/富硫聚合物经过100圈循环后其比容量依然保持有635 mAh g–1。富硫聚合物均匀负载在石墨烯表面,促进了石墨烯/富硫聚合物电极的电子/离子传输,并减缓了多硫化物在有机电解液中的溶解。更为重要的是,放电过程中形成的有机硫单元抑制了Li2S2/Li2S的不可逆沉积,从而有效改善了硫电极的电化学性能。在此基础上,利用多孔碳的“纳米限域”作用,进一步制备了多孔碳/富硫聚合物复合材料。在0.5 C的电流密度下,多孔碳/富硫聚合物初始放电比容量达1105mAh g-1,经过100圈循环后,容量保持率达80.5%。并且多孔碳/富硫聚合物表现出优异的倍率特性,在5 C的电流密度下,其可逆容量达681 mAh g-1。