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面向未来社会的能源需求，发展下一代高比能电池系统是实现电能高效存储和利用的重要环节。锂硫电池以其高理论能量密度特点，是最具潜力的候选体系之一。本研究从锂硫电池中硫高效利用的关键问题出发，提出利用纳米材料结合化学工程概念，理解锂硫电池内的反应和传递机制，探索锂硫电池所需的核心材料，并拓展其在锂硫电池实用化器件中的应用。针对锂硫电池中间产物穿梭扩散导致效率低的问题，提出选择性隔膜提高电池库伦效率的原理和方法。针对硫活性材料导电性差的问题，提出利用碳材料构筑高性能三维复合硫碳电极。针对实用锂硫电池的动力学差的问题，提出强化界面反应特性、实现良好的倍率性能。并采用人工界面膜手段稳定金属锂负极，以实现金属锂的稳定沉积和脱嵌过程。