单质硫在被还原时能够得到两个电子,而且其质量较轻,所以单质硫的理论比容量可达1675 mAh/g,理论能量密度达2600 Wh/kg,是目前比容量最高的正极材料。同时,单质硫具有价格低廉、环境友好等特点,在能源问题日益严重的今天,硫电极材料探索与研究越来越受到人们的关注。但是,硫电极也存在下列问题：1.单质硫为电子和离子绝缘体,作为电极材料其活性物质利用率较低。2.硫电极放电中间产物易溶于常规有机电解液,造成活性物质的损失,且溶解的产物易腐蚀锂金属电极。3.硫电极放电的最终产物Li2S也呈现绝缘性,沉积在硫电极表面可阻止活性物质的进一步反应,导致硫的利用率降低。以上这些问题严重影响了锂-硫电池的研究与开发。在本论文中,为了克服硫电极存在的问题,分别将单质硫与乙炔黑、介孔超导炭黑和微孔碳球进行复合,探索了不同碳材料的孔结构对所负载硫的电化学性能的影响,以期重点改善硫电极的循环寿命。首先,将乙炔黑与单质硫通过热处理的方法制备成硫-乙炔黑复合材料,并分别在抑制硫及多硫化物溶解、加快硫及多硫化物溶解的电解液以及商用锂离子电池电解液中进行了电化学测试。优化得到了使硫-乙炔黑复合材料具有最佳电化学性能的电解液和硫在乙炔黑中的合适含量。同时,对具有最佳电化学性能的硫-乙炔黑复合材料进行了详细的结构分析与电化学性能测试。研究表明,单质硫嵌入到乙炔黑2.5nm的较小介孔内,可有效提高硫电极的充放电容量,改善了硫电极的循环性能。由于乙炔黑的比表面积有限,因此为了进一步提高硫的负载量,同时考察碳材料的孔径增大后对硫电极电化学性能的影响,本论文采用了具有高比表面积的介孔超导炭黑与单质硫进行复合,制备出硫-超导炭黑复合材料。结合对复合材料的结构分析和电化学性能测试,研究显示,超导炭黑负载硫呈现不同的影响趋势,既超导炭黑负载高含量(超过56wt%)和低含量(38wt%)的单质硫,其电化学性能均不理想。这主要是因为超导炭黑的介孔(3.7 nm)远大于硫八环(S8)的半径,当单质硫填充到超导炭黑的介孔中时,只有与介孔孔壁相接触的单质硫可以被还原,而未还原的单质硫又阻碍了锂离子的进一步扩散,造成电极的严重极化和较低的硫利用率。因此,增大碳材料的孔径不利于嵌入孔内的单质硫电化学性能的改善。最后,为了提高单质硫的利用率和改善硫电极的循环性能,并提高电极材料的堆积密度,本论文采取具有大量微孔的微孔碳球对硫进行有效负载。通过热处理方法将单质硫嵌入到碳球的微孔中,制备得到了硫-微孔碳球复合材料。电化学测试结果表明,硫-微孔碳球复合材料在小电流密度下首次放电容量达到了1333 mAh/g,为硫的理论容量的80%,且硫电极的可逆容量可保持在1006 mAh/g。即使在1200 mA/g的大电流密度下,硫电极的可逆容量也达730 mAh/g。特别是在在400 mA/g的电流密度下,硫-微孔碳球复合材料在循环500周后,其容量仍然保持在650 mAh/g。因此,单质硫以链状分子形式嵌入到碳球的微孔中,显著提高了单质硫的利用率,且单质硫和其放电中间产物—多硫化物可被吸附在碳球的微孔中,限制了硫及多硫化物在电解液中的溶解,也避免了最终产物Li2S在碳球表面的明显沉积。因此,将单质硫嵌入到碳球的微孔中可有效改善硫电极的循环性能。本论文工作中针对碳材料的不同孔结构对硫的电化学性能的影响,特别是基于微孔结构有利于明显提高硫的利用率和限制硫及多硫化物在电解液中的溶解,从而改善硫电极的循环性能和高倍率性能的研究成果,为今后设计新型碳材料和研制性能优异的硫复合电极材料提供了实验依据,也为高比能锂硫二次电池的发展奠定了可靠理论基础。