随着人们对便携式电子设备、电动汽车、智能电网和可再生能源需求的日益增加,要求电池具有质量轻、功率高、使用寿命长等优势。锂硫电池由于具有高的理论放电比容量(1675 mAh/g)、能量密度(2600 Wh/kg)、硫储量丰富、成本低、环境友好等优势被看作是最有潜力的下一代储能系统。但是,由于正极硫的导电性差、体积膨胀以及充放电过程中的“穿梭效应”等问题严重的阻碍了其商业化应用。因此,开发新型的硫正极载体材料以克服上述问题对于提升锂硫电池性能,延长其循环寿命有着非常重要的实际意义。TinO2n-1(4≤n≤10)是一系列非化学计量比的钛氧化物,特殊的晶体结构使其具有优良的导电性、化学稳定性及对多硫化物的强吸附能力,将其用于锂硫电池正极载体能够显著抑制“穿梭效应”,提高电池的循环性能。因此,针对TinO2n-1材料的合成、制备及其在锂硫电池中的应用开展相关的研究工作,能够为储能领域材料的设计和开发提供新的研究思路,具有非常重要的意义。本文分别采用球磨混合和化学包覆的方法,将碳黑和聚多巴胺(PDA)作为还原剂与TiO2进行复合,利用高温碳热还原法在不同煅烧温度下获得了不同n值的TinO2n-1材料。XRD和TEM的分析结果表明,随着煅烧温度的升高,生成TinO2n-1相的n值逐渐降低,其相变次序依次为TiO2→Ti20O39→TinO2n-1(n=4～10)→Ti3O5→Ti2O3→TiO。与球磨混合引入碳黑的方式相比,在生成相同n值的TinO2n-1相时,在TiO2表面包覆PDA的方法能够降低碳热还原反应的温度,同时还可以有效地抑制晶粒的粗化。进一步利用TEM研究了不同n值TinO2n-1相之间的两种界面结构,结果表明Ti5O9/Ti4O7相之间通过相变形成共格界面,而Ti4O7/Ti3O5相之间通过取向附着生长形成非共格界面。碳热还原反应的热力学计算结果表明,在298-1598 K的温度范围内,反应Ti4O7+CO=Ti3O5+CO2不能正向自发进行,进一步说明了 Ti4O7/Ti3O5界面的取向附着生长机制。在此基础上,分别从原子尺度和纳米尺度提出了两种界面的形成机制。以硬模板法制备的中空介孔碳球(HCS)为模板,设计合成了一种具有优良导电性和大比表面积(512 m2/g)的HCS@Ti4O7复合材料,并将其应用于锂硫电池正极载体,可实现70%的高载硫量。以载硫后的材料作为电池正极时,在电流密度为0.1 C时,首圈的放电容量可达1427 mAh·g-1,当电流密度增大至0.5 C时,其首圈放电容量仍可达1168 mAh·g-1,且在循环800圈后,容量依然保持在601 mAh·g-1,对应于每圈容量衰减为0.06%,表明电池具有良好的循环稳定性。利用TEM对循环后电极材料的结构进行分析,发现在800圈循环后其形貌和成分分布与循环前基本一致,表明其具有优异的结构稳定性。对HCS@Ti4O7正极载体材料进行XPS分析可知:在吸附Li2S6之后,Ti 2p能级的自旋分裂峰向低能方向移动了 0.2 eV,同时谱图中出现了 Ti-S键对应的特征峰,表明HCS@Ti407对多硫化物有较强的化学吸附作用。