高能量密度(2600 Wh kg-1)和大理论比容量(1672 mAh g-1)的锂硫电池因为具有原料易获取、价格低廉、无污染等优点,被认为是最有希望成为新一代储能设备的候选者之一。然而,在现实研究工作中发现锂硫电池中存在一系列问题,如硫和放电产物硫化锂(Li2S)导电性差,中间产物多硫化锂(LiPSs)极易溶于电解液造成硫的利用率下降,充电过程LiPSs的迁移产生的“穿梭效应”以及充放电过程中引起的体积变化(～80%)等问题,导致电池的容量较低。因此,设计一种导电性好、有足够内部空间适应体积膨胀同时又对LiPSs具有限制和催化作用的载体材料是目前的主要研究工作。本文采用钴基氧族金属化合物和碳材料复合的方式设计了多种结构的钴基氧族复合材料,它们独特的结构和良好的导电性,展现出了优异的电化学性能。本文研究工作主要包括以下三部分:(1)采用热聚合法合成磷掺杂的氮化碳(PCN),并以六水合硝酸钴为钴源,通过合理地控制水热反应的条件将PCN负载在Co3O4微球表面,在Co3O4/PCN表面修饰多壁碳纳米管(MWCNT),最终制得复合材料Co3O4/PCN/MWCNT。复合材料的介孔可以增加硫的储存并能缓冲循环过程引起的体积变化。Co3O4微球对LiPSs具有物理限制作用,同时催化LiPSs的转化反应,PCN对LiPSs具有很强的吸附作用,MWCNT显著提高了复合材料的导电性。在0.5 C下,初始的放电比容量为1006.9 mAh g-1,500次循环后保持585.7 mAh g-1的容量;每圈99%以上稳定的库伦效率,容量衰减率仅为0.084%。(2)以ZIF-67纳米立方体为前体,合成了表面粗糙且有片状CoS堆叠的CoS NB,在外层修饰无定形的氮掺杂碳(NC),最终得到复合材料CoS@NC。CoSNB大小均一,粒径约为260nm,壁厚为40nm左右。CoS@NC复合材料有很多空腔,有利于储存活性物质,适应放电过程产生的体积膨胀,复合材料较大的比表面积,对电解液具有很好的润湿作用,同时复合材料良好的导电层加速氧化还原反应,提高S的利用率。S/CoS@NC表现出极佳的循环性能,在0.2C下,电池提供了 1269.6 mAh g-1的初始放电比容量,100圈后,容量有84.6%的高保持率;在2C下的优异倍率性能(794.0mAh g-1)。更重要的是,在1C的较大电流密度下完成500个循,环后,仍有702.5 mAhg-1的容量,每圈0.076%的低衰减率。(3)首次合成ZIF-67纳米多面体,并将其作为模板,包覆酚醛树脂,烧制后得到有Co颗粒嵌入的碳壳结构的C/Co@C中间体。然后通过掺杂氮的方式,改善了碳壳的极性。最后将钴颗粒硒化,制得了结构独特的C/CoSe2@NC复合材料。C/CoSe2@NC复合材料改善了硒化钴的团聚严重和颗粒较大的情况,提高了 CoSe2对LiPSs的催化转化作用。C/CoSe2@NC的空腔结构和丰富的介孔结构抑制了 LiPSs的“穿梭效应”,提高了硫的利用率。S@C/CoSe2@NC具有出色的长循环性能,在1 C下循环500圈后,平均每圈的衰减率极低(0.036%),可逆容量为772.3 mAh g-1。值得注意的是,在6.14g cm-2较大面载量的情况下,仍表现出高的初始放电面比容量(7.1 mAh cm-2)和很好的商业化潜力。