锂硫电池具有较高的能量密度,并且其硫正极材料价格低廉、来源丰富和绿色环保,是非常有前景的新一代二次电池。但锂硫电池也面临着硫正极材料的导电性差、充放电过程中体积变化大、充放电中间产物锂多硫化物在电解液中的溶解导致的活性物质损失等问题,从而导致其低的循环性能和倍率性能。因此,硫正极材料常需要与高电导率的碳材料复合以提高其电化学性能。本文在综述了国内外硫正极材料的研究发展基础上,基于生物质碳具有可持续、环境友好及成本低等优点,提出了研究开发新型生物质碳为硫的载体,用于制备硫/碳复合正极材料。研究了新颖的制备方法,并通过优化相关制备参数,获得了高性能的硫/碳复合正极材料,阐明了复合正极材料电化学性能提高的机理。此外,基于Li2S作为另一种有前途的高容量锂硫电池正极材料,目前还存在合成方法复杂、成本高、循环性能和倍率性能低等问题,提出了 一种高效低成本合成Li2S和高性能纳米Li2S/多孔碳复合正极材料的新方法。研究结果对于高性能锂硫电池正极材料的进一步研究和开发具有积极意义。论文采用了初始具有多孔结构的直链淀粉为碳源,通过多步热解的方法制备了具有大孔中空和微孔多孔壳体的颗粒尺寸约为4-6 μm的球形碳,碳壳中微孔尺寸主要在1-2 nm。该中空多孔碳在渗入48 wt.%的硫后作为锂硫电池正极材料表现出优良的电化学性能,在0.1 C倍率条件下的首次放电容量达到1490 mAh/g,为理论容量的88%,硫的利用率较高,经200循环后的容量仍有798mA h/g。其在0.5、1、3、5 C电流下的容量分别为907、681、487和226 mAh/g。碳壳中的微孔对硫具有有效的拘束作用和包覆,显著减少了循环过程中锂多硫化物在电解液中的溶解,提高了材料的电子电导率,复合材料的中空结构对硫在嵌锂过程的体积膨胀起到有效的缓冲作用,从而使复合材料具有优良的综合电化学性能。以蔗糖和浒苔作为碳源,对其进行热解碳化,并进一步采用CO2对碳化蔗糖和碳化浒苔进行刻蚀,并通过优化刻蚀温度和时间优化了碳的多孔结构,提高了其孔容,增加了其载硫能力。研究发现了碳化蔗糖经950和1000℃刻蚀30分钟和经900℃刻蚀60分钟获得的碳材料可将部分硫约束为具有比大分子硫电化学性能更好的小分子硫。其中经950℃温度刻蚀30分钟的碳化蔗糖与硫复合后的正极材料表现出更优良的电化学性能,其首次放电容量达1360mAh/g,在0.1 C倍率下经100个循环后的容量仍有570mAh/g。在30分钟的刻蚀条件下,经900℃刻蚀的碳化浒苔形成了孔径约为3.5nm的多孔碳,其结合71 wt.%硫后的复合材料具有优良的电化学性能,0.1 C倍率下的首次的循环容量达到1434mA h/g,经过200个循环之后的容量为670 mA h/g,在0.5、1、3、5 C的倍率下的容量分别达998、720、460和256mAh/g。本文以浒苔为碳源的多孔碳的制备方法简单,获得的碳化浒苔具有高的比表面积和孔容,还可望在超级电容器和催化剂载体等方面得到应用。对有害生物浒的高附加值利用,对于保护海洋环境和创造商业价值都具有积极意义。以LiH和硫为原材料,借助球磨的机械力化学反应,合成了具有亚微米尺度的高纯度Li2S,合成方法简单、成本低、环保,具有潜在的推广应用前景。合成的Li2S 由于尺度小,其直接作为锂硫电池正极材料时的活化性能好,其活化平台只在2.6 V左右,远低于目前商业Li2S的活化平台(3.5 V)。该方法合成的Li2S进一步与高分子碳源聚丙烯腈(PAN)球磨混合,结合随后的对PAN的碳化处理,获得了一种纳米Li2S颗粒镶嵌于多孔碳的新颖结构复合正极材料。通过调控Li2S和PAN的含量比例,获得了高性能纳米Li2S/多孔碳复合正极材料,材料制备方法简单。在Li2S含量高达74wt.%条件下,复合材料在首次放电过程中基本无活化过电位。该复合材料在0.1 C倍率下的首次放电容量达到971 mA h/g,200个循环后的容量仍有570mAh/g,在0.5、1、2和4C倍率下的容量分别达到746、610、434和270mAh/g。该材料较高的综合电化学性能归因于纳米Li2S颗粒高的电化学活性以及多孔碳基体对Li2S颗粒的包覆有效保持了复合电极材料在循环过程中较高的电子电导率和高的锂离子传输率,Li2S反应中间产物在电解液中低的溶解度。