锂硫电池具有能量密度高与原料成本低等优势,是非常具有潜力的下一代储能系统。但是锂硫电池的电极活性物质导电性差且存在严重的“穿梭效应”,因此锂硫电池的循环稳定性较差,难以满足大规模商业化的要求。本文基于碳材料的高孔隙率、高比表面积以及高导电性等优势,通过化学组分的导入、孔道结构的调控与碳骨架三维结构的设计以优化电极的电化学性能,研究孔道结构、碳骨架三维结构以及碳骨架其他化学组分对硫电极电化学活性的影响规律。利用碘修饰能有效提升硫/碳复合材料的倍率下性能。一方面,单质碘在首次放电的过程中转变为具有锂离子传输能力的固态电解质碘化锂,能有效的改善硫电极的锂离子输运状况,同时由于锂硫电池的充放电区间低于碘化锂的氧化电位,故首次放电过程电化学原位产生的碘化锂会稳定存在于锂硫电池后期的循环过程中而改善锂硫电池的锂离子输运状况;另一方面,在材料合成过程中,碘能够掺入碳材料之中,形成碘掺杂碳材料而提高碳材料的电子导电性。而锂离子与电子的良好传输是保证电化学反应的关键,因此碘修饰能够有效的提升硫电极的反应动力学过程。在硫含量达到75%(碘含量为5%)时,电流密度为3 C的高功率下循环100次之后,可逆比容量能达到479 mAh/g,展现出优异的倍率性能。借鉴金属-有机框架的合成方法制备了金属-有机复合物Ni-MeIM,在惰性氛围下对Ni-MeIM材料进行高温热解,得到了一种新颖的三维线团状氮掺杂多壁碳纳米管团聚体(OCNTAs)。OCNTAs材料具备可比拟无定形多孔碳材料的高孔隙率与石墨化碳材料的高导电性,因此其具备较强的固硫能力的同时能保证电子的快速传输,使用OCNTAs材料所制备得到的硫/碳复合材料具有较高的硫含量及较好的导电性。硫含量为75 wt%的OCNTAs/S复合材料在0.2 C的倍率下进行了1000次的长循环,库伦效率始终保持在100%左右,平均每次的容量衰减率仅为0.053%,表现出优异的循环稳定性。制备钴-碳纳米线阵列修饰的炭布材料(CC@Co-CNAs)以加速锂硫电池的阴极电化学反应过程而提升锂硫电池的电化学性能。钴-碳纳米线的一维结构使得钴纳米颗粒活性位点大量暴露,有利于充分发挥钴纳米颗粒的活性。同时通过XAS论证了阴极中钴纳米颗粒与活性物质之间有较强的相互作用而有效的增强了阴极的固硫能力。因此使用CC@Co-CNAs制备的硫电极具备优异的电化学性能。当硫载量达到2.5 mg/cm~2时,0.25 C的倍率下恒流充放电,基于单质硫的首次放电比容量高达1228 mAh/g;而当充放电电流密度达到1 C倍率时,经过300次的长循环,可逆比容量仍能稳定在807 mAh/g,平均每个循环的容量衰减率仅为0.06%。而当载量升高到6.2 mg/cm~2时,在0.1 C倍率下可逆比容量仍高达958 mAh/g,展现出优异的电化学性能。综上,通过对硫电极及电极材料的控制合成与化学组分修饰,锂硫电池的电化学性能有了明显的提升。进一步借助物理表征与电化学测试,获得了特定硫载体结构与化学组分对锂硫电池的电化学反应过程的影响规律,为载体的结构设计与化学成分改性提供了一定的科学依据与理论指导。